PicoRV32 негизиндеги кристаллдагы система (System-on-Chip, SoC), 32 биттик RV32I RISC-V процессор өзөгү менен электрокардиограмма (ECG) сигналындагы R-чокусу жана морфологиялык аномалия белгилерин бөлүп алуу үчүн иштелип чыккан атайын, көбөйткүчсүз аппараттык тездеткичти ошол эле CMOS кристаллында бириктирген санариптик биосигнал иштетүү системасы. Изилдөөдөгү тездеткич үч үлгүлүү туруктуу K = [−1, 2, −1] дискреттик Лаплас өзөгүн жана программалануучу босого салыштыргычты колдонот. Өзөк коэффициенттери −1 жана 2 гана болгондуктан жалпы максаттагы аппараттык көбөйткүчтөр алынып салынган; эсептөө экинин толуктоочунда терс мааниге өткөрүү, бир бит солго жылдыруу жана кошуу операцияларына айландырылган.

Система RTL же симуляция деңгээлинде гана калтырылган эмес. Алгач программалык эталон жана FPGA прототиби менен текшерилип, андан кийин коммерциялык 180 nm CMOS процессинде физикалык түрдө долбоорлонуп tape-out жасалган, QFP-160 корпусунда реалдуу кремнийде атайын PCB менен сыналган. Кристаллдын активдүү өзөк аянты 0,936 mm², standard-cell саны 9373 жана жайгаштыруу тыгыздыгы %75,2 түзөт. Максат 100 MHz болгон учурда post-route RC анализинде 101 MHz timing closure алынган жана реалдуу кремний 100 MHz де иштетилген.

MIT-BIH Arrhythmia Database ичинен тандалган беш жазууда жалпысынан 10.393 сокку бааланган. Өндүрүлгөн кристалл алардын 9965ин туура классификациялап, %95,88 Normal/Abnormal тактыгына жеткен. Ошол эле маалыматта калкыма чекиттүү программалык эталон %95,94 тактык берген; кремний менен программалык камсыздоонун ортосунда болгону алты сокку, башкача айтканда 0,06 пайыздык пункт айырма болгон.

Бирок бул %95,88 мааниси жалпы калкка же мурда көрүлбөгөн бейтаптарга тиешелүү бейтаптар аралык тактык эмес. Ар бир MIT-BIH жазуусу үчүн босого ошол бейтаптын/жазуунун өз энбелгилерине жараша калибрленген. Мындан тышкары, булак кирүүчү ECG сигналы стандарттуу алдын ала иштетүүдөн өткөн деп болжолдойт. Ошондуктан изилдөөнү чийки, ызы-чуулуу ECG үстүндө өз алдынча клиникалык диагноз койгон даяр тагылуучу медициналык түзмөктүн клиникалык валидациясы катары түшүндүрүүгө болбойт.

1,8 V өзөк камсыздоосу жана 100 MHz де өлчөнгөн активдүү кубат 25,2 mW түзөт. Терең уйку абалында 1,0 V да өлчөнгөн агып кетүү тогу 44 nA, ага туура келген кубат болсо 44 nW түзөт. 400 үлгүлүү иштетүү терезеси үчүн берилген 7,1 ms баштан-аяк убакыт жана 25,2 mW активдүү кубат бирге бааланганда булак болжол менен 178,9 µJ активдүү иштетүү энергиясын эсептейт.

Изилдөөнүн негизги көйгөйү эмнеде?

Тагылуучу ECG системалары жүрөк ритмин узак убакыт көзөмөлдөшү керек. Бул системаларда QRS комплекси жана өзгөчө R чокусу башка ECG компоненттерине салыштырмалуу курчураак жана жогорку амплитудалуу убакыттык өзгөрүүнү көрсөткөндүктөн, соккуну сегменттөөдө жана морфологиялык аномалияны аныктоодо маанилүү белги чекити болуп саналат.

