基于OMAP的无线传感网节点处理器的设计与实现
时间：06-24
来源：电子技术应用
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无线传感网络是计算技术、通信技术和传感器技术相结合的产物。传感网应用场合非常广泛，节点也可以搭载不同类型的传感器。当节点自身搭载的传感器为震动、磁传感器时，采集到的数据量较小，处理简单，目前的传感网节点(如Mica节点)就可以满足需要。但当节点集成图像传感器、红外传感器等大数据量传感器对传感数据网络的实时要求相当高时，现有的节点受处理及存储能力的限制无法满足要求。
本文主要分析在设计较高处理及存储能力传感节点时，如何满足传感网节点低功耗和高处理能力间的平衡关系，并介绍基于OMAP处理器的节点处理器部分的实现方案。
1 无线传感网节点功耗分析
首先对节点各模块与处理器模块的功耗关系进行分析。
依照功能，无线传感网节点在硬件上分为数据采集模块、数据处理模块、无线收发模块、供电模块。图1为其节点示意图。
下面对各模块进行功耗分析。
(1)数据采集模块
数据采集模块通过传感器采集外界数据并存储。处理器模块主要是配合传感器工作，并进行数据存储。
(2)数据处理模块
数据处理模块是处理器的主要工作模块。在工作态内，处理器模块的主要工作为数据采集、数据处理及数据传送。在数据处理阶段，处理器又负责模式识别、协议处理以及通信相关的三类任务。
在选择数据处理阶段的算法时，应考虑功耗问题。在达到系统要求的情况下，算法应尽可能简化。
值得注意的是：选择简单的通信相关算法可能使接收部分的性能下降，只能通过增加无线收发模块的发射能量来补偿，使整个节点的功耗增加。
该模块的设计原则：①数据处理部分软件尽量简化；②工作态和待机态功耗应尽量降低；③通信相关的算法会影响到无线收发模块的功耗，应整体考虑后再选择。
(3)无线收发模块
由于无线收发模块工作时需要处理器配合，将数据与无线收发模块交互。因此工作时间内，必须考虑处理器模块的功耗。
以上分析了无线传感网节点中的各个模块在工作态时与处理器模块的关系。下面利用上述结论，针对基于OMAP芯片的节点处理器的设计进行具体分析。
2 基于OMAP的节点处理器的低功耗设计
2.1 功耗与处理主频的关系
下面根据OMAP5912的电流/处理速率比分析节点的功耗与处理器主频的关系。OMAP为双核处理器，对两个核的功耗、计算能力要分别考虑。
2.1.1 OMAP内部双核间的任务分配
OMAP5912中的DSP核为C5x系列的5510，ARM核为ARM926EJ。其中DSP核有内部乘加器且具有并行执行语句的特点，在进行大数据量的数值运算时效率极高。以FFT为例，1024点的FFT程序在ARM端的计算量约为1M条指令，在ARM核现有的流水线机制下，要花费1M指令周期。而在DSP核中运算时，由于程序可根据DSP内部的硬件结构优化，整个运算只消耗40K指令周期。所以主要的数值处理计算应该在OMAP内部的DSP核内计算，而ARM核负责处理协议上层逻辑性较强的部分。
2.1.2 OMAP核的电流/主频比
芯片的电流消耗与其运行的主频成线性关系，工作频率越高，电流就越大。
根据实测值，OMAP内部DSP核的电流值与DSP主频的关系约为：
IDSP=(25+0.3×FDSP)mA (1)
其内部ARM核的电流值与ARM核主频的关系约为：
IARM=(20+0.2×FARM)mA (2)
两个核的电流/频率示意图如图2所示。
2.1.3 OMAP核工作频率的选择
下面介绍OMAP两个核工作频率的选择。此处引入一个变量M，代表一个处理器完成某项运算所需要的指令周期数。
(1)DSP核的频率选择分析
设DSP核所承担的任务共需要MDSP，则DSP核完成此工作所消耗的能量为：
EDSP=Pworking×Tworking
=(VDSP×MDSP×0.3+VDSP×MDSP×25/FDSP)mJ (3)
对式(3)求EDSP对FDSP的导数得：
EDSP′=-VDSP×MDSP×25/(FDSP)2(4)
由于FDSP∈(0MHz，192MHz]，在此区间内EDSP′≠0，即函数无极值。由于EDSP′<0，所以当FDSP=192MHz时，EDSP得到最小值：
EDSP_min=(VDSP×MDSP×0.43)mJ (5)
(2)ARM核的频率选择分析
进行类似上面的分析，并满足刚好在TDSP_pro时间内完成MARM的运算量处理时，ARM的能耗EARM最小。
此时：FARM=FDSP×MARM/MDSP(6)
(3)工作频率选择的结论
①在消耗能量最少的原则下，当DSP核运算时，应选择全速运行。运算结束后，马上由ARM核将其转入被动模式。
ARM核根据选择的算法，估算MDSP与MARM的关系，根据式(7)进行具体计算。
