[发明专利]用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的低功耗设计领域，具体涉及一种用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法。

背景技术

无线传感器网络是继互联网之后，将对2l世纪人类生活方式产生重大影响的新技术。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中认为，有十种新兴技术在不远的未来将改变世界，其中无线传感器网络被列为首位。

传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用，无线传感器网络也可以用于农业、医疗、智能家居等应用场景中。应用环境复杂多变，使得对无线传感网中的处理器的功耗降低有更高的要求。另外，随着深亚微米工艺的不断发展，电路规模不断扩大，集成度不断提高，如何降低功耗是现今芯片设计面临的巨大挑战，芯片集成技术的发展使得单个芯片集成所有的处理部件，功能日益强大，散热问题也成为了影响设计可靠性和封装成本的主要问题。

低功耗设计是一个复杂的综合性课题，就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等，就设计抽象层次而言，包括自系统级至工艺级的所有抽象层次，同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要折中考虑。

应用在工艺级的低功耗设计方法有：封装I/O优化，减小晶体管尺寸，增加金属层数以及采用特殊工艺等，封装技术对芯片的功耗有很大的影响，芯片级的I/O功耗大约占整个系统功耗的1/4至1/3，因此在工艺级，优先考虑的是减少I/O功耗。电路级的低功耗技术，主要是针对动态功耗而言，具体涉及的方面有电源电压、物理电容、开关频率等方面，其中动态功耗与电源电压的平方成正比关系，通过降低电源电压可以大幅降低动态功耗。在门级电路设计和综合阶段所采用的功耗优化技术有很多种，主要包括：时序调整、公因子提取、工艺映射、门级尺寸优化、逻辑分解等。

RTL级降低功耗主要是通过减少寄存器不必要的跳变来实现的，这种跳变不会对电路逻辑功能的输出产生影响，也就是输出值并不需要改变而电路在跳变，从而导致了功耗的增加。常用的低功耗结构有两种：并行结构和流水线结构，这两种结构不仅常用于高速电路中用来提高电路吞吐量，在保持电路原有的吞吐量不变时，还可以用来作为降低功耗的手段。降低功耗在芯片的整个设计流程中考虑得越早越好，这样可以最有效地降低功耗，避免反复设计造成的成本浪费。系统级是最高层的抽象层次，主要应用的低功耗技术有动态电源电压管理、动态阈值电压、低功耗工作模式管理等。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，其在芯片工作和休眠时都可以大幅降低不必要的能量消耗，为无线传感器网络节点延长电池寿命，在保证无线传感器节点正确工作的情况下降低功耗具有非常重要的意义。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种用于无线传感器网络核心芯片的低功耗设计方法，所述方法将芯片工作模式分为正常工作模式和低功耗工作模式两类，当芯片工作在正常工作模式时，可以根据具体应用的需求，配置芯片的工作频率，降低时钟频率以节省由于时钟不必要翻转所带来的大部分动态功耗；芯片不需要处理任务时则选择工作在低功耗工作模式，在低功耗工作模式下，芯片内部的时钟或某些区域的电源会自动进行关断，进而节省动态功耗和静态功耗。

对于上述技术方案，发明人还有进一步的优化实施方案。

作为优化，所述芯片的不同工作频率通过分频一个时钟源实现，也可以设计芯片时钟输入为多种时钟源。

作为优化，所述芯片内部电源在低功耗工作模式关断，芯片内部根据功能需求划分为多个电压区域。

作为优化，无线传感器网络核心芯片通过状态机来控制工作模式在正常工作模式和低功耗工作模式间切换。

进一步，芯片低功耗工作模式分为空闲工作模式和休眠工作模式，空闲工作模式只关断模块时钟，休眠工作模式关断模块时钟和芯片内部某些区域电源。

更进一步，设计方法将芯片工作模式分为两大类，正常工作模式和低功耗工作模式，工作模式的切换受控于状态机，其切换步骤为：

Ⅰ、当前工作模式为正常工作模式，需要进入的下一个工作模式为低功耗工作模式，在状态机的控制下关断时钟、电源后进入低功耗工作模式，进入步骤Ⅱ；如果当前工作模式为低功耗工作模式，在状态机的控制下进行唤醒，过程是以下步骤的逆操作；

Ⅱ、打开时钟门控，关闭各模块时钟输入，节省由模块内部不必要翻转带来的大量动态功耗；