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第1章 超低功耗的基本理论1

1.1 无线通信网络技术概况1

1.1.1 无线通信网络技术的发展历程1

1.1.2 蜂窝通信的革命2

1.1.3 全球蜂窝网络3

1.1.4 宽带4

1.1.5 未来趋势5

1.1.6 无线技术中的问题6

1.2 无线通信网络超低功耗的基本概念6

1.3 功耗产生的原因7

1.3.1 CMOS电路的功耗8

1.3.2 集成电路中的问题12

1.4 与功耗有关的其他因素13

1.4.1 拓扑控制13

1.4.2 功率控制14

1.5 超低功耗设计的必要性17

1.6 超低功耗设计的特点18

1.7 元件工艺的低功耗20

1.8 降低功耗的措施21

1.8.1 硬件低功耗和软件低功耗技术21

1.8.2 功率控制23

1.9 小结25

第2章 降低功耗的策略26

2.1 系统节能的机制26

2.1.1 SoC不同层次的低功耗设计28

2.1.2 低功耗设计的主要方法28

2.1.3 寄存器级低功耗设计的主要方法29

2.2 电路级30

2.2.1 功耗产生的原因30

2.2.2 与系统功耗有关的因素30

2.2.3 降低功耗的措施31

2.2.4 低耗能硬件设计33

2.2.5 在集成电路设计中采用低功耗电路结构36

2.3 逻辑级38

2.3.1 功耗估计的原理38

2.3.2 功耗模型定义40

2.3.3 SoC在逻辑级上的低功耗设计44

2.4 体系结构级44

2.4.1 体系结构层低功耗技术45

2.4.2 一些重要的体系结构层低功耗技术45

2.4.3 部件使用的局部化47

2.5 软件低功耗49

2.5.1 低功耗编译优化技术49

2.5.2 传统编译优化技术对功耗的优化51

2.5.3 动态电压调节算法52

2.5.4 软件低功耗设计54

2.5.5 便携式产品通过软件降低功耗的方法55

2.5.6 软件能量模型58

2.5.7 基于多核体系结构的软件能量优化方法60

2.5.8 利用软件降低3G手机功耗61

2.5.9 利用数字电源系统管理降低数据中心的功耗63

2.5.10 多轨板级电源系统64

2.5.11 用于数字电源系统管理的控制接口65

2.6 小结65

第3章 超低功耗总线编码技术66

3.1 总线低功耗技术概述66

3.1.1 总线低功耗技术66

3.1.2 简化的总线能耗模型72

3.2 常用的总线低功耗技术73

3.2.1 如何降低总线功耗73

3.2.2 降低总线功耗的方法74

3.3 超低功耗总线编码76

3.3.1 深亚微米总线模型76

3.3.2 降低功耗方面的编码技术79

3.3.3 降低串扰影响方面的低功耗编码技术87

3.3.4 差错控制编码技术93

3.3.5 统一总线编码96

3.4 总线的编码效果99

3.4.1 传统E／O BI编码应用99

3.4.2 针对AHB总线的混合型低功耗总线编码方案及硬件实现101

3.4.3 针对AXI总线的低功耗总线编码方案及硬件实现103

3.5 小结105

第4章 微处理器超低功耗技术106

4.1 微处理器超低功耗的基本理论106

4.1.1 微处理器超低功耗设计的背景和意义106

4.1.2 超低功耗设计的必要性107

4.1.3 超低功耗设计的发展趋势108

4.1.4 超低功耗微处理器的发展110

4.2 集成电路功耗的来源111

4.3 如何降低功耗113

4.4 目前常用的低功耗元器件125

4.4.1 嵌入式处理器TLB部件的低功耗设计125

4.4.2 FPGA的低功耗方法129

4.4.3 SoC低功耗的设计132

4.4.4 VLSI的低功耗技术研究138

4.5 小结141

第5章 嵌入式系统超低功耗技术142

5.1 功耗问题142

5.1.1 限制芯片性能的改善142

5.1.2 提高芯片制造成本143

5.1.3 降低系统可靠性143

5.1.4 增加系统执行成本143

5.1.5 影响电池供电时间143

5.2 集成电路低功耗技术144

5.2.1 集成电路功耗分析144

5.2.2 集成电路低功耗设计技术145

5.3 嵌入式系统低功耗技术148

5.3.1 低功耗硬件和体系结构技术150

5.3.2 嵌入式系统低功耗软件技术152

5.3.3 嵌入式处理器低功耗设计154