②在采集数据和数据传递阶段，应尽量选择低主频，以达到功耗最低的目的。
2.1.4 节点方案中各状态的设计
根据节点处理器模块的状态，分为待机状态和工作状态。其中工作状态又根据功能的不同分为数据采集、数据处理和数据传送三个阶段。
各状态的转换关系如图3所示。
本文主要分析在设计较高处理及存储能力传感节点时，如何满足传感网节点低功耗和高处理能力间的平衡关系，并介绍基于OMAP处理器的节点处理器部分的实现方案。
1 无线传感网节点功耗分析
首先对节点各模块与处理器模块的功耗关系进行分析。
依照功能，无线传感网节点在硬件上分为数据采集模块、数据处理模块、无线收发模块、供电模块。图1为其节点示意图。
下面对各模块进行功耗分析。
(1)数据采集模块
数据采集模块通过传感器采集外界数据并存储。处理器模块主要是配合传感器工作，并进行数据存储。
(2)数据处理模块
数据处理模块是处理器的主要工作模块。在工作态内，处理器模块的主要工作为数据采集、数据处理及数据传送。在数据处理阶段，处理器又负责模式识别、协议处理以及通信相关的三类任务。
在选择数据处理阶段的算法时，应考虑功耗问题。在达到系统要求的情况下，算法应尽可能简化。
值得注意的是：选择简单的通信相关算法可能使接收部分的性能下降，只能通过增加无线收发模块的发射能量来补偿，使整个节点的功耗增加。
该模块的设计原则：①数据处理部分软件尽量简化；②工作态和待机态功耗应尽量降低；③通信相关的算法会影响到无线收发模块的功耗，应整体考虑后再选择。
(3)无线收发模块
由于无线收发模块工作时需要处理器配合，将数据与无线收发模块交互。因此工作时间内，必须考虑处理器模块的功耗。
以上分析了无线传感网节点中的各个模块在工作态时与处理器模块的关系。下面利用上述结论，针对基于OMAP芯片的节点处理器的设计进行具体分析。
2 基于OMAP的节点处理器的低功耗设计
2.1 功耗与处理主频的关系
下面根据OMAP5912的电流/处理速率比分析节点的功耗与处理器主频的关系。OMAP为双核处理器，对两个核的功耗、计算能力要分别考虑。
2.1.1 OMAP内部双核间的任务分配
OMAP5912中的DSP核为C5x系列的5510，ARM核为ARM926EJ。其中DSP核有内部乘加器且具有并行执行语句的特点，在进行大数据量的数值运算时效率极高。以FFT为例，1024点的FFT程序在ARM端的计算量约为1M条指令，在ARM核现有的流水线机制下，要花费1M指令周期。而在DSP核中运算时，由于程序可根据DSP内部的硬件结构优化，整个运算只消耗40K指令周期。所以主要的数值处理计算应该在OMAP内部的DSP核内计算，而ARM核负责处理协议上层逻辑性较强的部分。
2.1.2 OMAP核的电流/主频比
芯片的电流消耗与其运行的主频成线性关系，工作频率越高，电流就越大。
根据实测值，OMAP内部DSP核的电流值与DSP主频的关系约为：
IDSP=(25+0.3×FDSP)mA (1)
其内部ARM核的电流值与ARM核主频的关系约为：
IARM=(20+0.2×FARM)mA (2)
两个核的电流/频率示意图如图2所示。
2.1.3 OMAP核工作频率的选择
下面介绍OMAP两个核工作频率的选择。此处引入一个变量M，代表一个处理器完成某项运算所需要的指令周期数。
(1)DSP核的频率选择分析
设DSP核所承担的任务共需要MDSP，则DSP核完成此工作所消耗的能量为：
EDSP=Pworking×Tworking
=(VDSP×MDSP×0.3+VDSP×MDSP×25/FDSP)mJ (3)
对式(3)求EDSP对FDSP的导数得：
EDSP′=-VDSP×MDSP×25/(FDSP)2(4)
由于FDSP∈(0MHz，192MHz]，在此区间内EDSP′≠0，即函数无极值。由于EDSP′<0，所以当FDSP=192MHz时，EDSP得到最小值：
EDSP_min=(VDSP×MDSP×0.43)mJ (5)
(2)ARM核的频率选择分析
进行类似上面的分析，并满足刚好在TDSP_pro时间内完成MARM的运算量处理时，ARM的能耗EARM最小。
此时：FARM=FDSP×MARM/MDSP(6)
(3)工作频率选择的结论
①在消耗能量最少的原则下，当DSP核运算时，应选择全速运行。运算结束后，马上由ARM核将其转入被动模式。
ARM核根据选择的算法，估算MDSP与MARM的关系，根据式(7)进行具体计算。
②在采集数据和数据传递阶段，应尽量选择低主频，以达到功耗最低的目的。
2.1.4 节点方案中各状态的设计
根据节点处理器模块的状态，分为待机状态和工作状态。其中工作状态又根据功能的不同分为数据采集、数据处理和数据传送三个阶段。
各状态的转换关系如图3所示。