关键词： DMAC   低功耗   功耗分析   功耗优化  

摘要： DMAC(Direct Memory Access Controller)是数字电路系统中的一个重要模块。它的主要功能是在不需要处理器参与的情况下实现储存器和外设之间的数据搬移。这使得其它设备减少了对处理器和总线的过度占用,提升了系统效率。随着超大规模集成电路的发展,基于IP(Intellectual Property)的设计方法极大的提高了集成电路的设计效率,缩短了项目周期,已经成为芯片设计开发的主流方法。DMAC作为输入输出系统中的重要组成部分,通常会以IP的形式被集成到各种SoC(System-on-Chip,SoC)系统中。当前对于DMAC IP的研究主要集中在高性能、易复用这两个方面。但是随着移动设备的飞速发展,功耗问题日益突显,低功耗也已经成为一款成熟的DMAC IP的重要考量标准之一。本文研究的核心内容是基于一款通用的DMAC IP,结合动态频率调节(Dynamic Frequency Scaling)技术和门控时钟(Clock Gating)技术制定了一种环境敏感型的时钟自动调控(Context Sensitive Automatically Clock Regulate,CSACR)的功耗优化方案来对其进行耗优分析及优化,以达到降低功耗的目的。首先对CMOS集成电路的功耗分析及优化进行研究,主要分析研究了CMOS集成电路的功耗来源以及不同抽象层次上功耗的优化方法;然后对DMA控制器的原理及电路结构进行分析,主要介绍了DMA传输的原理以及发展,对所要优化的DMAC IP的硬件电路结构进行了深入的研究介绍;接着,针对所要优化的DMAC IP,提出了功耗优化方案,并且根据功耗优化方案完成了低功耗设计;最后,对DMAC IP进行功耗仿真和实际芯片功耗测试,并且对结果进行分析,验证优化效果,最终确认该DMAC IP在空闲状态下可节省功耗达88%以上。CSACR功耗优化方案作为本文的创新点,其主要原理是通过监测电路内部的关键信号来判断电路所处的工作状态,再根据电路所处的工作状态来对电路时钟进行调节以达到节省功耗的目的。其优点主要在于可以根据电路的工作状态动态的进行时钟调节,功耗优化效果明显且对电路性能影响较小。本论文的研究成果已经在英特尔某款基带芯片上得到了成功的应用,使得该芯片上DMAC模块的功耗有明显的降低。

关键词： 自组织网络   低功耗MAC协议   TDMA   休眠   能耗  

摘要： 自组织网络是一种无需固定基础设施、无中心节点、能够灵活部署的网络,其应用场景十分广泛。在使用电池供电节点组成的自组织网络中,能量消耗决定了网络的生存时间,成为衡量网络性能的关键指标之一。由于网络的分布式特点和无线信道的广播特性,媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)协议的性能成为影响网络生存时间的关键因素,本文研究延长网络时间的低功耗MAC协议。在低功耗MAC协议中,相比较于竞争型MAC协议,时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)协议有其优势。TDMA协议能够更加精准地控制节点在未来时隙的状态,减少了无效的侦听时间;并且,能够无冲突地进行传输,从而提高数据的传输成功率,有效提高了网络的吞吐量。在TDMA协议中,研究的难点是如何通过较少的开销,实现时隙的分配和调度,并且还要考虑到移动性场景中拓扑的动态变化带来的影响。针对MAC协议的功耗问题,本文提出了一种基于TDMA的低功耗MAC协议TLMP(TDMA-based Low power consumption MAC Protocol)。TLMP主要从三个方面来降低功耗:首先,TLMP通过动态改变新入网节点的可用接入时隙数,降低了网络中节点在无新节点或只有一个新节点入网时的侦听时隙数;其次,TLMP在固定分配时隙的基础上,用较少的开销和在不增加控制信息数目的情况下,将节点自身剩余的时隙转让给需要的相邻节点,完成了分布式场景下的时隙再分配过程;最后,当节点传输数据量少于设定阈值时,TLMP还能通过调整周期让节点进行更长时间的休眠来节能。此外,又为了降低自身的多跳传输时延,TLMP建立了快速的转发通道来加速转发数据的发送。本文基于OPNET平台,在静止与移动两种环境下对TLMP与其他协议进行了多场景的对比与分析。能耗、吞吐量和时延是重点关注的三个指标。仿真结果表明,TLMP的节能效果显著,在多种场景下都比占空比为20%的传感器网络接入控制协议(Sensor Medium Access Protocol,S-MAC)能耗更低,更是远远低于载波侦听多路访问/冲突避免(Carrier Sense multiple Access/Collision Avoidance,CSMA/CA)协议。其吞吐量接近于CSMA/CA协议,比S-MAC更大。另外,分配型协议TLMP降低了自身的多跳传输时延,但是由于调度间隔的存在,其时延仍相对较大,更适合对时延不敏感的应用。

