摘要： Smart health monitoring devices, known as Wireless Body Sensor Nodes (WBSN), are trans- forming today's healthcare landscape, shifting it from traditional hospital-based methods toward more personalized approaches. Their demand is ever-increasing in the modern world, where an overwhelming majority of deaths are caused due to chronic disorders, especially by cardiovascular diseases. WBSNs provide low-cost, unobtrusive and wearable solutions for continuous health-monitoring. In addition to reducing healthcare costs drastically, they improve the quality of life of monitored patients. These small autonomous devices are capable of acquiring, processing and wirelessly transmitting biological signals to medical personnel, typically relying on a limited on-board power source. Since WBSNs are desired to operate over prolonged periods, producing potentially critical data, their reliability and energy efficiency are of paramount importance. These characteristics call for optimizations in the software running on the WBSNs as well as in the underlying hardware. State-of-the-Art (SoA) WBSNs are able to process on-board the sensed bio-signals, like Elec- trocardiograms (ECG), transmitting only compact sets of clinically-relevant features instead of the entire acquired signal. This scenario moves the energy bottleneck of such devices from the transmission link to the computation-intensive Bio-Signal Processing (BSP) segment. To improve their energy efficiency, in this thesis, I propose strategies ranging from architectural to technology levels. First, I explore the applicability of a relaxed-reliability computation paradigm, resulting from ultra-low voltage operations, in the BSP domain. I begin by modeling memory failures ensuing from voltage over-scaling and fabrication variability-related issues, studying their effects at the application level. Subsequently, I analyze reliability-aware methods for WBSNs, both at the memory and system levels, that drastically decrease their energ

关键词： 龙芯处理器   硅前性能分析   访存子系统模拟器   访存行为  

摘要： 硅前性能分析是处理器开发中的重要环节，在流片前通过模拟器，仿真加速平台等手段进行性能分析可以辅助微结构设计、及时发现硬件设计和代码编写中的性能问题还能对硬件设计与实现能否达到预期性能作出评估。　　本文基于龙芯3A4000FPGA验证平台从IPC、分支预测、访存、向量化等各个角度进行性能分析，结合微结构和程序热点对硬件设计改动较大的部分进行性能验证。本文中还描述了基于3A4000处理器核的访存子系统模拟器的设计与实现，并基于模拟器研究程序行为特征和访存部分微结构设计。本文的主要研究内容和创新点如下:　　比较龙芯3A3000和3A4000FPGA验证平台各个方面的性能表现，结合处理器核微结构和程序热点代码分析性能变化的原因。对比3A3000，3A4000IPC提升明显，分支误预测率显著降低，在改进校验方式和访存重定序逻辑之后回滚次数和流水线刷新次数降低极为明显。　　实现了一种踪迹驱动的核内访存子系统模拟器，通过生成和真实程序访存行为近似的虚拟指令流并在模拟器中执行可以分析访存相关的各种性能表现。　　基于模拟器对应用程序的访存行为进行研究，结合程序行为对由于猜测发射导致的性能损失提出改进方法并进行实验验证。基于模拟器对3A4000中提出的降低流水线刷新次数的改进方案进行对比验证，还对访存相关的队列大小以及内存延迟对整体性能的影响做了一定研究。

关键词： 光触发   光窗   超级电容器   状态设计   低功耗  

摘要： 为了研究火炮膛内压力的分布情况,需要进行膛内压力多点测试。然而,目前测压器采取的内触发方式,难以满足多个测压器同步触发的条件。本文在电容式电子测压器的基础上将其触发方式改进为光触发,来达到同步触发的目的。另外,现有的测压器采用的聚合物锂电池供电,锂电池能量密度低、体积大、退化后反应变慢,使用中存在潜在不安全性,针对这种情况,本文研究了新型供电电源-超级电容器。本文具体研究的内容如下:对光触发技术从原理和电路实现上进行了分析和设计,并对光触发式电子测压器的工作状态进行了分析。根据光触发式电子测压器的工作特点,测压器被触发后直接进入采样环节,跟内触发方式相比,没有了循环采样和负延迟阶段,从而降低了系统的功耗,对测压器系统的功耗进行了计算。对超级电容器Eecs0hd334h的电容电量和充放电特性进行了试验研究,设计了适合测压器系统的超级电容器放电电路。分别对超级电容器的放电电量进行了理论计算和实际测试,超级电容器可以给负载提供稳定的供电电压和电流。对比光触发式测压器系统的功耗,超级电容器的输出电量可以满足测压器系统的功耗。相对比锂离子电池,超级电容器的体积更小,从而缩小了测压器的体积。设计了适合光触发方式超级电容器的测压器壳体结构,并运用ANSYS有限元分析软件,对设计的测压器模型施加600MPa的压力,进行承压仿真试验。依据仿真得到的应力云图,验证壳体结构的合理性,并由此得出合适的光窗厚度和测压器外筒厚度。从而可以算出测压器壳体的体积。

