CN111190647B - 一种事件驱动型常开唤醒芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种事件驱动型常开唤醒芯片。每级由上一级输出的事件驱动工作，也即每一级在其输入信号满足软件编程的阈值条件时才能输出并驱动下一级，反之则处于待机状态。此外，芯片具有对信号的多种基本处理模式，如幅度，时间，斜率等，并且，可通过软件编程的方式设置各个基本模式对信号事件判断的阈值条件，以及对各个基本模式进行复杂的组合，实现对信号多样的高级检测模式，使芯片在保持超低功耗的同时具有通用性，也即软件定义芯片。本发明各个模块都是无时钟全异步的工作模式，它们无静态电流偏置，功耗极低。本发明的编程功能可以拓宽唤醒芯片的通用性，让其随着需求的实时变化而呈现相应的功能。

Description

一种事件驱动型常开唤醒芯片

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，涉及一种异步流水线结构软件定义的事件驱动型常开唤醒芯片。

背景技术

随着时代的发展，物联网设备、可穿戴医疗设备、移动电子设备等新兴电子技术及产品呈现爆发式发展和增长，考虑到产品的成本，体积，重量等限制条件，这些兴起的应用对集成电路芯片的功耗要求严格。为了避免频繁更换小体积小容量电池所造成的材料成本和人工成本，需要其芯片能持续工作数年甚至数十年而无需更换电池。不同于个人电脑、服务器等传统芯片应用场景，物联网等新兴应用的一大特点是，设备通常工作在随机稀疏事件的环境下，“随机”是指传感器所探测到的信号所包含的事件是随机发生的(例如：心脏病人的偶然发病)，而“稀疏”是指事件的间隔可能很久(例如：地震传感器检测到某地地震发生周期为一年)，在随机稀疏事件的背景下，芯片在保持低功耗的要求下需要常时开启待命，随时处理一切实时事件，显然，这是一项巨大的挑战。

近些年，许多国内外研究多采用周期性唤醒芯片的方式节省功耗，使芯片周期性的交替地进行“休眠-唤醒”，此方法在一定程度上能减小功耗开销，然而，为了不错过随时随机发生的事件，通常需要远远高于稀疏事件平均发生频率的唤醒频率让芯片能够捕获到每一个事件，产生了大量的无用功耗。

不同于周期性唤醒的工作模式，事件驱动型工作模式指芯片的工作与否完全取决于是否有事件的到来，没有事件时芯片长时间处于功耗极低的待机模式，有事件到来时它才进行工作，因此具有适应于新兴应用场景的超低功耗前景。

目前，国内外主要研究周期性工作模式的芯片以及某些专用领域的事件驱动型芯片(例如：语音信号识别唤醒领域)，但面对物联网等应用场景的多样性，芯片可能需要处理各类不同的信号(语音，图像，文字……)，并且可能需要对信号进行各种类型的处理(幅度，时间……)，因此，芯片需要具有一定的通用性从而能够应对各种需求。然而，目前为止，还没有一种具有极低功耗和通用性的面向物联网等新兴领域的芯片。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

针对以上现有技术中存在的问题和挑战，本发明提出了一种异步流水线结构软件定义的事件驱动型常开唤醒芯片。

本发明的目的在于提出一种超低功耗的具有通用性的唤醒芯片，对传感器接收到的各种信号进行可供选择的多种模式的预处理，输出唤醒信号以唤醒高性能模块进行高精度计算。

具体的，本发明提供了一种事件驱动型常开唤醒芯片，所述芯片具有多级流水线结构，每级由上一级输出的事件驱动工作，具体为在每一级在其输入信号满足软件编程的阈值条件时，输出并驱动下一级，在每一级在其输入信号不满足软件编程的阈值条件时，处于待机状态。

进一步的，所述芯片包括如下模块：模数转换模块，数字处理模块，幅度检测模块，时间检测模块，瞬时斜率检测模块，信号特征间隔检测模块，平均斜率检测模块，波峰波谷检测模块，模式识别模块，和可配置唤醒逻辑模块。