关键词： 超宽带   脉冲雷达   低功耗   穿透探测  

摘要： 超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)技术在短距离高速无线通信、探地雷达、穿墙成像和医疗成像等领域具有广泛应用。其中超宽带脉冲雷达系统在无线感知、非接触式医疗监测和物体的速度与位置探测等领域具有独特的优势,并且相比于传统的连续波雷达具有更强的多径分辨能力,更高的定位精度和更低的功耗。目前,结合CMOS工艺低成本和低功耗特性,单片脉冲雷达系统的研究主要集中于短距离室内定位和姿态识别等应用。然而,为实现穿透探测应用,需要保证一定的输出功率,势必造成系统功耗的增加,CMOS工艺低功耗的优势也将不复存在。其中,窄脉冲波形产生电路和超宽带功率放大器作为超宽带脉冲雷达发射前端系统的关键模块,对其功耗和性能进行研究具有重要意义。论文首先对超宽带脉冲雷达系统的国内外研究现状和发展趋势进行介绍。然后阐述了超宽带脉冲雷达系统整体架构和工作原理,以及目前单片超宽带脉冲雷达系统广泛采用的等效时间采样的量化方法。对比分析了常用超宽带脉冲波形的时域波形、频谱图和电路实现方式,创新性地提出了全数字化超宽带脉冲产生逻辑,能够显著降低电路的复杂度、功耗和面积。同时,针对功率放大器功耗较大的缺点,结合超宽带脉冲雷达工作原理,对功率放大器引入新型的开关控制逻辑,在不影响功率放大器性能条件下,使其只在脉冲发射时间内导通,显著降低整体系统平均功耗。本文首先采用TSMC 65nm 1P9M 1.2V标准CMOS工艺实现了3-10GHz超宽带脉冲雷达发射前端。前仿真结果表明:中心频率能够实现3-10GHz调节范围,脉冲宽度0.4-1.2ns可调节,在4GHz载频处实现1.6GHz的信号带宽和7.78dBm的瞬态发射功率,在10MHz重频周期下,其功耗为55.24mW。由于寄生效应、引线电感和PCB的影响,测试结果表明:中心频率能够实现3-6GHz调节范围,脉冲宽度0.67-1.2ns可调节,在4GHz载频处实现1.7GHz的信号带宽和3.05dBm的瞬态发射功率。针对穿透探测尤其是穿墙探测应用,基于TSMC 65nm 1P9M 1.2V标准CMOS工艺实现了4-6GHz超宽带脉冲雷达发射前端。引入脉冲数目选择逻辑和针对功率放大器功耗优化的开关逻辑。前仿真结果表明:中心频率能够实现3-8.5GHz调节范围,脉冲宽度0.117-1.2ns可调,信号带宽为1.13-4.31GHz,在5.8GHz处实现最大18.46dBm的瞬态发射功率,在10MHz重频周期下,其功耗最低为51.7mW。测试结果表明:中心频率能够实现3-5.7GHz调节范围,脉冲宽度0.28-1.2ns可调,信号带宽为1.05-4.55GHz,在5.698GHz处实现最大17.46dBm的瞬态发射功率。

关键词： CNN   Benchmark Suite   Embedded devices   Cuda   OpenCL   Deep Neural Network   Artificial Intelligence and Robotics   Other Computer Sciences  