关键词： 煤气罐监控   NB-IoT   低功耗   支持向量机   全球卫星定位系统  

摘要： 近年来在国家大力进行生态文明建设,推进“煤改气”的同时,煤气泄漏、爆炸事件时有发生,对居民人身财产造成重大威胁。通过对煤气泄漏、爆炸原因进行分析,发现造成事故的主要因素为用户不当的使用习惯和煤气罐的质量问题,因此加强煤气罐管理势在必行。可以通过技术手段实现煤气罐实时、数字化地管理,提高对煤气罐管理的水平。根据煤气罐安全监控的需求,设计了一款用于对煤气罐实时监控的终端设备。监控终端可以实时感知煤气罐所处环境信息,并将信息通过NB-IoT(窄带物联网)网络上报给物联网云平台。物联网云平台接收并保存终端信息,可以随时查看煤气罐温度、煤气余量、位置等状态信息,并对火灾、煤气泄漏等危险事件进行报警。设计了运输模式判别算法用于低功耗控制并移植到单片机中。测试结果表明,该终端结构合理、数据采集准确、通信能力强、功耗低,能够满足煤气罐安全监控的需求。本文的工作主要为以下五个方面:(1)对煤气罐使用过程中的问题进行了分析,对现有煤气罐安全管理技术进行了调研,研究了 NB-IoT技术的发展。在此基础上,进行了煤气罐监控终端的需求分析,提出了煤气罐监控系统、终端结构、终端硬件的方案。还讨论了设计中数据可靠采集与传输、低功耗控制和防爆问题,给出了相应的解决办法。(2)对煤气罐监控终端硬件按模块进行了器件选型和电路设计。硬件电路设计包括主控模块、煤气浓度传感器、温度传感器、电池电压采集电路、压力传感器、定位模块、NB-IoT无线通信模块、电源模块及PCB的设计。(3)对煤气罐监控终端软件进行了详细设计。设计智能控制软件,按照低功耗算法,控制系统工作流程。设计数据采集程序分别采集煤气浓度、温度、电池电压、压力、位置信息。设计数据上报程序,使系统可以进行远程无线通信。设计云平台接收程序,保存并处理接收到的终端数据。(4)针对低功耗控制问题,设计了运输模式识别算法。通过GPS原始数据提取速度、距离、转向角三个特征向量,选择SVM(支持向量机)算法构建模型进行运输模式判别,经过测试,判断准确率达95.3%,并介绍了算法在单片机中的实现。(5)设计实验完成了对煤气罐监控终端的结构、功能和性能、功耗进行了测试。实验结果表明,设计的煤气罐监控终端满足系统设计要求,能够实现数据采集和上报的功能,功耗也控制在合理范围之内。

关键词： 网络爬虫   SQL注入   多线程   Word导出  

摘要： 随着互联网的发展,Web应用程序的应用普及越来越广泛,其自身存在的漏洞正面临着巨大的威胁,每年都有成千上万的针对Web漏洞的攻击事件发生。而SQL注入漏洞作为其中最常见的漏洞之一,如何发现和避免SQL注入漏洞,不仅仅是安全测试人员的重点测试对象,现如今也逐渐地被纳入开发人员的考虑范畴。本课题以中国证券登记结算有限责任公司对所属网站以及在线业务系统的安全防护为背景,着重对Web应用程序的SQL注入漏洞的检测进行研究,主要研究内容包括网络爬虫、漏洞检测、导出报告等。最终依托MFC平台开发出一款检测SQL注入漏洞的系统。本系统应用了一种简易、高效、非破坏性的SQL注入漏洞检测方法,再结合多线程技术、广度优先搜索策略,从而完成对SQL注入漏洞的检测,最终实现系统可对较大规模Web应用程序进行检测,并且系统运行效率十分突出。该系统可在分析HTML网页内容时将网页文件临时存储到本地,再将分析结果存到队列中进行多线程处理。而在漏洞显示功能中,提供了包括数据库视图、列表视图、详细漏洞信息视图等多种观察数据的视角,并且随时能够以Word格式导出漏洞信息的报告。总之,本系统在SQL注入漏洞检测方面相较于其他主流的黑盒安全扫描工具,具有针对性强、检测速率快、误报率低等特点。