进一步的，所述流水线第一级包括：模数转换模块、数字处理模块；

流水线第二级包括：幅度检测模块、时间检测模块；

流水线第三级包括：瞬时斜率检测模块、平均斜率检测模块、信号特征间隔检测模块；

流水线第四级包括：波峰波谷检测模块，模式识别模块；

流水线最后一级包括：可配置唤醒逻辑模块；

各级流水线的各个模块的输出信号均发送到所述可配置唤醒逻辑模块。

进一步的，所述芯片具有事件驱动的工作模式，常开不关断，具备对后级芯片的唤醒功能。

进一步的，所述可配置唤醒逻辑模块连接外部高性能模块，用于完成动态在线编程和/或离线编程。

进一步的，所述芯片用于对各种单一功能模块的检测结果通过编程的方式进行逻辑组合。

进一步的，所述检测的阈值条件包括：大于阈值、小于阈值、在阈值区间内、或者在阈值区间外。

进一步的，所述幅度检测模块包括计数器、和数字比较器。

进一步的，所述芯片所基于的半导体器件采用平面MOSFET、FinFET、Nanowire、Nanosheet、TFET、NCFET之一或组合。

进一步的，所述半导体器件采用VI族单质半导体材料或II-VI、III-V、IV-IV族之一的二元或三元化合物半导体材料。

本发明的有益效果及相应原理：

1、本发明的唤醒芯片基于多级异步流水线结构，每一级均由前级输出的信号事件触发，整体呈事件驱动的工作特性，无内部时钟，大大减少动态功耗，具有超低功耗。

2、本发明抽象出多种对信号的基本处理模式，覆盖模拟信号，数字信号类型，通过软件定义功能将各种基本处理模式组合从而衍生出多种类的复杂处理模式，使芯片具有通用性。

3、本发明中的“时间检测模块”可对输入模拟信号处于某个设定幅度值范围内的持续时间进行检测。

4、本发明中的“信号特征间隔检测模块”对具有相同特征的模拟输入信号的间隔时间进行检测。

5、本发明中的“瞬时/平均斜率检测模块”检测模拟输入信号的瞬时斜率和一段时间内的平均斜率。

6、本发明的“波峰波谷检测模块”对模拟输入信号的波峰和波谷检测。

7、本发明的“数字头处理模块”对数字输入信号进行计算处理。

8、本发明的编程功能包括离线编程和在线动态编程，离线编程是离线配置好各种参数，而在线动态编程是通过唤醒芯片后级的高性能模块反向给唤醒芯片动态提供新的编程参数，它可以拓宽唤醒芯片的通用性，让其随着需求的实时变化而呈现相应的功能。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的异步流水线结构软件定义的事件驱动型常开唤醒芯片的示意图；

图2为基于本发明所提出的异步流水线结构软件定义的事件驱动型常开唤醒芯片的一个具体芯片实施例。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明中的唤醒芯片因异步流水线结构及事件驱动的工作模式而具有超低功耗，芯片具有多种基本的信号处理模式，如幅度，时间，斜率等，并且，可通过软件编程(离线编程，在线动态编程)的方式设置各个基本处理模式的阈值条件，以及对各个基本模式进行复杂的逻辑组合，从而实现多样的对信号的高级检测模式，使芯片同时具有通用性。

如图1所示，本发明中的异步流水线结构软件定义的事件驱动型常开唤醒芯片采用多级流水线结构，每级由上一级输出的事件驱动工作，也即每一级在其输入信号满足软件编程的阈值条件时才能输出并驱动下一级，反之则处于待机状态。该芯片包括但不限于如下模块：模数转换模块，数字处理模块，幅度检测模块，时间检测模块，瞬时斜率检测模块，平均斜率检测模块，波峰波谷检测模块，信号特征间隔检测模块，模式识别模块，可配置唤醒逻辑模块。

流水线第一级包括：模数转换模块，用于处理模拟信号输入；数字处理模块，用于处理数字信号输入。

流水线第二级包括：幅度检测模块，时间检测模块。

流水线第三级包括：瞬时斜率检测模块，平均斜率检测模块，信号特征间隔检测模块。

流水线第四级包括：波峰波谷检测模块，模式识别模块。

流水线第N级包括：可配置唤醒逻辑模块。

可配置唤醒逻辑模块发送的最终唤醒信号发送给外部高性能模块，进行动态在线编程和/或离线编程。其中高性能模块包括MCU(微控制单元(Microcontroller Unit；MCU))、NPU(neural-network processing units，嵌入式神经网络处理器)、DSP(数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP))、PMU(电源管理单元(Power ManagementUnit，PMU))、ADC(ADC，Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模拟/数字转换器)等单元。

所述芯片具有事件驱动的工作模式，常开不关断，具备对后级芯片的唤醒功能。采用多级异步流水线结构来整合多种对信号进行单一模式处理的功能模块。能对模拟信号输入或数字信号输入进行处理或两者兼具。可对信号的幅度、斜率、信号宽度、信号间隔等特性进行检测。可对各种单一功能模块的检测结果通过编程的方式进行逻辑组合，衍生出更复杂的信号检测功能。对信号特征进行检测的阈值条件包括：大于阈值、小于阈值、在阈值区间内、或者在阈值区间外。可对信号检测的具体功能以及检测阈值进行离线编程和在线动态编程。

