用于无线传感器网络节点芯片的存储访问设计

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）广泛应用于国防军事、医疗卫生、环境监测和预报、城市管理、高效农业、工业控制、抢险救灾等许多领域,具有重要的科研价值和实用价值。节点芯片是无线传感器网络的核心部件,其内部指令和数据的存储访问效率直接影响整个芯片的功能、性能以及功耗,从而影响无线传感器网络的应用范围和技术指标。本文在分析了无线传感器网络的总体结构前提下,进行了节点芯片存储访问以及相关部件的设计。文中讨论了节点芯片存储系统的结构、存储空间的分布、地址映射、寻址、访问控制、仲裁控制等;并在此基础上,改进设计了直接内存访问（Direct Memory Access,DMA）控制器和指令Cache。根据无线传感器网络传输特点,在基本DMA控制器中增加了自动检测媒体接入控制（Media Access Control,MAC）层数据帧长功能,实现了变长传输;指令Cache采用2路组相联的存储结构、近期最少使用的替换策略设计,并增加可编程控制的配置功能,可根据不同应用进行灵活开启、关闭,提高性能、降低功耗。本文采用自顶向下（Top-Down）的设计方法,用Verilog HDL实现了整个节点芯片存储访问以及相关部件的前端设计,使用EDA工具进行了逻辑仿真和综合,并进行了部分性能、功耗分析。仿真和分析结果表明,设计满足节点芯片的要求,在性能上有一定的提升,在功耗上有所降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 本文研究内容及组织结构
• 2 节点芯片总体结构
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.2 节点芯片总体结构
• 2.3 本章小结
• 3 存储访问控制仲裁器设计
• 3.1 存储空间及映射
• 3.2 存储访问控制仲裁器
• 3.3 本章小结
• 4 直接内存访问控制器设计
• 4.1 基本原理
• 4.2 DMA 总体结构
• 4.3 各功能部件设计
• 4.4 DMA 控制器操作
• 4.5 DMA 控制器安全性简析
• 4.6 本章小结
• 5 指令CACHE 设计
• 5.1 基本原理
• 5.2 总体结构
• 5.3 指令CACHE 详细实现
• 5.4 代码保护中的指令CACHE
• 5.5 本章小结
• 6 验证、仿真及综合分析
• 6.1 验证及仿真平台
• 6.2 功耗分析基础
• 6.3 存储访问控制仲裁器功能验证仿真分析
• 6.4 DMA 控制器功能验证仿真分析
• 6.5 指令CACHE 功能验证仿真分析
• 6.6 综合分析
• 6.7 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间参加的项目
• 附录2 综合报告