Ошол эле учурда тагылуучу түзмөктө тынымсыз иштеген татаал CNN же жалпы максаттагы multiply-accumulate (MAC) кыймылдаткычтары кремний аянтын, динамикалык кубатты, эс тутумга жетүүнү жана процессор циклдерин талап кылат. Программалык камсыздоону гана колдонгон жалпы максаттагы микроконтроллерде да ошол эле кайталануучу чыпкалоо операциялары CPUнун дайыма активдүү болушуна жана instruction-fetch энергиясынын көбөйүшүнө алып келиши мүмкүн.

Изилдөөнүн ыкмасы системаны башкарууну, байланышты жана программа агымын кичинекей RISC-V өзөгүнө калтырып, дайыма кайталанган ECG өзгөчөлүк бөлүп алууну туруктуу функциялуу өтө кичинекей аппараттык тездеткичке өткөрүү болуп саналат.

ECGде QRS комплекси жана R чокусу эмне үчүн тандалган?

Стандарттуу ECG цикли P толкунунан, QRS комплексинен, T толкунунан жана айрым учурларда U толкунунан турат. QRS комплекси карынчалардын деполяризациясы учурунда пайда болгон тез өзгөрүүлөрдү камтыйт. Өзгөчө R чокусунун айланасында сигналдын үлгүлөр арасындагы эңкейиши жогору.

Бул өзгөчөлүк биринчи же экинчи туундуга окшош жогорку өткөрүүчү операцияларга QRS аймагын төмөн жыштыктагы базалык сызык жылышына жана жайыраак P/T компоненттерине караганда күчтүүрөөк баса белгилөөгө мүмкүндүк берет.

Туруктуу [−1, 2, −1] Лаплас Өзөгү R Чокусун Эмне Үчүн Баса Белгилейт?

K = [−1, 2, −1] өзөгү үч ырааттуу ECG үлгүсүнүн дискреттик экинчи айырмасын эсептейт; жай өзгөргөн же туруктуу сигналдарда коңшу үлгүлөр бири-бирине жакын болгондуктан чыгыш кичирейет, R чокусу сыяктуу кескин убакыттык өзгөрүүлөрдө болсо ортоңку үлгүнүн коңшуларынан айырмасы чоңоюп, чыпканын чыгышы жогорулайт. Булактын жыштык анализи да чыпканын DCде нөл, жогорку жыштыкта чоңураак маанини берген жогорку өткөрүүчү жүрүм-турумун көрсөтөт.

Теңдеме (1): Туруктуу чыпка өзөгү

Булакта атайын аппараттын негизги өзөгү:

\[ K=[-1,\;2,\;-1] \tag{1} \]

түрүндө берилген.

Бул үч коэффициент trainable CNN салмактар топтому эмес. Булак тарабынан түздөн-түз аппаратка бекитилген үч tapтуу FIR/Лаплас өзөгү.

−1 коэффициенти аппараттык көбөйткүчтү талап кылбайт; экинин толуктоочунда терс мааниге өткөрүү менен ишке ашырылат. 2 коэффициенти да жалпы максаттагы көбөйткүчтүн ордуна бир бит солго жылдыруу менен ишке ашырылат. Бул жөнөкөй коэффициент тандоосу бүт тездеткичтин архитектурасын аныктайт.

Теңдеме (2): Үч үлгүлүү дискреттик Лаплас

Тездеткич ар бир жылма терезеде эсептеген маани:

\[ y[n]=-x[n-1]+2x[n]-x[n+1] \tag{2} \]

түрүндө.

Бул жерде:

• x[n−1]: мурунку ECG үлгүсү,
• x[n]: борбордук ECG үлгүсү,
• x[n+1]: кийинки ECG үлгүсү,
• y[n]: Лаплас өзгөчөлүгүнүн чыгышы.

