CN112578181A - 一种振荡器异常状态检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种振荡器异常状态检测电路，用以检测系统中的待测振荡器的异常状态。振荡器异常状态检测电路基于基准振荡器及系统时钟，通过各独立时钟间的计数比较，进行目标振荡器异常状态检测。本专利中阐述的方法，可以有效处理各独立时钟间的异步时钟问题，控制检测精度，快速获得检测结果。

Description

一种振荡器异常状态检测电路
技术领域
本发明涉及数字电路设计技术和信息安全技术，是一种提高敏感电路安全性和可靠性的电路。
背景技术
在安全芯片设计中，对芯片工作振荡器的稳定性和可靠性提出了很高的要求。振荡器电路对于芯片的基本功能和安全功能的正常运行起着至关重要的作用。然而在生产加工及使用过程中，振荡器通常会受到工艺偏差、工作环境等客观因素以及故障注入攻击等人为主观因素的干扰，使得振荡器工作出现异常，造成振荡频率相比于预期值偏差较大，甚至根本无法起振。在这种情况下，通过振荡器检测电路发现并对异常情况进行报警，可以有效地保障安全芯片正常且安全地工作。
本发明提出的振荡器异常检测电路具有对振荡器工作频率的检测效果，受环境因素干扰小，且具备不起振状态检测功能，是一种有效的振荡器异常状态检测电路。
发明内容
本专利提供了一种用于检测振荡器工作异常状态的检测电路，包括用于进行结果判决的系统时钟、用于作为比较基准的基准振荡器、用于统计振荡频率的计数器、用于处理独立异步震荡信号的交叉同步单元、用于进行结果判决的判决单元和用于调整检测精度的计数阈值单元。最终的判决结果经由判决单元进行逻辑判决后获得结果输出信号。根据待测振荡器和基准振荡器的计数差值推算出频率差值，因此判决单元输出结果不限于计数差值，也可以是频率差值。判决单元还可以进行异常状态的判定，用于在系统时钟(110)计数n个周期后经判决单元(150)判断待测振荡器和基准振荡器均未起振的异常状态。其中n＝(系统时钟频率/基准振荡器频率)*计数阈值。使用基准振荡器和系统时钟对待测振荡器进行工作状态检测，在一段时间后，输出检测结果。根据检测结果的精度需要，可以通过设置计数阈值单元的数值，进行对检测电路的检测精度进行调节。同时基准振荡器(120)是待测振荡器频率检测的比较基准，其频率精度决定了对待测振荡器频率检测的精度，基准振荡器的频率和待测振荡器的期待频率相同。计数单元(130)为计数器，共使用两个，分别用于待测振荡器和基准振荡器的输出时钟计数，计数方式为减计数，计数单元的计数初值来自计数阈值单元(160)，两个计数单元配置的为同一计数初值。交叉同步电路解决了相互独立的待测振荡器、基准振荡器以及系统时钟间的异步时钟间信号传递问题，将异步时钟间信号同步导致的技术偏差控制在一定范围内，进一步保证了检测精度。交叉同步单元(140)为将待测振荡器的计数完成信号同步至基准振荡器时钟域的同步电路和将基准振荡器的计数完成信号同步至待测振荡器时钟域的同步电路，同步结果用于停止相应振荡器的输出时钟减计数，并将停止后计数器的残留值送至判决单元(150)。计数单元采用减计数的计数方式，一旦任一计数单元减计数完成，可以通过观测另一计数单元的剩余数值立即获得计数差值，省略了差值计算过程，保证了检测的高效性。同时，数阈值单元(160)可以进行计数阈值的设定，用于调整检测电路的分辨率。当要求待测振荡器和基准振荡器的时钟频率偏差为m％时，计数阈值单元的设定值应大于100/m。
本发明在检测结束后可以进行关闭，需要时在启动检测，能够有效降低功耗。
本发明可以在待测振荡器和基准振荡器都未起振的异常状态下通过系统时钟检测到这种异常。此处基于系统时钟不会发生未起振现象的假设，否则本发明所处系统整体已无法工作。
本发明适用于各类安全芯片、智能卡芯片、MCU等。也可作为包含高精度振荡器的随机数模块、物理不可克隆电路模块等功能模块中的振荡器检测电路使用。
本发明适用于需要高安全性和高可靠性的任何高性能应用，覆盖了无线通信，移动商务，电子商务，银行金融，安全网络接入等。
附图说明
图1根据本发明的方法工作的本发明的电路装置的实施例
具体实施方式
在安全芯片中，本发明所述电路为振荡器异常检测电路，图1是根据本发明的电路装置，
该检测电路设备包括：
-系统时钟110，用于提供判决单元150的工作时钟。
-基准振荡器120，作为待测振荡器的比较基准振荡器，基准振荡器的频率和待测振荡器的期待频率相同。
-计数单元130，用于对待测振荡器和基准振荡器进行时钟计数，采用减计数的方法，便于高效统计获得对两个振荡器的时钟计数差值。
-交叉同步单元140，用于处理相互独立的待测振荡器、基准振荡器以及系统时钟间的异步时钟间信号传递。
-判决单元150，用于判定待测振荡器检测结果并产生检测结果输出。
-计数阈值单元160，用于设定计数单元的减计数初始值作为计数阈值，通过设置计数阈值的大小，达到调节振荡器异常检测电路精度的目的。
在安全芯片中，将待测振荡器的输出连接至振荡器异常状态检测电路(100)，通过和检测电路中的基准振荡器(120)的输出时钟进行时钟计数比较，获得待测振荡器的工作频率是否异常的判决结果。在判决单元(150)中，系统时钟(110)既用于提供判决单元的工作时钟，也用于对基准振荡器的工作进行监控。通常情况下，只要基准振荡器可以正常起振，则可以通过时钟计数值得比较，对待测振荡器进行准确检测。因此系统时钟仅监控待测振荡器和基准振荡器未能起振的异常情况，在这种情况下，判决电路直接通过系统时钟的计数超时判决检测结果为振荡器异常。当未发生待测振荡器和基准振荡器未能起振的异常情况时，判决单元(150)通过对交叉同步单元(140)输出的两个计数单元(130)的时钟计数差值进行判决，得到待测振荡器和基准振荡器的频率快慢相对关系，从而获得对待测振荡器的频率异常检测结果，并输出检测结果。

