無處不在的物聯網設備的基礎

物聯網設備和系統成功的關鍵是可以將設備部署到需要它們的地方，且在最少干預的情況下，立即將設備連接至核心網路的能力。在交通運輸、工業控制、農業、以及各種需要本地感測器讀數，以及與雲服務通信等關鍵能力的領域中，物聯網有無盡的應用。實現此目標的關鍵在於一項無線技術，即蜂窩技術。

圖 1：大規模物聯網的蜂窩 IoT。

很多系統需要蜂窩物聯網所提供的靈活連接，其中一個例子是追蹤器。公交車輛已經採用了 GPS 追蹤系統，可向中央控制器報告其位置，這可讓操作員隨時向出行者彙報下一輛車抵達的時間。但是，具備靈活、低成本的連接能力讓更多設備擁有了追蹤位置的功能。例如，建築項目工期延誤的常見原因在於設備不到位。每次設備被移動時，機械設備上可實現蜂窩連接的感測器節點都會報告其位置，業主無需配置其自己的個人無線網路，或擔心設備離開監控範圍。

無線運營商及 3GPP 標準化組織將持續連接投入使用。他們加快了計劃實施的速度，不僅使即將到來的 5G 網路具備了物聯網能力，也為通用低功耗無線通信提供了跳板，去年 3GPP 已經批准了新的 Cat-M1 (eMTC) 和 Cat-NB1 (NB-IoT) LTE 分類。

以物聯網為中心的蜂窩標準旨在滿足使用電池供電的感測器和設備的需求。這類感測器和設備都會不定期的發送少量數據。在設備無需每隔一定時間與基站進行通信的情況下，通信協議能讓它保持與基站的長期連接。此類變化將能耗維持在最低水平。但設備集成商只有在能夠利用貫穿整個設計的低能耗處理技術時，才能享用這些新通信協議帶來的所有成果。

物聯網設備的四大要求正變得至關重要。感應和連接已經成為物聯網設備核心功能的重要組成部分。利用 GPS 感應位置的能力（通常與基於無線通信的三角測量法配合使用）對於安裝在車輛中的設備，甚至是位於固定位置的節點而言都很重要。

例如，在農業應用領域中，田地中可能布置了多個感測器以監控環境條件，為在經常出現旱情的地區高效使用灌溉設備提供支持。通過接收GPS信號來獲取感測器的位置，無需對位置信息進行人工編碼。當有人無意或有意移動設備時，設備就能夠報告其位置。

由於設備的表面積不大，即使是最小的觸摸式人機界面也無法提供，因此基於語音的用戶界面就提供了在本地詢問並控制物聯網設備的能力。家庭系統展現了本地語音檢測和（聯合了基於雲計算的語音識別的）預處理演算法的功效，減輕了物聯網設備計算最密集部分的工作負荷。語音識別功能在工業環境中同樣重要，當維修技術人員在附近時，甚至當他們置身於其它機械的後面時，也要讓感測器響應其語音命令。

結合了語音界面和內置蜂窩通信的智能手錶及類似設計能夠運行並支持用戶的命令，而無需與智能手機連接。用戶無需攜帶體積更大的電子設備就能使用可穿戴設備的所有功能，這使得智能手錶更適用於醫療保健和健身應用領域。

多種功能的組合帶來了對數字信號處理高性能表現的需求，這要求在支持實時功能的同時，還要運行控制密集型代碼。實現此種功能組合的傳統方法是為每個功能配備單獨的處理器。但由於同時運行兩個，或以上相互傳輸數據的處理器核，增加了晶元成本和能耗。線程需要同步常常會導致處理器核在完成其任務時，其他的處理器核在空轉，這會增加漏電所導致的電量損失。單核解決方案平衡了控制與信號處理的工作量，從而提供了優化能源管理及提高效率的機會。

在設計 CEVA-X1 處理器核時，設計人員密切關注了物聯網設備的需求。他們的解決方案是同時設計處理器系統架構和 C 編譯器，以獲得卓越的 C 編碼生成效果和緊湊性。這種生成效果和緊湊性得益於超長指令字 (VLIW) 單指令多數據 (SIMD) 結構（通過可變長度指令編碼實現）。

CEVA-X1 採用了四路 VLIW 結構，但給此結構配備了能高速響應分支密集代碼的指令流水線，此類代碼常見於實時控制演算法以及蜂窩協議。運行EEMBC CoreMark 標準測量程序時（該測量程序面向控制類應用）， CEVA-X1 獲得了 3.6 CoreMark/MHz 的得分，提供了表現不俗的效率。但作為能並行處理多達四個指令的 VLIW 機器，配合使用能並行兩組 16×16位的乘加計算引擎時，CEVA-X1 達到了高級信號處理所需的多樣化指令集和流水線輸出。為了縮小代碼大小，常用指令可使用壓縮的 16 位編碼。以位元組為單位的定址方式實現了內存中數據空間的高效排序。

圖 2：CEVA-X1 處理器架構。

CEVA-X1 通過利用其高達 10 級的可變長度流水線為靈活處理提供支持。當處理器運行更為複雜的 DSP 指令時，要運用全 10 級可變長度流水線。這對DSP 密集代碼段（側重於分支執行）較多的代碼提供了更具響應性的流水線。

為了減少分支代碼的工作量，CEVA-X1 採用了動態預測並為很多指令中的預測執行提供支持，為此可在流水線中執行簡單的假設條件（if-then）並避免了中斷指令流的可能。

上下文切換

設備的上下文切換性能（進行感測器信號處理及語音檢測所需）對於整體響應性的重要性不亞於分行支持。CEVA-X1 通過使用快速的寄存器切換及多棧指示器的使用為低延時上下文切換提供了支持。這種利用晶元資源實現上下文切換的能力在很多情況下避免了將寄存器的內容存入主存儲器。幾乎可以立即存儲並提取整個線程上下文，從而使設備可在不同任務之間快速切換並響應系統內不斷變化的條件。

圖 3：設備追蹤器架構。

儘管 CEVA-X1 具有完全支持軟體 Cat-NB1 協議的能力及執行感測器信號處理的功能，但還具備了用於 Turbo 和 Viterbi 處理的詳細標準指令擴展（包括加密和關聯），因此優化了設備的性能表現並降低了能耗。CEVA-X1能夠僅以 150MHz 的時鐘頻率，同時運行包括協議棧及 PHY 處理的完整的 Cat-NB1 數據機，以及 GPS 和感測器融合代碼。

通過其對連接性、控制及 DSP 的高效支持，CEVA-X1 為迅速發展的蜂窩物聯網設備市場奠定了理想的基礎，提供了在任何位置與雲服務連接的能力。

本文來自《電子工程專輯》2017年10月刊，版權所有，謝絕轉載

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！