物聯網(IoT)裝置和系統成功的關鍵是能夠在需要的地方部署裝置,並且能夠以最少的干預立即連接到核心網路。對於交通運輸、工業控制、農業以及消費領域的無數應用來說,具備與雲端通訊的能力以理解本地感測器讀數是至關重要的。實現這一目標的一種無線技術關鍵是:蜂巢式(cellular)技術。

20171025_CEVA_TA31P1 圖 1:用於大規模物聯網的蜂巢式IoT

需要蜂巢式技術提供連網靈活性的系統範例包括資產追蹤器。公共運輸車輛已能使用GPS功能追蹤系統,並向中央控制器回報其位置,讓營運商能即時告知旅客下一班車將何時到達。靈活、低成本連接能力的可用性還能將定位追蹤擴展到更多的設備。例如,建築計劃延誤的常見原因在於設備不在正確的地方。機器設備上具有存取至蜂巢式連網的感測器節點,可以在每次移動時報告其位置,而無需擁有者部署自己的專用無線網路,或擔心設備將超出覆蓋範圍。

持續的連線能力

無線營運商和3GPP標準化組織開始擁抱持續連網的願景。他們加快了計劃,不僅為即將到來的5G網路賦予IoT能力,同時還藉助去年由3GPP批准的Cat-M1 (eMTC)和Cat-NB1 (NB-IoT) LTE等新類別,為通用的低功耗無線網路提供了墊腳石。

聚焦IoT的蜂巢式標準旨在支援以電池供電的感測器以及間歇傳送少量資料的裝置需求。這些協定使得維持長時間連線成為可能,而不至於強制裝置定期回應基地台。諸如此類的變革也將能源消耗降至最低。但是,唯有在裝置整合商能夠讓整個設計有效利用低功耗處理能力,才能充份發揮這些新協定的全部優勢。

對於IoT裝置的四個要求正變得至關重要。感測和連接能力已經成為IoT裝置核心功能的關鍵。使用GPS感測位置的能力通常與基於無線通訊的三角測量結合使用,這對於安裝在車輛中的裝置甚至是駐留在固定位置的節點而言非常重要。

例如,在農業應用中,多個感測器可能分散在各農田中,用於監測環境狀況,從而支援易於乾旱地區灌溉的有效利用。透過GPS接收使感測器感知位置,則不需要再手動編碼其位置。而且,還可以在裝置被意外或惡意移動時進行報告。

針對缺少可呈現最小觸控介面的表面區域,基於語音的使用者介面提供了在本地詢問和控制IoT裝置的能力。家中的系統已經證明了本地語音偵測以及預處理演算法結合雲端語音辨識的效益,這有助於從IoT裝置卸載大部份運算密集型的功能。語音偵測功能在工業領域中同樣重要,當維修技術人員在附近時,即使隱藏在其他機器後面,感測器也會回應語音指令。

智慧手錶等類似設計由於包括語音介面以及內建蜂巢式通訊,能夠執行並支援使用者的指令,而無需連接到智慧型手機。這使得智慧手錶在醫療保健和健身應用方面更具有可用性,讓使用者能完全存取穿戴式裝置的功能,而無需攜帶較大的電子裝置。

混合功能

多種功能的組合帶來對於高效率的高數位訊號處理(DSP)效能的要求,同時也需要具備執行控制密集型程式碼以支援即時功能的能力。這種功能組合的傳統方法是為每一種功能使用專用處理器。但是,由於需要在兩個或多個處理器核心之間同時傳遞資料,因此會提高晶片成本且增加功耗。同步執行緒的需要通常可能導致核心閒置,而另一個執行緒則完成其任務,這增加了由於洩漏而導致的能量損耗量。均衡控制和訊號處理工作負載的單核心解決方案為精細電源管理提供了機會,並提高了效率。

例如,CEVA-X1處理器核心的設計,架構師密切關注IoT裝置的需求。其解決方案是將處理器架構和C編譯器整合在一起,透過具有可變長度指令編碼的超長指令字(VLIW)單指令多資料(SIMD)串流架構,實現出色的C程式碼生成效能和緊密度。CEVA-X1採用四向VLIW架構,但是將其與一個高度響應即時控制演算法和蜂巢式協定中發現的分支密集型程式碼指令流水線相結合。當執行瞄準控制型應用的EEMBC CoreMark基準測試時,CEVA-X1的得分為3.6CoreMark/MHz,可為專門設計用於此目的的處理器核心提供類似的效率。

但是,藉助可平行執行兩個16×16位元計算的乘法累加引擎,以及具備平行執行多達四條指令的能力,CEVA-X1提供先進訊號處理所需的豐富指令集和流水線傳輸效率。為了幫助減少程式碼大小,常用的指令可以使用緊湊的16位元編碼。位元組等級尋址允許記憶體中資料的節省空間排序。

20171025_CEVA_TA31P2 圖 2:CEVA-X1處理器架構

諸如CEVA-X1等IoT處理器還可建置長達十個階段的可變長度流水線,以支援更靈活的處理。當處理器執行更複雜的DSP指令時,將部署完整的十個階段。這提供了一個更加靈敏地響應程式碼的流水線,藉助分支密集多執行分散了DSP密集型部份。

為了減少分支程式碼的損失,CEVA-X1採用動態預測,並為許多指令中的預定執行提供支援,因此可以內聯執行簡單的if-then條件,避免中斷指令流的可能性。

情境切換

在需要與感測器處理和語音偵測進行切換通訊的裝置中,情境切換(context-switch)效能對於整體響應性與分支支援同等重要。CEVA-X1透過使用快速暫存器切換和包含多個堆疊指示器,以支援低延遲的情境切換。使用晶片上的資源在不同情境之間移動的這種能力,避免了在許多情況下強制暫存器內容進入主記憶體的需要。完整的執行緒情境幾乎可以立即儲存和調用,提供了在任務之間快速切換並響應系統中不斷變化條件的能力。

20171025_CEVA_TA31P3 圖3:資產追蹤器架構

儘管CEVA-X1能夠完全在軟體中支援Cat-NB1協定,並執行感測器處理功能,但除了加密和關聯性之外,Turbo和Viterbi處理的標準特定指令擴展可用於最佳化效能並降低功耗。包括協定堆疊和實體層(PHY)處理的完整Cat-NB1數據機可以同時在CEVA-X1上執行GPS和感測器融合程式碼,時脈速度只有150MHz。

藉助其對連接、控制和DSP的高效支援,諸如CEVA-X1等多用途的IoT處理器為快速發展的蜂巢式IoT裝置市場提供了理想的基礎,充份利用了幾乎從任何地方都能連接到雲端的能力。