MCU硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該設(shè)計(jì)中MCU采用了與ELAN公司EM78系列MCU指令集兼容的形式，完成原型開發(fā)。CPU采用兩級(jí)流水，使用兩相時(shí)鐘控制完成預(yù)取指操作，在跳轉(zhuǎn)指令后自動(dòng)加入一條空操作指令NOP完成對(duì)轉(zhuǎn)移類操作的控制。目前在同等總線時(shí)鐘頻率的情況下，該CPU的操作速度比EM78系列MCU快一倍。

    MCU外部程序存儲(chǔ)器采用256K×8位結(jié)構(gòu)，實(shí)際使用時(shí)由相鄰奇偶地址單元構(gòu)成128K×16位形式，以滿足13位寬度指令集的需求。用于取指操作的寄存器R2(PC)為17位寬，其中高7位用作程序存儲(chǔ)器128個(gè)頁面的尋址；低10位用于頁內(nèi)尋址；寄存器R5存儲(chǔ)當(dāng)前工作頁面地址，由指令解碼器判定并操作向R2的傳遞。這種尋址方式有利于物理結(jié)構(gòu)上同樣采用分頁形式的Flash存儲(chǔ)器的操作。

    MCU片內(nèi)存儲(chǔ)器包括4KB數(shù)據(jù)RAM、128字節(jié)通用寄存器RAM以及其他特殊寄存器。為縮小CPU的直接尋址范圍和滿足固定短字長(zhǎng)指令集的使用，各存儲(chǔ)器采用了分頁、分塊和映像的統(tǒng)一組織方式。特殊寄存器包括MCU各模塊寄存器和I／O寄存器，共分為6頁，每頁最大16字節(jié)，使用寄存器R3進(jìn)行頁面的切換操作；由于寄存器并不完全占用所有地址空間，暫缺的部分留作以后擴(kuò)展。128字節(jié)通用寄存器RAM分為4個(gè)塊，每塊32字節(jié)，使用寄存器R4進(jìn)行塊切換操作，雖然進(jìn)行了分塊但仍然設(shè)計(jì)了直接和間接兩種尋址方式，提高了其操作靈活度。該部分空間主要由程序中變量使用，而分塊的結(jié)構(gòu)在節(jié)省地址空間的同時(shí)也增強(qiáng)了各函數(shù)變量間的保護(hù)機(jī)制，有利于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用。4KB數(shù)據(jù)RAM被映像到分頁的數(shù)據(jù)寄存器之中，通過16位寬的地址接口和8位寬的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行存取操作，極大地縮小了直接尋址空間。目前這種存儲(chǔ)器組織方式雖然會(huì)增加一些數(shù)據(jù)存取的開銷，但在運(yùn)算負(fù)荷并不重的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中使用不會(huì)影響其性能，并且可以在編譯器層次針對(duì)這種結(jié)構(gòu)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。這種形式帶來的優(yōu)點(diǎn)是可以簡(jiǎn)化CPU的硬件結(jié)構(gòu)，顯著減小節(jié)點(diǎn)體積和降低功耗，從總體上來看對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)造是有利的。

    MCU中共有8個(gè)外部中斷源和5個(gè)內(nèi)部中斷源。8個(gè)外部中斷源與端口PORT7復(fù)用引腳，并可以設(shè)定上升沿或下降沿觸發(fā)模式，以滿足不同外設(shè)接口的需要。5個(gè)內(nèi)部中斷源分別來自TCC、COUNTER1、COUNTER2、UART和SPI模塊。TCC模塊可利用外部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)操作，為操作系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間片的劃分提供基本硬件支持；COUNTER1和COUNTER2采用內(nèi)部總線時(shí)鐘計(jì)數(shù)，除基本的計(jì)數(shù)和定時(shí)功能外，還可將其與外部中斷引腳配合實(shí)現(xiàn)輸入捕捉或輸出比較功能；UART和SPI模塊的中斷主要用于通信服務(wù)程序。

    2.2設(shè)計(jì)中的低功耗考慮

    由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn)決定其設(shè)計(jì)必須圍繞低功耗進(jìn)行，因此作為節(jié)點(diǎn)控制核心的MCU的低功耗設(shè)計(jì)也相當(dāng)重要。在設(shè)計(jì)中從系統(tǒng)層次和邏輯層次的三個(gè)方面進(jìn)行低功耗考慮：工作電壓、時(shí)鐘控制和電路規(guī)模。工作電壓主要與芯片制造工藝相關(guān)，目前選用3．3V工作電壓以O(shè)．18μmCMOS工藝設(shè)計(jì)，由于制造工藝環(huán)節(jié)不在我們的可控范圍內(nèi)，故在此不作更多討論。