关键词： 小数频率合成器   低抖动   紧凑型   低功耗   注入锁定   开环频率合成  

摘要： 频率合成器能够产生稳定的周期性信号,用来给数字系统提供时钟信号或者给射频收发系统提供本振信号,是集成电路中最重要的电路模块之一。频率合成器的建立时间、参考杂散、功耗以及面积等是其核心指标。随着工艺节点的演进,基于LC振荡器的传统电荷泵锁相环所消耗的面积成本在整个系统中的占比将会越来越大,而面积较小的环形振荡器在相同功耗下的相位噪声性能远差于LC振荡器。因此,低抖动、紧凑型的频率合成器成为了近年来集成电路设计领域的研究热点。本文的主要工作和创新点:1)从传统电荷泵锁相环的系统模型以及基本电路模块出发分析了II类锁相环的系统参数设计方法及相位域模型,详细分析了适用于低抖动频率合成器的亚采样技术、亚谐波注入锁定技术以及开环频率技术,从而提出了亚谐波注入锁定锁相环与开环频率合成器级联的小数频率合成器架构,其中第一级利用亚谐波注入锁定锁相环的宽带特性实现对于环形振荡器相位噪声的充分抑制,第二级采用开环频率合成系统实现高分辨率、频率快速切换的小数频率合成,通过行为级仿真验证了系统设计的合理性;2)基于相位对齐理论建立了亚谐波注入锁定锁相环线性模型,改进设计了一种基于亚采样鉴相器的亚谐波注入锁定锁相环实时频率跟踪环路;3)提出了一种基于注入锁定环形振荡器的低功耗、高分辨率的数字相位调制器,在此基础上搭建了基于相位切换的开环频率合成系统,仿真结果表明动态范围为2π,相位分辨率可以达到10比特,在整个动态范围内差分非线性小于0.8LSB,当输入频率为450MHz时功耗为0.8mW;4)提出了一种近阈值供电电压下抗电源电压噪声以及工艺角变化的前馈型环形振荡器,通过检测由工艺角变化引起的MOS管阈值电压的变化结合电源电压的变化得到一个补偿电压,进而改变振荡器的电容负载实现对上述因素引起的频率漂移的补偿,仿真结果表明对于由工艺角引起的振荡器中心频率变化由38.3%降低到了1.5%,电源敏感度由2.5降低到了0.12;5)提出了一种低功耗宽调谐范围的两级环形压控振荡器结构,通过在输入端与输出反相端插入电阻提高振荡器频率,结合电流及交叉耦合反馈强度的调谐方式实现了电源到地的线性电压调谐范围,测试结果表明整个振荡器的调谐范围可以达到0.86GHz1.38GHz,功耗小于1.1mW,该方案在TSMC 40nm工艺下进行了流片验证。基于TSMC 28nm CMOS工艺设计了低抖动紧凑型小数频率合成器的电路与版图,并进行了流片验证。测试结果表明:内核面积为200μm×400μm,输出频率范围为300MHz540MHz,频率分辨率小于1KHz;0.9V电源电压下亚谐波注入锁定锁相环输出为440MHz时功耗为0.6mW,100KHz频偏处相位噪声约为-100dBc/Hz,均方根抖动误差为3.8ps,品质因子（FoM,Figure of Merit）为-230.6dB;整个频率合成器的功耗输出为440.4MHz时为2.7mW,100KHz频偏处相位噪声约为-85dBc/Hz,均方根抖动误差为17.6ps,FoM为-210.9dB。