摘要： Convolutional Neural Network (CNN) has been used widely for the tasks of object recognition and facial recognition because of their remarkable results on these common visual tasks. In order to evaluate the performance of CNN for embedded devices effectively, it is essential to provide a comprehensive benchmark evaluation environment. Even though there are many benchmark suites available for use, but these benchmark suites require installation of various packages and proprietary libraries. This creates a bottleneck in using them in applications which are executed on resource constraint devices like embedded devices. In this paper, we propose an evaluation platform which can be used for evaluation on any platform that supports Cuda and OpenCL. This evaluation platform was executed on Nvidia TX2 Jetson board embedded device and commodity hardware without needing any extra proprietary libraries to execute the model. We also achieved 4.5-fold gain in execution speed of the Cuda and OpenCL model. The model also exactly predicts images as the Python based with 100% accuracy. We also provide in-depth statistics about the CNN network execution pattern by executing the model on embedded devices and commodity hardware.

关键词： Computer engineering  

摘要： Chip Multi-Processor (CMP) platforms, well-established in the server, desktop and embedded domain, succeeded in overcoming the power consumption and heat dissipation bottlenecks by integrating multiple cores, less complex and powerful than their single-core ancestors, in a single die. A major issue induced by the design of the CMPs is contention for the shared resources of the platform, Last Level Cache (LLC) and main memory bandwidth. Applications, running concurrently on the cores, compete with each other for the shared resources, and are subject to performance degradation. The way applications are assigned to the CMP, is crucial for the overall performance of the system. A scheduling policy that accounts for contention will bring high performance speed-ups, whereas an agnostic one will generate unpredictable contention conditions. For this reason the significance of the scheduler has been elevated, as it is the component that determines which applications utilize the resources each time period. In this thesis, we address cross-core interference on CMP platforms, by designing scheduling policies that improve performance and fairness. We deal with contention in three ways. In our first approach, we incorporate the notion of progress in order to balance unfairness among the applications of the workload. Performance degradation is not evenly distributed and progress greatly varies among them. In order to provide a fair execution environment, we monitor, at run-time, applications assigned to the CPU and prioritize them based on the extent at which they are affected by contention. In our second approach, we target performance by mitigating contention on shared resources. It is necessary to decide, out of all the possible application schedules, the one that generates the least amount of resource interference. To achieve that, the first indispensable step is to extract an interference profile for the applications executed on the CMP. We accomplish that by applying pressu

关键词： 电磁流量计   瞬态测量   电压电流比值   电压电流微分   微分干扰补偿   低功耗  

摘要： 电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的流量测量仪表,由于其测量管道内无阻挡体、可靠性高等优点,被广泛用于测量导电液体。目前电磁流量计大多采用稳态测量方式,在励磁电流稳定段的靠后部分测量流量。这虽然保证了测量精度,但导致电磁流量计功耗大,发热严重;同时,不便实现低功耗和便携式。为了降低励磁功耗,研究瞬态测量方式。瞬态测量方式利用励磁电流的瞬态段测量流量,励磁电流没有稳定段,大大减少励磁时间,从而降低励磁功耗。但是,瞬态测量时的励磁电流和信号电压都处于随时间变化的瞬态过程,信号电压不仅与管道内流量相关,还受时间的影响,这导致难以确定信号电压与管道内流量之间的关系。为此,通过研究瞬态时的信号模型,分析瞬态过程的励磁电流和信号电压,提出电压电流比值、电压电流微分和微分干扰补偿这三种测量方法;其中,电压电流比值方法通过电压除以电流并进行同相位取点,消除时间的影响,确定电压电流比值与流量的线性关系;电压电流微分方法通过微分后的电压的除以微分后的电流,消除时间的影响,确定电压电流微分比值与流量的线性关系;微分干扰补偿方法通过实时计算微分干扰对电压进行补偿,将补偿后的电压除以电流,消除时间的影响,确定处理结果与流量的线性关系。为了验证三种瞬态测量方法,研制基于DSP的电磁流量变送器硬件,采集瞬态时的励磁电流和信号电压,用Matlab编写这三种方法的程序对数据进行离线处理。离线处理结果表明,这三种方法的处理结果与流量之间均有良好的线性关系。编写基于DSP的电磁流量变送器软件,实时实现三种瞬态测量方法,进行水流量标定和功耗测试实验。实验结果表明,采用瞬态测量方法的电磁流量计测量准确度达到0.5%,与普通电磁流量计的测量准确度相同。功耗对比表明,基于瞬态测量原理的电磁流量计的励磁系统功耗是普通电磁流量计的1/1200,极大地降低了功耗。