    在時(shí)鐘控制方面主要使用了門控時(shí)鐘、兩相時(shí)鐘流水和休眠喚醒機(jī)制。門控時(shí)鐘主要采用使能信號(hào)控制各獨(dú)立模塊和電路的時(shí)鐘信號(hào)來源，以靈活地開啟和關(guān)閉各觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)來達(dá)到降低功耗的目的。兩相時(shí)鐘流水主要用于提高CPU的順序取指執(zhí)行速度，采用這種方式可以在同等總線時(shí)鐘和同樣工作負(fù)荷的情況下縮短CPU的工作時(shí)間，從系統(tǒng)層次來看減小了CPU的工作占空比，從而降低功耗。休眠喚醒機(jī)制的基本原理是關(guān)閉系統(tǒng)中暫時(shí)不使用的部分甚至是CPU的核心模塊，以降低系統(tǒng)總體的能源消耗。在該MCU中設(shè)計(jì)了全速工作模式working和兩種低功耗休眠模式sleep1、sleep2，如圖4所示。這兩種休眠模式下都會(huì)關(guān)閉系統(tǒng)主時(shí)鐘，但其喚醒方式和程序運(yùn)行模式有所不同。

    通過執(zhí)行SLEP指令即可將MCU切換至sLeep1模式。在進(jìn)入該模式前需要啟用看門狗電路以使看門狗復(fù)位或外部復(fù)位信號(hào)恢復(fù)工作狀態(tài)；恢復(fù)working模式后系統(tǒng)重啟并重新開始執(zhí)行程序，以前的信息將會(huì)丟失。這種方式適合于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間休眠且喚醒后系統(tǒng)重新工作的情況。要進(jìn)入sleep2模式只需將寄存器RA中的SLPC位置位。該模式與sleep1的主要區(qū)別是可以使用中斷信號(hào)喚醒CPU并且繼續(xù)執(zhí)行休眠前的程序，不會(huì)丟失任何信息。這種方式在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量使用，因?yàn)镸CU工作的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)信息采集和系統(tǒng)組網(wǎng)等操作的時(shí)間間隔，所以在操作系統(tǒng)中即可充分利用這種模式以降低MCU的工作占空比。

    在電路規(guī)模方面采用了RISC架構(gòu)設(shè)計(jì)，該CPU共支持58條精簡(jiǎn)指令，每條指令固定為13位長(zhǎng)度，有效減小了CPU核的規(guī)模和存儲(chǔ)體系規(guī)模。位于MCU中的其他接口功能模塊采用了獨(dú)立IP的組成形式，可以根據(jù)需求很方便地進(jìn)行功能裁減，以達(dá)到對(duì)嵌入式環(huán)境的最佳適應(yīng)。

    3平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

    3．1節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

    在該設(shè)計(jì)中已使用FPGA平臺(tái)對(duì)自行設(shè)計(jì)的MCU進(jìn)行了驗(yàn)證，并采用O．18μmCMOS工藝進(jìn)行了后端設(shè)計(jì)、仿真并投片，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。目前的設(shè)計(jì)中MCU共占用了3mm×3mm的硅片面積，但實(shí)際的邏輯及存儲(chǔ)部分僅占1/3左右，主要原因是保留了較多暫時(shí)未用的引腳及測(cè)試引腳，增加了設(shè)計(jì)周長(zhǎng)。在原型版本的節(jié)點(diǎn)中A/D轉(zhuǎn)換模塊采用了商用芯片MAX152，同時(shí)還設(shè)計(jì)了與之兼容的A／D電路并與MCU一同投片，將在后期版本中進(jìn)行混合信號(hào)設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

    3．2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)

    在該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)上成功移植了TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度的采集處理、射頻模塊的操作以及多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造，并通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)匯集監(jiān)測(cè)區(qū)域信息數(shù)據(jù)，利用IPv6網(wǎng)絡(luò)傳遞至監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。

    4小結(jié)

    本設(shè)計(jì)采用了典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，開發(fā)出屬于通用傳感器平臺(tái)類型的原型版本，使用自行設(shè)計(jì)的低功耗MCU實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成和微型化。

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