物联网（Internet-of-Things）通过终端对物理世界进行感知和联系。现有终端架构存在通用化设计与低冗余优化矛盾突出的问题,导致其仅能采用嵌入式的设计方式,以微处理器这一可配置的器件为中心进行软硬件开发,来适配不同应用的功能需求。而微处理器具备完整的计算机结构（哈佛/冯诺依曼）,使得终端在形式上成为了独立的计算机系统。虽然终端所需承担的任务较为简单,但作为独立的计算机系统,却需要付出远高于其应用需求的软硬件复杂度,在计算架构上存在大量冗余,且软硬件功能与应用相耦合,导致开发成本难以降低。由于微处理器无法舍弃,又衍生出“性能与功耗难平衡”以及“能量管理开销大”两方面的应用问题,限制了感知类物联网应用的发展。本文围绕“通用化低冗余边端计算架构”开展研究,将终端与网关作为整体进行考虑,旨在构建边端一体化的低冗余计算体系,赋能感知终端在实现“无处理器”化低冗余设计的同时,支持对多样化传感芯片动态适配的通用扩展能力。在解决低冗余优化和通用性相矛盾的基础问题后,对终端的能效比和能量管理做出进一步优化,解决了由该基础问题衍生的其他应用问题,从而起到进一步降低终端功耗、提升任务效率、降低开发制造成本和扩展应用边界的作用,促进物联网产学研联合发展。本文的主要研究内容与创新点如下:一、整体架构设计:针对感知终端在通用化设计和低冗余优化上的矛盾,从计算降冗余入手,提出“无处理器的低冗余‘即插即用’通用计算架构”。探索将终端上由处理器承担的任务完全转移至网关执行的可行性。同时,研究网关对终端上传感芯片进行一致化远程控制的方法。基于该架构,感知终端便不再需要微处理器,大幅降低了软、硬件架构冗余,并获取了芯片级功能“即插即用”的通用扩展能力。设计面临三点挑战:1)网关对多样、异质化传感芯片的自适应逻辑适配,2)无处理器辅助下,终端对其板载传感芯片的自适应信号交互,3)远程控制下的通信负载优化。为此,本文提出了统一芯片描述语言,以实现多样化芯片操作的直接逻辑表达;设计了动态信号转换电路,以支持“无处理器”终端对各类异质化板载芯片的自适应信号交互;提出了分层指令编排框架,以解决控制上浮所导致通信开销增加的问题。基于该设计,用户可以通过芯片“即插即用”操作对感知终端的功能实现敏捷定制,以解决感知终端开发困难、成本高的问题。实验表明,系统对芯片“即插即用”的响应时间低于0.13秒,且平均通信开销仅为0.53 Kb。二、能效比优化:针对感知终端在任务性能与功耗上难平衡的问题,从通信降冗余入手,提出“高能效无处理器信息冗余去除”机制。在“无处理器”终端的设计上引入低功耗“被动式通信”的约束条件,使其整体功耗降低至微瓦级别,并在超低功耗的约束下优化“无处理器”终端的任务执行效率,提升其能效比。设计的难点在于被动式通信约束下网关对终端上传感芯片执行远程控制的低效性,致使任务效率优化受限。为此,本文分别从物理层、链路层、网络层三方面入手,研究高能效信息冗余去除方法,在受功耗约束的有限通信资源下,大幅提升“无处理器”终端与网关的交互性能,提升任务吞吐率,弥补了现有低功耗优化方案需牺牲终端任务性能的缺陷。实验结果表明,相比传统方案,该研究能在提升4.91倍任务吞吐率的同时,将终端功耗降低94.3%。三、能量管理优化:针对感知终端因能量管理开销大而导致应用场景受限的问题,从管理降冗余入手,提出“终端免计算能量远程感知与管理技术”。通过设计超低功耗的信号传递机制,利用网关远程承担终端的能量管理,而不依赖终端本地计算资源参与。设计的难点在于终端上能量探测与分配操作的远程转移,因其通常需要通过微处理器在本地进行处理。为此,在无线信号层面,提出了远程能量感知与管理方法。同时,在终端上设计了轻量化的能量管理电路予以配合,使终端无需付出计算资源用于能量管理,实现了终端上精细化能量管理的最简化设计。实验结果表明,较现有技术而言,该研究可降低92%的能量管理开销,并将综合能量效率提升36%。因此,本文方案能帮助感知终端更好的适应多样复杂的供电环境,有助于扩展物联网应用的边界,促进“万物互联”。