Claims (9)

1.一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，包括用于进行结果判决的系统时钟(110)、用于作为比较基准的基准振荡器(120)、两个用于统计振荡频率的计数单元(130)、用于处理独立异步震荡信号的交叉同步单元(140)、用于进行结果判决的判决单元(150)和用于调整检测精度的计数阈值单元(160),其中：最终的判决结果经由判决单元(150)进行逻辑判决后获得结果输出信号。系统时钟(110)与判决单元(150)相连，输出时钟信号，基准振荡器(120)和待测振荡器分别与两个计数单元(130)相连，输出计数频率信号，两个计数单元(130)的计数结果与交叉同步单元(140)相连，输出计数完成信号，同时两个计数单元(130)的计数值、交叉同步单元(140)的同步控制信号以及计数阈值单元(160)的计数阈值通过与判决单元(150)相连，一同输出给判决单元(150)进行判决。
2.根据权利要求1所述的一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，所述两个计数单元(130)都统一配置成计数阈值单元(160)中的计数值后，分别对基准振荡器(120)和待测振荡器输出的时钟独立地进行减计数，减计数到0后产生计数完成信号通过交叉同步单元(140)同步到对方振荡器的时钟域用于停止对方计数单元的减计数，未完成计数单元的剩余值即为待测振荡器和基准振荡器的计数差值，判决单元(150)在任一计数单元生成计数完成信号后进行判决，获得待测振荡器和基准振荡器的计数值的差值。
3.根据权利要求1所述的一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，由于可以根据待测振荡器和基准振荡器的计数差值推算出频率差值，所以判决单元(150)输出结果不限于计数差值，也可以是频率差值。
4.根据权利要求1所述的一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，所述基准振荡器(120)是待测振荡器频率检测的比较基准，其频率精度决定了对待测振荡器频率检测的精度，基准振荡器的频率和待测振荡器的期待频率相同。
5.根据权利要求1所述的一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，所述计数单元(130)为计数器，共使用两个，分别用于待测振荡器和基准振荡器的输出时钟计数，计数方式为减计数，计数单元的计数初值来自计数阈值单元(160)，两个计数单元配置的为同一计数初值。
6.根据权利要求1所述的一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，所述系统时钟(110)用于在判决单元(150)中将计数差值转换为系统时钟域信号，并作为结果判决电路的工作时钟，以便于系统可以使用振荡器异常状态检测电路的结果，判决电路(150)用于判定待测振荡器检测结果并产生检测结果输出。
7.根据权利要求1所述的一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，所述系统时钟(110)用于在计数n个周期后经判决单元(150)判断待测振荡器和基准振荡器均未起振的异常状态。其中n＝(系统时钟频率/基准振荡器频率)*计数阈值。
8.根据权利要求1所述的一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，所述交叉同步单元(140)为将待测振荡器的计数完成信号同步至基准振荡器时钟域的同步电路和将基准振荡器的计数完成信号同步至待测振荡器时钟域的同步电路，同步结果用于停止相应振荡器的输出时钟减计数，并将停止后计数器的残留值送至判决单元(150)。
9.根据权利要求1所述的一种振荡器异常状态检测电路，其特征在于，所述计数阈值单元(160)可以进行计数阈值的设定，用于调整检测电路的分辨率。当要求待测振荡器和基准振荡器的时钟频率偏差为m％时，计数阈值单元的设定值应大于100/m。
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