关键词： 唤醒时钟   低功耗   压控振荡器   频率稳定性  

摘要： 无线传感网是物联网技术的典型代表。为节省功耗,传感网节点通常采用低占空比的工作模式。在睡眠模式下,唤醒时钟的功耗是总功耗的主要部分;同时,为了减小唤醒时间,时钟的准确性也至关重要。虽然32kHz晶振电路时钟精度很高,但其功耗较高,且不利于芯片的集成。本文设计了一种基于压控振荡器的高精度低功耗唤醒时钟电路。本文从压控振荡器的设计和偏置电压产生电路两方面来实现高精度低功耗唤醒时钟。针对低频、低电压的工作场景,本文采用压控振荡器电路设计,提出基于晶体管漏电的差分输入延时结构,提高了振荡电路的抗干扰性能。针对偏置电压产生电路,本文提出开关电阻、电容串联结构,通过开关电阻、电容的串联分压得到稳定的偏置电压。其中开关电阻替代传统的电流基准电路,开关电容为运算放大器提供尾电流,降低了整体电路功耗。采用温度系数相反的两种电阻补偿整体电路的温漂,使电路输出频率更加稳定。设计可配置校准电容,通过配置电容不仅可以校准不同工艺偏差下的输出频率,还可以微调因温度变化引起的频率变化,以提高电路输出频率的稳定性。本文设计的高精度低功耗唤醒时钟电路采用GF130nm工艺,面积为0.496mm2。后仿真结果表明:温度在-30～90℃内时,振荡器的频率温漂为45ppm/℃;供电电压在0.7～1.3V内时,频率变化为1.1%/V。在TT-1V的条件下,振荡器输出1kHz的频率,功耗为3.71nW。该结果与已有的研究相比时钟精度提升8倍35倍,相比目前精度最高的设计,功耗降低36%。

关键词： 海洋浮标   浮标通信   低功耗   WIFI  

摘要： 我国海洋面积大,对海洋环境进行监测,有利于保障我国临海安全,海洋浮标是目前常用的海洋监测方式。本文面向数据采集量较大的浮标,基于WIFI传输方式,对浮标无人机通信系统进行设计实现。结合浮标和无人机通信的应用需求,分析浮标的通信距离及数据量的传输问题,设计了浮标无人机通信策略及实现方式;分析浮标能量来源有限的问题,对系统展开了低功耗研究设计。通过选择一款低功耗WIFI芯片,设计制作通信系统,通信系统包含无线唤醒模块,系统控制模块,功率放大模块。无线唤醒模块实现低功耗侦听,在无人机到来时唤醒系统控制模块,无线唤醒模块具有极低的侦听功耗,可以满足系统的低功耗需求;系统控制模块实现数据的发送接收,并负责控制功率放大模块实现与无人机的数据交互;功率放大模块实现对输入输出信号的放大,增加了发射信号功率,提高接收灵敏度。设计了系统低功耗的策略,包括对唤醒模块,控制模块的软件设计,对唤醒模块设计工作模式及休眠间隔,实现了低功耗侦听;对控制模块的设计,灵活运用了主控芯片的各种工作模式,并对多种场景进行设计,根据低功耗延时策略,满足了系统的低功耗需求。并为UDP协议设计报头,实现了数据传输的可靠性。软件层面的设计比较完善的满足了系统的低功耗及可靠性的需求。最后,论文给出了系统各状态下工作的功耗测试结果,各模块功能的测试结果。测试结果表明,系统功耗满足课题的设计需求,系统中各模块协调工作正常,系统在各场景下的能满足课题低功耗需求。

关键词： 流控制传输协议   协议还原   高性能   多线程   DPDK  

摘要： SCTP是为了弥补TCP缺陷而定义的一个传输层网络协议。随着不断推广和普及,SCTP已经成为一些对性能和可靠性较为敏感的领域的核心协议之一,越来越多的厂商的设备也开始支持SCTP。因此,SCTP将有可能取代TCP,成为下一代IP网上主流的传输层协议,而对其进行高性能的协议还原的重要性也开始显现出来。协议还原技术是网络安全领域中一项重要的技术,同时也被广泛应用在审计和舆论监控等相关领域中。然而,当前的协议还原工具已经逐渐无法满足高速网络下协议还原的需求,更无法满足对SCTP进行协议还原的需求。为了避免数据包捕获性能对协议还原产生影响,本文设计一个基于DPDK实现的SCTP协议还原系统。DPDK是一套用于快速处理数据包的开发套件,其中包含了多个驱动程序和一整套用于快速捕获、处理数据包的库。该系统通过DPDK对数据进行捕获,然后将数据送入负载均衡模块,由负载均衡模块为其分配重组线程,并保证同一偶联的所有数据都由同一重组线程处理。重组线程接收数据后再进行偶联重聚,并通过多级链表最终定位到数据的分片应该所属的位置后进行重组。待重组完成并满足提交条件后,调用用户定义的应用层处理函数,完成整个协议还原过程。整个过程需要在保证正确性的基础上,尽可能地提高整体性能,使其满足高速网络下SCTP协议还原的需求。最后,通过几个针对SCTP特性的功能性测试,验证了整个系统的协议还原的正确性。针对其进行性能测试的结果显示,其平均数据包处理速度可以达到1.996Mpps,平均流量处理速度可以达到10.27Gbps,可以满足高速网络下协议还原的性能需求。

