专利名称：一种基于传输触发架构的无线传感器网络节点专用处理器的制作方法
一种基于传输触发架构的无线传感器网络节点专用处理器方法
技术领域：
本发明涉及无线传输领域，特别涉及一种用于无线传感器网络节点 上专用处理器。背景技术：
无线传感器网络(WirelessSensor Network, WSN)是由大量传感器 节点通过无线通信技术自组织构成的网络。它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输 应用。它是由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳 自组织的网络系统，从而协作的感知、采集和处理网络覆盖区域的监测信息，并发送给观察 者。无线传感器网是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统， 具有低成本、微型化、低功耗等特点。传感器节点的功耗、体积和成本是无线传感器网络节点设计考虑的主要问题，目 前的无线传感器网络节点一般采用通用处理器，由于通用处理器没有专门针对无线传感器 网络应用环境做过优化，对无线传感器网络协议和算法主要由软件实现，效率较低，在功耗 和体积等方面难以满足无线传感器网络的需要，影响了无线传感器网络的大规模应用推因此，结合传感器节点应用实际进行专用设计，设计具有低功耗、低成本、高集成、 高性能、智能化以及微型化的无线传感器网络专用处理器，符合技术发展的趋势。这也为无 线传感器网络的大规模应用奠定基础，具有重要的现实意义和实用价值。
发明内容本发明的目的是改进目前在无线传感器网络中使用的通用处理器效率低、功耗 大、运算速度慢、软件编程复杂等问题，从而提出一种适用于无线传器网络节点的专用处理
ο为了实现上述目的，本发明提供了一种用于无线传感器网络节点的专用处理器， 包括(1)算术逻辑指令模块、(2)位操作指令模块、(3)寄存器模块、(4)数据存取指令模 块、(5)控制寄存器模块、(6)休眠与时钟管理指令模块、(7)射频接口模块、(S)MAC协议指 令模块其中，所有的模块均通过总线连接，在处理器工作时，根据从程序存储器中获取的 指令，确定源地址和目标地址，总线根据指令设置上述信号，完成数据的传输，而运算过程 发生在数据传输过程中。上述技术方案中，所述的(1)算术逻辑指令模块、(2)位操作指令模块、(3)寄存器 模块、(4)数据存取指令模块、(5)控制寄存器模块构成了处理器最基本的功能，完成和通 用处理器类似的运算功能。上述技术方案中，所述的(6)休眠与时钟管理指令模块实现处理器的休眠和唤 醒、从而起到降低功耗的目的。上述技术方案中，所述的(7)射频接口模块在所述(S)MAC协议指令模块的控制 下，与射频芯片进行通信，完成数据的发送、接收、调制解调模式、发射功率调整、发射频率 调整等功能。
上述技术方案中，所述的(S)MAC协议指令模块在指令控制下设定调制解调模式、 发射功率、发射频率等，并对数据包进行封装和解析、发射时实现冲突检测——避免机制， 在MAC模块工作时，其他模块可以休眠。本发明的优点和积极效果1、本发明用于无线传感器网络节点上的专用处理器将无线传感器网络中使用频 率很高的网络协议以及信号处理的算法用硬件逻辑来实现，发挥硬件逻辑的高效性，节省 无线传感器网络节点的功耗。2、本发明用于无线传感器网络节点上的专用处理器根据软件调度各模块，通过编 写不同的软件，可以用不同的方法调度硬件模块，从而实现数据传输，转发等功能，发挥了 软件的灵活性。
图1为本发明的一种基于传输触发架构的无线传感器网络节点专用处理器结构 图。
具体实施方式如图1所示，本发明的一种基于传输触发架构的无线传感器网络专用处理器包括 ⑴算术逻辑指令模块，⑵位操作指令模块，⑶寄存器模块，⑷数据存取指令模块，(5) 控制寄存器模块，(6)休眠与时钟管理指令模块，(7)射频接口模块，(S)MAC协议指令模块。其中，所有的模块均通过总线连接，总线包括source_sel，dest_sel, source_ addr, dest_addr, data_in, data_out, interrupt等信号，分别表示源选择、目标选择、源地 址、目标地址、源数据输入、目标数据输出、中断请求等。而(7)射频接口模块通过SPI接口 与射频模块相连，(4)数据存取指令模块通过外部总线与存储器相连。每条指令实际上都是一个传送操作，每条指令长度为2个字节，每条指令都可划 分为三个字段源(SOURCE)指定数据从何处移出；目标(DESTINATION)指定数据传送到何 处；格式位则指明源是一个立即数，还是一个寄存器标示，其格式见表1。表1指令格式 (1)算术逻辑指令模块提供了加法、带进位加法、减法、带借位减法、位或、位异或、 位与、位非、算术左移、逻辑左移、算术右移、逻辑右移、位交换、字节交换等功能，其中不同 功能根据源地址、目的地址和源与目的选择信号进行区别。(2)位操作指令模块通过源地址或目的地址寻址操作数中的特定位，进而对指定 位进行置位、清零和取反等操作。(3)寄存器模块提供16个16位寄存器，每个寄存器可以单周期写入或读取，其中， 累加器指针寄存器所指向的寄存器被指定为“有效累加器”，成为算术逻辑指令的目标寄存 器。因此，通过改变累加器指针寄存器的值，这十六个寄存器当中的任意一个均可被指定为 算术逻辑指令的操作目标。