5.3.4 外围设备低功耗设计160

5.3.5 嵌入式软件低功耗设计163

5.4 动态功耗管理164

5.4.1 动态电源管理（DPM）164

5.4.2 动态电压调节（DVS）173

5.4.3 DVS与DPM的比较175

5.5 处理器功耗评估方法175

5.5.1 结构级的功耗评估方法176

5.5.2 指令集功耗评估方法178

5.5.3 RTL级和电路级功耗评估方法179

5.6 小结180

第6章 无线传感器网络超低功耗技术181

6.1 无线传感器网络概述181

6.1.1 无线传感器网络的发展及应用前景181

6.1.2 无线传感器网络面临的能耗问题183

6.1.3 无线传感器网络（W SN）结构184

6.1.4 无线传感器网络的特点186

6.2 无线传感器网络节点能耗分析187

6.2.1 能耗影响因素188

6.2.2 能耗分析189

6.3 超低功耗的策略190

6.3.1 硬件系统的超低功耗策略190

6.3.2 软件设计中的超低功耗策略193

6.3.3 节能机制分析197

6.3.4 典型休眠节能协议198

6.4 典型W SN节点系统构成与分析210

6.4.1 典型W SN节点介绍210

6.4.2 典型W SN节点硬件平台的组成212

6.4.3 节点性能与功耗的关系217

6.5 超低功耗评判依据218

6.5.1 超低功耗系列微控制器的功耗分析218

6.5.2 环境能量补给技术现状219

6.5.3 节点的使用寿命220

6.5.4 通信模块功耗的特殊性220

6.5.5 超低功耗的评判准则221

6.6 WSN电能收集简介221

6.7 小结222

第7章 WMN网络超低功耗技术223

7.1 WMN网络超低功耗概念223

7.1.1 什么是WMN224

7.1.2 无线网状网的现状与发展225

7.1.3 网状节点与WMN体系结构225

7.1.4 WMN的主要特征226

7.1.5 WMN将为宽带应 用带来重大变革227

7.2 WMN网络超低功耗策略228

7.2.1 无线Mesh网络228

7.2.2 WMN系统组成分析228

7.2.3 能耗分析与节能策略229

7.2.4 设计WMN路由协议231

7.2.5 WMN路由结构232

7.2.6 路由技术的概念233

7.2.7 Internet路由协议233

7.2.8 Ad hoc网络路由协议233

7.2.9 WMN路由协议234

7.3 WMN高性能路由协议235

7.3.1 TBR协议236

7.3.2 无线Mesh网络237

7.3.3 无线Mesh网络的研究现状238

7.3.4 机会路由协议243

7.3.5 有向双向非对称链路质量路由协议245

7.3.6 无线Mesh网络中的跨层路由246

7.3.7 WRP协议249

7.3.8 算法分析和比较253

7.3.9 无线Mesh路由算法——SQOR256

7.4 认知无线网络功率控制技术256

7.4.1 功率控制概述257

7.4.2 移动通信中的功率控制258

7.4.3 TD-LTE系统的功率控制261

7.4.4 TD-LTE功率控制的特点262

7.4.5 功率控制技术的意义263

7.4.6 功率控制的分类及介绍264

7.4.7 控制的组级分类266

7.4.8 多速率技术与功率控制技术之间的制约关系267

7.5 WMN网络休眠与激活269

7.5.1 外部传感器／仪表电源管理271

7.5.2 同步休眠273

7.5.3 混合休眠276

7.5.4 功耗估算278

7.5.5 异步唤醒过程功耗估算279

7.5.6 一种改进的无线通信系统唤醒方法280

7.6 小结289

第8章 扩频通信系统超低功耗技术（3G／4G）290

8.1 功耗的影响290

8.2 无线通信网节能管理综述293

8.2.1 无线通信网节能管理框架293

8.2.2 节能触发和恢复策略研究现状及存在的问题298

8.2.3 无线通信网能耗组成研究现状及存在的问题299

8.3 基于覆盖定义信号功率调整的自主节能管理机制300

8.3.1 概论300

8.3.2 基于CD信号功率调整的自主集中式节能管理机制301

8.4 节能304

8.4.1 节能优化的数学模型304

8.4.2 基于改进模拟退火的求解方法305

8.4.3 节能机制的有效性评估308

8.5 基于业务信道功率调整的自主节能管理机制309