关键词： 移动边缘计算   任务迁移卸载   贪心思想   D2D通信   拍卖模型  

摘要： 近年来,随着移动智能设备数量的急速增长,用户产生了海量的需要处理的数据以及计算量巨大的处理任务,对传统的网络和计算架构提出了更高的要求和挑战。在传统的云计算模式中,一般采用将计算任务卸载到云数据中心的方式进行处理以便降低任务的处理时延以及降低本地终端的能耗。而因为云数据中心通常部署核心网,和用户通信的时间延迟比较大,所以将巨量的业务和数据卸载到云服务其中,往往由于网络阻塞而导致很高的传输时延。因此,将云平台的功能下放到网络边缘靠近用户的位置以便降低任务的处理和传输时延的思想逐渐引起人们的关注,边缘计算逐渐引起了人们的关注。移动设备由于有限的能量和计算资源,针对计算密集型的任务,为了降低任务处理时延和节省本地能耗,一般将计算任务卸载到计算资源丰富的边缘服务器或者采用其他移动设备协作处理的方式。边缘计算中,任务卸载的方式包括卸载到MEC服务器上执行和D2D的方式进行任务卸载。本文首先研究了在移动边缘环境中,基于MEC服务器的动态任务卸载问题。首先对应用分割产生的关联任务建立具有相关依赖关系的有向无环图模型。然后建立任务的能耗、时延模型,形式化描述低功耗卸载优化问题。针对该优化问题,本文针对相关任务模型的特点,针对时刻变化的边缘环境,提出基于贪心思想的任务动态卸载策略和基于用户移动轨迹的服务端任务调度策略,最后通过仿真实验,结果分析得到该策略对于任务卸载具有一定的效果。然后,本文研究了基于D2D任务卸载问题。D2D任务卸载使用D2D通信技术检测周围可用闲置的移动设备,通过将任务卸载到其检测到的可用移动设备中执行以降低任务处理的时延和本地能耗。首先,通过D2D通信技术建立用户设备、中继转发设备、服务设备构成的通信拓扑图。然后根据任务属性、通信时延等估算卸载环境,使用拍卖方式选择任务卸载的地点。最后使用仿真实验得到该策略对于D2D任务卸载的可用性,为D2D任务卸载提供新思路。

关键词： Biomedical engineering   Electrical engineering  

摘要： Low-back pain has become an overwhelming prevalent problem causing activity limitation in the lives of many Americans and an unnecessary burden on physicians. The etiology of most cases remains unknown and current treatments remain ineffective in many cases. Recent research suggests that low-back pain is heavily influenced by repeated daily movements that stress specific areas of the spine. Better monitoring solutions are needed to reveal and correct these repeated movements, but current methods are unfit for daily use outside of laboratory environment. The Spinal Motion Sensor takes advantage of current inertial motion technologies and sensor fusion algorithms that can measure orientation with higher accuracy and lower power than ever before. The central motion sensor chip, the InvenSense ICM-20948, uses a gyroscope, accelerometer, magnetometer, and digital motion processor to collect nine axes of data and calculate a final quaternion orientation vector. Multiple sensors can be placed on the spine to monitor the orientation at each location. The sensor is Bluetooth-enabled, allowing for orientation data to be transmitted back to any mobile device. If a mobile device is not present, the data can be saved locally to flash memory and collected later. The sensor was tested for long-term drift to ensure that the sensor does not drift throughout the length of a data collection session. Power consumption testing of the sensor in different configurations revealed a battery life of approximately 20 hours. Patients will be able to wear and use their sensor for a full day of activity, revealing any high-risk movements that may be causing low-back pain.