Туруктуу же өтө жай өзгөргөн сигналда үч коңшу маани бири-бирине жакын болсо −x[n−1] + 2x[n] − x[n+1] болжол менен нөлгө жакындайт. Ортоңку үлгү коңшуларынан так айырмаланса, натыйжа чоңоёт. Ошондуктан бул туюнтма ECGдеги жогорку ийрилик/курчтук аймактарына сезгич.

Теңдеме (3): Программалануучу босого чечими

Лаплас чыгышы андан кийин программалануучу T босогосу менен салыштырылат:

\[ result[n]= \begin{cases} 0, & y[n] < T \\ 1, & y[n] \geq T \end{cases} \tag{3} \]

Натыйжа бир гана бит. 0 босого ашпаганын; 1 Лаплас өзгөчөлүгү программаланган босого барабар же андан чоң экенин билдирет.

Бул жерде маанилүү чектөө бар: алгоритм татаал көп класстуу аритмия классификатору эмес. Ал бир туруктуу жогорку өткөрүүчү өзгөчөлүктү бир босого салыштыруусу менен бириктирген экилик чечим системасы.

Теңдеме (4): Чыпканын z-трансформациясы

Булак үч tapтуу симметриялуу FIR чыпкасынын z-трансформациясын:

\[ H(z)=-z+2-z^{-1} = 2-(z+z^{-1}) \tag{4} \]

түрүндө берет.

Бул көрсөтүү чыпканы үч арифметикалык операция катары гана эмес, дискреттик убакыттагы сызыктуу система катары да талдоого мүмкүндүк берет.

Теңдеме (5): Жыштыктык жооп

Бирдиктик айланада \(z=e^{j\omega}\) деп жазылганда:

\[ H(e^{j\omega}) = 2-2\cos\omega = 4\sin^2(\omega/2) \tag{5} \]

алынат.

Туюнтма чыныгы жана терс эмес чоңдук. \(\omega=0\) үчүн:

\[ H(e^{j0})=0 \]

болот. Демек DC компоненти басылат.

Төмөн жыштыктарда \(\sin(\omega/2)\approx\omega/2\) болгондуктан:

\[ H(e^{j\omega})\approx\omega^2 \]

жакындашуусу пайда болот. Булак муну базалык сызык жылышы сыяктуу өтө төмөн жыштыктагы компоненттердин максаттуу QRS тилкесине салыштырмалуу күчтүү басылышы менен байланыштырат.

\(\omega\) нөлдөн Nyquist жыштыгына карай көбөйгөн сайын туюнтма монотондуу өсүп, \(\omega=\pi\) чекитинде өткөрүү чоңдугу 4кө жетет. Булак тексти бул чекитти “maximum power gain of 4” деп атайт; Verianla бул сөз айкашын булактан тышкаркы кубат-квадрат эсебине айландырган эмес жана көрсөтүлгөн Теңдеме (5)ти ошол бойдон негиз кылат.

1 Hz менен 10 Hz ортосундагы болжол менен 40 dB айырма кайдан чыгат?

MIT-BIH жазуулары 360 Hz үлгүлөө жыштыгына ээ. Булак Теңдеме (5)ти колдонуп, 1 Hz үчүн:

\[ |H(e^{j\omega})|_{1Hz} \approx 3.05\times10^{-4} \]

жана 10 Hz үчүн:

\[ |H(e^{j\omega})|_{10Hz} \approx 3.04\times10^{-2} \]

маанилерин берет.

Эки чоңдуктун ортосундагы болжол менен 100 эселик катыш амплитуда катышы dB менен бааланганда болжол менен 40 dB айырма түзөт. Булак муну QRS энергия тилкесинин 1 Hz тегерегиндеги базалык сызык компоненттерине каршы күчтүү баса белгиленишинин математикалык көрсөткүчү катары колдонот.