所述芯片所基于的半导体器件采用平面MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET))、FinFET(FinFET称为鳍式场效晶体管(FinField-effect transistor；FinFET))、Nanowire(纳米线)、Nanosheet(纳米片)、TFET(隧穿场效应晶体管(Tunneling Field-Effect Transistor或者TFET))、NCFET(负电容场效应晶体管，Negative capacitanceField-Effect Transistor)之一或组合。所述半导体器件采用VI族单质半导体材料或II-VI、III-V、IV-IV族之一的二元或三元化合物半导体材料。

各个功能模块均无时钟，异步工作，它们的输出可由“可配置唤醒逻辑模块”进行复杂的逻辑组合从而实现对信号的更为复杂的检测，这一过程也通过编程实现，因此本发明的芯片结构具有通用性，能实现多种对信号的检测模式。

此外，芯片具有对信号的多种基本处理模式，如幅度，时间，斜率等，并且，可通过软件编程的方式设置各个基本模式对信号事件判断的阈值条件，以及对各个基本模式进行复杂的组合，实现对信号多样的高级检测模式，使芯片在保持超低功耗的同时具有通用性，也即软件定义芯片。

各个模块都是无时钟全异步的工作模式，它们无静态电流偏置，功耗极低。本发明的编程功能包括离线编程和在线动态编程，离线编程是离线配置好各种参数，而在线动态编程是通过唤醒芯片后级的高性能模块反向给唤醒芯片动态提供新的编程参数，它可以拓宽唤醒芯片的通用性，让其随着需求的实时变化而呈现相应的功能。

如图2上方所示，本实施例中的唤醒芯片支持离线编程，在芯片在上电之初，软件编程其唤醒功能A，当输入信号满足编程阈值条件后，它唤醒高性能模块，此时高性能模块支持反向给唤醒芯片提供动态的在线编程，根据需求实时改变其唤醒功能，使变为唤醒功能B。

如图2下方所示，为本实施例中的三级异步流水线结构软件定义的事件驱动型常开唤醒芯片的电路架构，模拟信号输入至模数转换模块(例如，电平模数转换电路(Level-Crossing ADC，LC ADC))进行数字化，接着驱动第二级中的幅度检测模块(Amplitude)，瞬时斜率检测模块(Instant Slope)和波峰波谷检测模块(Peak)，其中幅度检测模块由计数器(Counter)和数字比较器(Digital CMP)组成，平均斜率模块的输入为计数器。幅度检测模块输出至流水线第三级的时间检测模块(Time)和信号特征间隔检测模块(SFI)。最前级的数字信号输入至数字头识别模块(Digital Header)。各级的输出信号均输入至可配置唤醒逻辑模块(Wake-up Logic)进行逻辑组合从而得到最终唤醒信号。流水线中的每一级均由上一级输出的信号事件触发而工作。

需要说明的是，在本说明书的描述中，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述芯片包括多个处理模块，所述多个处理模块中分别用于对信号进行不同类型的处理，将所述多个处理模块划分为多级流水线结构，每级由上一级输出的事件驱动工作，具体为在每一级在本级输入信号满足软件编程的阈值条件时，输出并驱动下一级，在每一级在本级输入信号不满足软件编程的阈值条件时，处于待机状态。

2.如权利要求1所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述芯片包括如下模块：模数转换模块，数字处理模块，幅度检测模块，时间检测模块，瞬时斜率检测模块，信号特征间隔检测模块，平均斜率检测模块，波峰波谷检测模块，模式识别模块，和可配置唤醒逻辑模块。

3.如权利要求1所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述流水线第一级包括：模数转换模块、数字处理模块；

流水线第二级包括：幅度检测模块、时间检测模块；

流水线第三级包括：瞬时斜率检测模块、平均斜率检测模块、信号特征间隔检测模块；

流水线第四级包括：波峰波谷检测模块，模式识别模块；

流水线最后一级包括：可配置唤醒逻辑模块；

各级流水线的各个模块的输出信号均发送到所述可配置唤醒逻辑模块。

4.如权利要求1所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述芯片具有事件驱动的工作模式，常开不关断，具备对后级芯片的唤醒功能。

5.如权利要求2或3所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述可配置唤醒逻辑模块连接外部高性能模块，用于完成动态在线编程和/或离线编程。

6.如权利要求5所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述芯片用于对各种单一功能模块的检测结果通过编程的方式进行逻辑组合。

7.如权利要求6所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述检测的阈值条件包括：大于阈值、小于阈值、在阈值区间内、或者在阈值区间外。

8.如权利要求2或3所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述幅度检测模块包括计数器、和数字比较器。

9.如权利要求1所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述芯片所基于的半导体器件采用平面MOSFET、FinFET、Nanowire、Nanosheet、TFET、NCFET之一或组合。

10.如权利要求9所述的事件驱动型常开唤醒芯片，其特征在于，

所述半导体器件采用VI族单质半导体材料或II-VI、III-V、IV-IV族之一的二元或三元化合物半导体材料。

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