关键词： 复合储能系统   ADVISOR二次开发   工作模式   模糊控制策略   低功耗  

摘要： 随着能源和环境问题日趋严重,大力推广纯电动汽车产业既是解决能源危机的有效方案,也是推进我国绿色发展的有力举措。目前,纯电动汽车大多采用蓄电池作为能量源,但是由于城市路况的多变性,电动汽车需要频繁的加减速切换,当电动汽车汽在加速运行时,会在蓄电池组内部产生很大的电流,对电池组构成很大的冲击,严重影响其循环寿命且由于蓄电池的能量回收利用率不高,当电动汽车在制动减速时,不能有效的回收能量。针对以上问题,综合利用蓄电池和超级电容电池高能量密度和高功率密度的优势,构建了以锂离子电池组和超级电容器组为储能单元的复合储能系统。由于系统中存在不同类型的能量源,因此,能量控制策略是复合储能系统的重要研究部分。主要研究内容如下:首先,针对大电流对纯电动汽车蓄电池组循环使用寿命影响较大的问题,构建了以锂离子电池和超级电容电池为储能单元、DC/DC变换器为中间连接装置的复合储能系统,并对各组成部分进行研究,包括锂离子电池和超级电容电池的充电和放电特性、容量特性以及DC/DC变换器的效率特性。在此基础上,通过对比锂离子电池、超级电容电池和DC/DC变换器的不同模型的优缺点,选择符合本文要求的各组件模型,并同时为电动汽车复合储能系统构造合适的整体结构。其次,对车辆仿真专用软件ADVISOR进行二次开发,使其具备对复合储能系统电动汽车的仿真能力。并在原锂离子电池组单独驱动、锂离子电池组和超级电容器组共同驱动、再生制动和纯充电传统工作模式的基础上,加入超级电容器组单独工作的模式,建立了新的工作模式。再次,以ADVIOR二次开发和改进工作模式为基础,考虑到使用传统逻辑门限方法制定能量控制策略时具有状态划分参数不准确的缺点,提出了使用模糊控制方法为复合储能系统电动汽车制定能量控制策略并使用ADVISOR进行仿真验证。将上述仿真结果与改进和未改进工作模式下制定的逻辑门限控制策略仿真结果之间做循环对比,验证改进工作模式和模糊控制策略均可降低流过锂电池组的电流,延长其循环使用寿命。最后,在对复合储能系统软硬件构造设计的基础上,搭建了低功率复合储能系统能量控制实验平台,并且以模糊控制方法制定能量控制策略,验证在改进工作模式下,复合储能系统的可行性与有效性。

关键词： 脑电信号   低功耗   便携   P300   EMD算法  

摘要： 脑电波(Electroencephalogram,EEG)是一种使用电生理指标记录大脑活动的方法,大脑在活动时,由大量神经元同步发生突触后的电位总和形成的。脑电信号作为一种典型的生物电信号,包含了丰富的生理信息与病理信息,在当今的医学研究及其他科学领域之中,正越来越引起人们的重视。由于脑电信号非常微弱,并且不稳定,仅靠目视分析很难在复杂的脑电信号中提取出有意义的信号。针对以上缺陷,本文设计了一套高精度、体积小、信号传输速率快、传输稳定、便携式的低功耗实时在线采集显示系统。由于脑电信号非常微弱,选用精度更高的采集转换芯片进行人体脑电信号采集,本系统采用高精度的ADS1298作为采集转换芯片,该芯片能够精确的识别脑电信号变化的最小幅值,ADS1298将采集到的数据在内部作A/D转换处理后通过SPI(Serial Peripheral Interface)通信方式传送到STM32主控芯片,然后,主控芯片通过蓝牙将数据无线传输到LabVIEW上位机,上位机通过工频陷波器、巴特沃斯滤波器等滤波算法对从下位机传送过来的脑电信号数据进行去噪处理并实时显示滤波前后的波形;最后通过EMD(Empirical Mode Decomposition,EMD)算法进行各个频率波段的脑波信号分析处理,并提取出有效的特征波,为以后做BCI(Brain Computer Interface,BCI)脑机接口实验打下良好的实验基础。通过设计一组视觉刺激序列,采集由稳态视觉引起的P300诱发电位,并对P300电位进行分析处理,此信号对心理学及神经临床医学具有重要意义。经过大量的人体实验测试验证,本脑电采集系统能够准确且无创采集到人体脑电信号并实现对脑电波的实时在线显示。