物联网设备和系统成功的关键是可以将设备部署到需要它们的地方,且在最少干预的情况下,立即将设备连接至核心网络的能力。在交通运输、工业控制、农业、以及各种需要本地传感器读数,以及与云服务通信等关键能力的领域中,物联网有无尽的应用。实现此目标的关键在于一项无线技术,即蜂窝技术。

IOT17101101 图 1:大规模物联网的蜂窝 IoT。

很多系统需要蜂窝物联网所提供的灵活连接,其中一个例子是追踪器。公交车辆已经采用了 GPS 追踪系统,可向中央控制器报告其位置,这可让操作员随时向出行者汇报下一辆车抵达的时间。但是,具备灵活、低成本的连接能力让更多设备拥有了追踪位置的功能。例如,建筑项目工期延误的常见原因在于设备不到位。每次设备被移动时,机械设备上可实现蜂窝连接的传感器节点都会报告其位置,业主无需配置其自己的个人无线网络,或担心设备离开监控范围。

连续连接

无线运营商及 3GPP 标准化组织将持续连接投入使用。他们加快了计划实施的速度,不仅使即将到来的 5G 网络具备了物联网能力,也为通用低功耗无线通信提供了跳板,去年 3GPP 已经批准了新的 Cat-M1 (eMTC) 和 Cat-NB1 (NB-IoT) LTE 分类。

以物联网为中心的蜂窝标准旨在满足使用电池供电的传感器和设备的需求。这类传感器和设备都会不定期的发送少量数据。在设备无需每隔一定时间与基站进行通信的情况下,通信协议能让它保持与基站的长期连接。此类变化将能耗维持在最低水平。但设备集成商只有在能够利用贯穿整个设计的低能耗处理技术时,才能享用这些新通信协议带来的所有成果。

物联网设备的四大要求正变得至关重要。感应和连接已经成为物联网设备核心功能的重要组成部分。利用 GPS 感应位置的能力(通常与基于无线通信的三角测量法配合使用)对于安装在车辆中的设备,甚至是位于固定位置的节点而言都很重要。

例如,在农业应用领域中,田地中可能布置了多个传感器以监控环境条件,为在经常出现旱情的地区高效使用灌溉设备提供支持。通过接收GPS信号来获取传感器的位置,无需对位置信息进行人工编码。当有人无意或有意移动设备时,设备就能够报告其位置。

由于设备的表面积不大,即使是最小的触摸式人机界面也无法提供,因此基于语音的用户界面就提供了在本地询问并控制物联网设备的能力。家庭系统展现了本地语音检测和(联合了基于云计算的语音识别的)预处理算法的功效,减轻了物联网设备计算最密集部分的工作负荷。语音识别功能在工业环境中同样重要,当维修技术人员在附近时,甚至当他们置身于其它机械的后面时,也要让传感器响应其语音命令。

结合了语音界面和内置蜂窝通信的智能手表及类似设计能够运行并支持用户的命令,而无需与智能手机连接。用户无需携带体积更大的电子设备就能使用可穿戴设备的所有功能,这使得智能手表更适用于医疗保健和健身应用领域。

多功能

多种功能的组合带来了对数字信号处理高性能表现的需求,这要求在支持实时功能的同时,还要运行控制密集型代码。实现此种功能组合的传统方法是为每个功能配备单独的处理器。但由于同时运行两个,或以上相互传输数据的处理器核,增加了芯片成本和能耗。线程需要同步常常会导致处理器核在完成其任务时,其他的处理器核在空转,这会增加漏电所导致的电量损失。单核解决方案平衡了控制与信号处理的工作量,从而提供了优化能源管理及提高效率的机会。

在设计 CEVA-X1 处理器核时,设计人员密切关注了物联网设备的需求。他们的解决方案是同时设计处理器系统架构和 C 编译器,以获得卓越的 C 编码生成效果和紧凑性。这种生成效果和紧凑性得益于超长指令字 (VLIW) 单指令多数据 (SIMD) 结构(通过可变长度指令编码实现)。

CEVA-X1 采用了四路 VLIW 结构,但给此结构配备了能高速响应分支密集代码的指令流水线,此类代码常见于实时控制算法以及蜂窝协议。运行EEMBC CoreMark 标准测量程序时(该测量程序面向控制类应用), CEVA-X1 获得了 3.6 CoreMark/MHz 的得分,提供了表现不俗的效率。但作为能并行处理多达四个指令的 VLIW 机器,配合使用能并行两组 16×16位的乘加计算引擎时,CEVA-X1 达到了高级信号处理所需的多样化指令集和流水线输出。为了缩小代码大小,常用指令可使用压缩的 16 位编码。以字节为单位的寻址方式实现了内存中数据空间的高效排序。

IOT17101102 图 2:CEVA-X1 处理器架构。

CEVA-X1 通过利用其高达 10 级的可变长度流水线为灵活处理提供支持。当处理器运行更为复杂的 DSP 指令时,要运用全 10 级可变长度流水线。这对DSP 密集代码段(侧重于分支执行)较多的代码提供了更具响应性的流水线。

为了减少分支代码的工作量,CEVA-X1 采用了动态预测并为很多指令中的预测执行提供支持,为此可在流水线中执行简单的假设条件(if-then)并避免了中断指令流的可能。

上下文切换

设备的上下文切换性能(进行传感器信号处理及语音检测所需)对于整体响应性的重要性不亚于分行支持。CEVA-X1 通过使用快速的寄存器切换及多栈指示器的使用为低延时上下文切换提供了支持。这种利用芯片资源实现上下文切换的能力在很多情况下避免了将寄存器的内容存入主存储器。几乎可以立即存储并提取整个线程上下文,从而使设备可在不同任务之间快速切换并响应系统内不断变化的条件。

IOT17101103 图 3:设备追踪器架构。

尽管 CEVA-X1 具有完全支持软件 Cat-NB1 协议的能力及执行传感器信号处理的功能,但还具备了用于 Turbo 和 Viterbi 处理的详细标准指令扩展(包括加密和关联),因此优化了设备的性能表现并降低了能耗。CEVA-X1能够仅以 150MHz 的时钟频率,同时运行包括协议栈及 PHY 处理的完整的 Cat-NB1 调制解调器,以及 GPS 和传感器融合代码。

通过其对连接性、控制及 DSP 的高效支持,CEVA-X1 为迅速发展的蜂窝物联网设备市场奠定了理想的基础,提供了在任何位置与云服务连接的能力。

本文来自《电子工程专辑》2017年10月刊,版权所有,谢绝转载