无线传感器网络节点低功耗MCU设计与实现.doc

无线传感器网络节点低功耗MCU设计与实现 　 周 亮， 李广军 时间:2008年07月15日????????字 体: 大 中 小 关键词: ??? 摘 要: 针对现有无线传感器网络节点控制器设计中存在功耗、芯片面积等方面的问题，自行设计了8位哈佛结构低功耗RISC MCU作为节点控制核心。CPU核采用两级流水加速操作，存储器采用分页、分块和映射等方式统一组织，并使用门控时钟和休眠唤醒机制等方式实现MCU低功耗操作，最后采用0.18μm静态CMOS工艺实现该MCU，其工作功耗低于10mW。以该MCU为核心实现了节点硬件平台设计，组建了功能完备的无线传感器网络。??? 关键词:? 无线传感器网络? 微控制器? 低功耗 ? ??? 无线传感器网络是多学科交叉结合的产物。它利用各节点的监测数据,通过自组织多跳路由网络传送至网关节点，通过通用通信接口传送至网关计算机并接入其他通用网络，远程的监控终端利用通用网络在监控范围内实现对各类数据的监测。无线传感器网络体系结构如图1所示。 ? ? ??? 无线传感器网络节点按操作特性可分为四种类型[1]：专用传感器平台、通用传感器平台、高带宽传感器平台和网关平台。??? 专用传感器平台侧重于节点的超低功耗和体积的微型化设计，但其处理能力和传输能力有限，UC Berkeley公司的Spec和Smart Dust是这类平台的典型代表。通用传感器平台对体积要求有所放宽，侧重于节点的可扩展性和测试需求，但同样对节点功耗有较严格的要求，该类型平台中以UC Berkeley公司的Mica系列节点为主要代表。网关平台是实现无线传感器网络与其他类型网络之间或是不同无线传感器网络之间数据交换的媒介。??? 由于无线传感器网络是一种典型的自组织网络，其拓扑结构会随着节点的加入、退出或移动而改变，各节点在网络中的功能也随之动态变化。因此，在监测区域中的节点都应具备充当终端节点或数据汇集节点的能力，在硬件设计时要充分考虑不同情况下的应用环境，以满足其功能需求。??? 在现有的各类无线传感器网络节点控制器设计中，因为没有针对无线传感器网络的应用开发专用的控制核心都是采用在嵌入式领域广泛应用的一些通用处理器单元，这使得节点设计中会受到体积、功耗、资源等各方面的限制。为此，本文自行设计并实现了一种8位哈佛结构低功耗的RISC MCU作为节点控制核心，对节点低功耗、微型化的设计具有现实意义。1 8位哈佛结构低功耗RISC MCU设计??? 在本设计中MCU总体采用了8位哈佛结构，MCU硬件结构示意图如图2所示。通过不同的总线对指令和数据进行操作，这种方式可降低控制电路的复杂度，也有利于在CPU中进行流水设计。 ? ??? 在设计中，CPU采用了两级流水，使用两相时钟控制完成预取指操作，支持24级独立硬堆栈，用于中断和子程序嵌套；支持八个外部及五个内部中断源；可寻址256KB外部程序ROM、4KB内部数据RAM和128B内部寄存器单元；两个采用内部总线时钟的带预分频器的定时计数器；一个带预分频器的与看门狗WDT共享外部时钟源的定时计数单元TCC；56个双向三态I/O端口，一个全双工UART模块和一个主模式SPI模块与部分I/O端口复用引脚。1.1 MCU存储体系设计??? 存储器体系结构如图3所示。MCU外部程序存储器采用256K×8bit结构，实际使用时由相邻奇偶地址单元构成128K×16bit形式，以满足13bit宽度指令集的需求。用于取指操作的寄存器R2(PC)为17位宽，其中高7位用作程序存储器128个页面的寻址，低10位用于页内寻址，寄存器R5存储当前工作页面地址，由指令解码器判定并操作向R2的传递，这种寻址方式有利于物理结构上同样采用分页形式的Flash存储器的操作。 ? ? ??? MCU片内存储器包括4KB数据RAM、128B通用寄存器RAM和其他特殊寄存器。为减小CPU的直接寻址范围和满足固定短字长指令集的使用，各存储器采用了分页（Page）、分块（Bank）和映像的统一组织方式。??? 特殊寄存器包括MCU各模块寄存器和I/O寄存器，各模块寄存器分为4页，I/O寄存器分为2页，使用寄存器R3进行页面的切换操作。由于寄存器并不完全占用所有地址空间，暂缺的部分留作以后扩展；128B的通用寄存器RAM分为4个块，每块32B。使用寄存器R4进行块切换操作，虽然采用了分块的结构，但仍然设计了直接和间接两种寻址方式，以提高其操作灵活度。该部分空间主要由程序中变量使用，而分块的结构在节省地址空间的同时也增强了各函数间的变量保护机制，有利于嵌入式操作系统的应用；4KB数据RAM被映像到分页的数据寄存器之中，通过16位宽的地址接口和8位宽的数据接口进行存取操作，极大地缩小了直接寻址空间。??? 目前这种