無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SOC芯片的低功耗設(shè)計 (1)

在系統(tǒng)層次上，RISC CPU核設(shè)計了空閑模式及停止模式，來節(jié)省功耗。RISC CPU核進(jìn)入空閑模式或停止模式時，CPU內(nèi)部時鐘停止運(yùn)行，同時內(nèi)部寄存器保持?jǐn)?shù)據(jù)。

4. 結(jié)構(gòu)層次上的低功耗設(shè)計

通過仔細(xì)分析整個SOC芯片的功耗來源，可知RISC CPU核，RAM，F(xiàn)lash及基帶處理模塊占去了絕大部分。下面從結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行低功耗設(shè)計。

4.1 RISC CPU核的低功耗設(shè)計

微處理器的功耗降低可以通過降低頻率，及降低工作電壓的方法來解決。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)SOC結(jié)構(gòu)層次上的設(shè)計中，除了采用慢速時鐘，及低電壓供電的方法，還同時針對數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行優(yōu)化，主要目的是為了減少電路中不必要的翻轉(zhuǎn)。指令譯碼數(shù)據(jù)路徑的優(yōu)化：一般情況下，CPU中所有的執(zhí)行單元直接接在指令譯碼單元后面。一旦有新的譯碼數(shù)據(jù)輸入，與其相連的所有執(zhí)行單元電路也去進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，造成不必要的功耗浪費(fèi)。所以，在不影響時序功能的情況，設(shè)計分離的內(nèi)部總線，將不執(zhí)行的單元輸入數(shù)據(jù)及控制信號鎖存，其輸入信號保持不變，動態(tài)功耗可以減少。芯片內(nèi)部集成了RAM及Flash ROM。為了降低這兩者的功耗，避免不必要的翻轉(zhuǎn)，內(nèi)部總線與RAM，F(xiàn)lash 的接口單元設(shè)計鎖存器，這樣的話，只有CPU訪問相應(yīng)的地址時，RAM及Flash內(nèi)部才進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

4.2基帶處理模塊的低功耗設(shè)計

基帶處理模塊的設(shè)計框圖如圖 2所示；其基于IEEE 802.15.4協(xié)議的物理層幀及數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)如圖 3所示。從提高cpu的效率和減少功耗角度出發(fā)，基帶處理模塊采用中斷方式與CPU通線。基帶處理模塊發(fā)送完接收FIFO的數(shù)據(jù)幀，向CPU申請發(fā)送中斷，等待CPU寫入新的數(shù)據(jù)到發(fā)送FIFO；當(dāng)基帶處理模塊接收到TR6903模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)幀，存放入接收FIFO中，產(chǎn)生接收中斷等待CPU處理。

圖 2 基帶處理模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖 3 物理層及數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu)

基帶處理模塊主要采用并行結(jié)構(gòu)與流水線技術(shù)來降低功耗。發(fā)送功能與接收功能的物理層發(fā)送模塊，緩沖區(qū)都是并行結(jié)構(gòu)。配置模塊也是分開來設(shè)計，數(shù)據(jù)的處理方式也是并行。包處理模塊的中CRC16也是采用并行結(jié)構(gòu)進(jìn)行校驗(yàn)的。這樣設(shè)計的好處，是為了在慢時鐘頻率下，通過并行設(shè)計提高性能，達(dá)到與高速時速一樣的性能。在圖 2中的各子模塊與子模塊之間都有流水級，也就是鎖存器，不僅僅為了減少不必要的翻轉(zhuǎn)，更重要的減少關(guān)鍵路徑上的長度，從而達(dá)到間接降低功耗的目的。

基帶處理模塊低功耗結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：