关键词： 自供电物联网节点   超低功耗   电源管理系统   直流直流变换器   降压转换器   高压驱动   PFM控制   功率管  

摘要： 近年来无线物联网设备特别是无线传感器网络节点、无线医疗电子设备和可穿戴设备的快速发展推动了电源管理系统向超低功耗、高效率和高集成度方向发展。电池和(或)新能源供电的自供电物联网设备需要超低功耗设计使设备供电系统具有超过10年以上的寿命,这就需要超低功耗电源管理技术。无线物联网设备的电源管理系统要求高效率和高集成度,电源管理单元(PMU)将传统的多路多类型电源管理器件整合到一个芯片中,有助于降低系统功耗,减少片外元器件、板级空间和成本。以优化自供电物联网节点的电源管理系统为出发点,本文就超低功耗电源管理的关键技术、系统设计和电路设计展开研究。自供电物联网节点系统的平均静态功耗通常在几微瓦,因此电源管理系统的自身静态电流应小于微安级。论文在研究CMOS亚阈值设计技术的基础上,阐述了纳安级通用模拟电路的原理和实现方法,包括本征NMOS构成的超低功耗电流源、亚阈值区CMOS构成的超低功耗电流基准、超低功耗带隙基准、亚阈值区CMOS电压基准和采用采样保持技术的电压基准。针对纳安级电路易受噪声影响的特点,研究了纳安级电路的新型隔离保护环、版图设计和封装设计等技术。论文提出“悬浮隔离”的保护环设计大幅降低开关电源的功率级开关过程中产生的少子注入对超低功耗电路的干扰,使得超低功耗电路模块与开关电源功率级电路单片集成。为了使电源系统在微安等级负载和毫安等级负载同时拥有较高转换效率,本文提出一种自适应偏置电流脉冲频率调制模式(PFM,Pulse frequency modulation)的超低功耗降压转换器结构。系统根据当前工作状态动态开启和关闭除“常开”超低功耗模块以外的电路,只在突发工作状态下动态开启工作电流较大的模块。创新结构的PFM 比较器通过检测PFM频率判断输出负载状态,动态自适应调整PFM比较器的偏置电流。采样保持结构的电压基准使用20 nA偏置电流得到误差小于1.5%的电压基准。论文采用0.35 μm标准CMOS混合信号工艺,设计并实现了一款静态电流为95 nA的降压转换器,最终通过流片和测试,验证了新型架构和纳安级电路的性能。在输入3.6 V,输出2.5 V时,2μA的负载下的转换效率为79.8%,与近年同类研究文献相比,具有更好的性能。超长待机和3G/4G高速数据传输自供电物联网节点需要更高的电源电压和集成度,宽电压输入系统给超低功耗电源系统设计带来了挑战。论文研究多节电池串联的自供电物联网系统,针对性提出一款超低功耗PMU系统芯片。PMU集成多路电压转换器,通过复用超低功耗辅助电路,大幅度降低了电源系统的整体功耗。芯片集成了一路自适应偏置电流PFM控制模式的超低功耗降压转换器提高系统在微安级别负载时的转换效率,同时集成一路脉宽调制模式(PWM)的大负载降压转换器提高系统带载能力。论文提出无需片外电容和芯片引脚的全集成高压电平转换器和驱动电路结构,增加PMU的集成度的同时,避免功率级电路在开关过程中造成电源线上的“反射”电压,减少了功率级电路对超低功耗电路的干扰。采用基于标准CMOS工艺的混合信号BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)高压半导体工艺,对宽电压输入全集成超低功耗PMU进行了设计、流片和测试。测试结果表明,该芯片各项指标满足设计要求,PMU的静态电流低至550nA,负载2 μA时,转换效率超过50%。超低功耗降压转换器输出电流达到50mA,转换效率为87%。大负载降压转换器输出最大电流达到了 500 mA,转换效率为90%。该芯片将高电压输入电源管理系统的工作电流从微安等级降低到纳安等级,大幅度提高了设备的使用寿命。