8.5.1 SEM-TC功能架构及流程310

8.5.2 基于业务信道功率的无线通信网能耗模型312

8.5.3 局部OP补偿方法313

8.5.4 节能的优化数学模型314

8.6 基于多参数联合调整的自主节能管理机制315

8.6.1 SEM-MP功能架构、流程、关键技术分析316

8.6.2 区域化的基站状态确定方法316

8.6.3 节能的优化数学模型317

8.6.4 基于高效粒子群的求解方法318

8.7 基于几何拓扑的多阶段分布式自主节能机制320

8.8 基于几何拓扑的分布式自主节能管理机制321

8.9 异构网络局部覆盖补偿方法分析324

8.10 未来的研究工作329

8.11 小结329

第9章 其他短距离无线通信超低功耗技术330

9.1 ZigBee原理及应用331

9.1.1 ZigBee简介331

9.1.2 ZigBee网络拓扑结构331

9.1.3 ZigBee技术的特点332

9.1.4 ZigBee协议栈体系结构333

9.1.5 ZigBee网络的应用335

9.1.6 ZigBee的实际应用336

9.2 Z-Wave原理及应用336

9.2.1 Z-Wave简介336

9.2.2 Z-Wave的技术特点337

9.2.3 Z-Wave协议体系结构分析338

9.2.4 Z-Wave协议的体系结构和网络控制节点340

9.2.5 应用实例342

9.2.6 发展前景343

9.3 Wi-Fi原理及应用343

9.3.1 Wi-Fi概况343

9.3.2 Wi-Fi网络基本架构344

9.3.3 Wi-Fi网络中通过规避干扰来提升网络容量的方法346

9.3.4 Wi-Fi发展前景347

9.4 RFID原理及应用349

9.4.1 RFID技术概况349

9.4.2 RFID应用现状350

9.4.3 RFID系统的基本组成351

9.4.4 RFID系统的工作原理353

9.4.5 RFID访问安全354

9.4.6 应用实例355

9.5 UWB原理及应用357

9.5.1 UWB概况357

9.5.2 UWB频谱规范359

9.5.3 UWB调制方式360

9.5.4 UWB与其他短距离无线技术的比较363

9.5.5 UWB的应用363

9.5.6 UWB的发展前景364

9.6 Wibree原理及应用365

9.6.1 Wibree概况365

9.6.2 低功耗蓝牙技术366

9.6.3 低功耗蓝牙协议栈研究366

9.7 小结370

第10章 性能／功耗评估策略371

10.1 低功耗设计方法371

10.1.1 无线传感器网络低功耗设计方法372

10.1.2 单片机低功耗设计方法376

10.1.3 低功耗硬件电路的主要设计方法377

10.1.4 嵌入式软件的低功耗技术380

10.2 功耗优化和分析工具383

10.2.1 CMOS数字电路功耗优化和分析工具383

10.2.2 数字电路系统级功耗优化和分析工具387

10.2.3 数字电路算法功耗优化和分析工具389

10.2.4 数字电路RTL级功耗优化和分析工具390

10.2.5 数字电路门级功耗优化和分析工具391

10.2.6 数字电路晶体管级功耗优化和分析工具392

10.2.7 无线网络路由协议功耗优化和分析工具394

10.3 超低功耗评估策略395

10.3.1 无线网络低功耗设计策略研究395

10.3.2 无线网络动态电压调节（DVS）低功耗策略399

10.3.3 动态电源策略设计400

10.3.4 基于网络编码的数据分发策略401

10.4 实用低功耗设计手段402

10.4.1 软件技术低功耗设计手段402

10.4.2 通用模拟电路仿真器低功耗设计手段403

10.4.3 SimpleScalar模拟仿真器低功耗设计手段405

10.4.4 动态电压调节算法低功耗设计手段406

10.4.5 基于处理器和存储器协调的能量优化方法408

10.4.6 时钟门控和功耗门控技术低功耗设计手段409

10.4.7 Cache配置低功耗设计手段410

10.4.8 嵌入式处理器TLB部件的低功耗设计手段411

10.4.9 组合电路漏电低功耗设计手段411

10.4.10 时序电路漏电低功耗设计手段412

10.4.11 无线网络终端节点传感器低功耗设计手段414

10.5 小结417

附录A英文缩写名词对照表418

参考文献422