(4)数据存取指令模块包括指令指针、堆栈指针、两个可自增减的数据指针和一个 包括基址与偏移量的数据指针构成，根据地址的不同，访问这个模块将执行一个直接或间 接加载，或者存储操作，并可能在间接访问后递增或递减数据指针。(5)控制寄存器模块包括累加器指针寄存器、中断请求寄存器、时钟选择寄存器、 标志位寄存器等，通过这些寄存器，可以对程序流程、中断处理、系统时钟输入、及累计器选 择等功能进行控制。(6)休眠与时钟管理指令模块包括门控时钟寄存器，休眠周期寄存器，唤醒掩码寄 存器等，由于一个周期里只有源和目的模块工作，其他模块可以休眠以节省功耗，因此，使 用门控时钟寄存器关闭非活动模块时钟进而达到节能的目的。休眠周期寄存器适用于基于 时分复用的无线传感器网络中需要定期休眠唤醒的应用场合，系统休眠一定时钟周期或遇 到中断信号时被唤醒，较大地降低了系统功耗。(7)射频接口模块通过SPI接口与射频模块连接，接收MAC模块传来的数据，并复 杂产生对射频模块的控制字。此外，当射频模块接收到数据时，产生中断信号唤醒处理器， 通知MAC模块进行接收。(S)MAC协议指令模块在程序的控制下设定工作频率、发送功率和调制解调模式 等。在没有数据要发送时，MAC协议指令模块根据协议，通过射频接口模块控制射频模块在 接收和休眠两种模式之间的切换。在接收模式时，MAC协议指令模块根据信号强度和解调 后的信号内容来判断数据的有效性，并获取数据载荷。当处于发射模式时，它首先将侦听信 道，当判断目前信道为空时，才发射数据，否则等待随机时间再次监听，直到信道空闲为止。 在有信标的网络中，还可以在网关分配的时隙内进行发送操作。上述的(7)射频接口模块和(S)MAC协议指令模块完成了无线网络从物理层和MAC 层的工作。在无线传感器网络中，这些操作的使用频率很高，将这些网络协议硬件化，一方 面提高了能效比，节省了功耗，另一方面处理器可以并行处理底层任务的速度加快，提高了 处理器的能力，真正实现了无线传感器网络处理器的低功耗、低成本、高集成、高性能、智能 化等特点。
权利要求
一种基于传输触发架构的无线传感器网络节点上的专用处理器，包括(1)算术逻辑指令模块、(2)位操作指令模块、(3)寄存器模块、(4)数据存取指令模块、(5)控制寄存器模块、(6)休眠与时钟管理指令模块、(7)射频接口模块、(8)MAC协议指令模块；其中，所有模块之间通过总线连接，每条指令指定数据传输的源地址和目的地址，根据特定指令，将数据在不同模块之间传输，在模块间的传输过程中进行运算。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络专用处理器，其特征在于，使用传输触发架 构，摒弃了传统的指令译码器，结构简单，指令模块化，易于扩充和修改，同一时刻只有部分 指令单元工作，可降低功耗。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络专用处理器，其特征在于，使用专用的MAC协 议指令模块(8)对MAC协议进行处理，降低了功耗，并通过专用低功耗无线传感器网络防议 实现无线传感器网络通信。
全文摘要
一种基于传输触发架构的无线传感器网络节点专用处理器，该专用处理器包括(1)算术逻辑指令模块、(2)位操作指令模块、(3)寄存器模块、(4)数据存取指令模块、(5)控制寄存器模块、(6)休眠与时钟管理指令模块、(7)射频接口模块、(8)MAC协议指令模块。所有模块之间通过专用总线连接，每条指令指定数据传输的源地址和目的地址，根据特定指令，将数据在不同模块之间传输，在模块间的传输过程中进行运算。本发明避免了在传感器节点采用传统的通用式处理器带来的诸多缺点，与现有处理器相比，具有功耗低，运算速度快，结构简单，扩展性强等优点，更适合应用在无线传感器网络中。
文档编号H04W52/02GK101909348SQ20101014806
公开日2010年12月8日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者丁智慧, 孙桂玲, 李维祥, 王传根, 纪永鑫 申请人:南开大学