Теңдеме (6): N-bit кирүүдө эң начар учурдагы бит өсүшү

Ар бир ECG үлгүсү экинин толуктоочунда белгилүү N-bit бүтүн сан деп кабыл алынат:

\[ x[n]\in[-2^{N-1},\;2^{N-1}-1] \]

Өзөктүн L1 нормасы:

\[ ||K||_1=|-1|+|2|+|-1|=4 \]

болгондуктан булак чыгыштын абсолюттук маанисин:

\[ |y[n]| \leq ||K||_1\max_n|x[n]| \leq 4\times2^{N-1} = 2^{N+1} \tag{6} \]

менен чектейт.

Бул эсеп арифметикалык маалымат жолу эмне үчүн кириш кеңдигине тең кармалбаганын түшүндүрөт. Дизайн ар бир N-bit үлгүнү иштетүүдөн мурда N+2 битке белги кеңейтет. Ошентип терс мааниге өткөрүү, бир бит солго жылдыруу жана үч мүчөнү кошуу учурунда толуп кетүү коркунучу азаят жана булак жарактуу кириш тизмектери үчүн bit-exact эсеп жүргүзүлөрүн билдирет.

Экинин толуктоочунда терс мааниге өткөрүү кантип ишке ашырылат?

Экинин толуктоочунда сандын терс мааниси биттерди тескери кылып, 1 кошуу менен алынат:

\[ -x=\overline{x}+1 \]

Булак кириш N bit болуп, алгач N+2 битке кеңейтилгендиктен жарактуу кириш диапазонунда терс мааниге өткөрүүдө көрсөтүлбөй турган минимал мааниге жетилбей турганын билдирет.

2ге көбөйтүү эмне үчүн чыныгы көбөйткүч талап кылбайт?

Экилик бүтүн сан көрсөтүүсүндө 2ге көбөйтүү бир бит арифметикалык солго жылдыруу менен ишке ашырылат:

\[ 2x[n]=x[n]\ll1 \]

Ошондуктан 2 коэффициенти үчүн multiplier уячасы колдонулбайт; операция негизинен зымдоо жана бит позициялоо менен аткарылат.

PicoRV32 эмне үчүн тандалган?

PicoRV32 кичине кремний аянтын көздөгөн 32 bit RISC-V процессор өзөгү. Булак орточо CPI маанисин болжол менен 4 деп көрсөтөт. Архитектура татаал bus протоколдорунун ордуна жөнөкөй native memory interface колдонот.

Бул изилдөөдө процессор негизги RV32I конфигурациясында гана колдонулган. Аппараттык multiply/divide M-extension жана Pico Co-Processor Interface (PCPI) өчүрүлгөн. Ошентип системанын CPU тарабында да чоң көп биттүү аппараттык көбөйткүчтөр колдонулган эмес.

MMIO маалымат жолу кандай иштейт?

PicoRV32нин native эс тутум интерфейсинде алты негизги сигнал колдонулат:

• mem_valid,
• mem_ready,
• mem_addr,
• mem_wdata,
• mem_wstrb,
• mem_rdata.

Процессор окууну же жазууну баштаганда mem_valid сигналын жана максаттуу даректи чыгарат. Тиешелүү перифериялык блок операция бүткөндө mem_ready сигналын көтөрөт.

Бул дизайндын маанилүү өзгөчөлүгү — тездеткич үчүн жаңы атайын RISC-V командасы кошулган эмес. Тездеткич стандарттуу LW жана SW жүктөө/сактоо командалары аркылуу кадимки эс тутумга карталанган периферия катары башкарылат.

Булактын эс тутум картасында тездеткич блоктун аты ECG_CNN_ACC катары көрсөтүлгөн. Ошого карабастан бул макаладагы математикалык функция үйрөтүлүүчү CNN эмес; булак тездеткичти туруктуу үч tapтуу FIR/Лаплас чыпкасы катары сүрөттөйт.

Тездеткичтин өз регистрлери

Firmware алгач T босогосун программалайт, андан кийин жылма терезедеги үч үлгүнү регистрлерге жазып, RESULT регистрин окуйт.

Бир циклдүү тездеткич менен эки циклдүү MMIO операциясынын айырмасы

Булакта тездеткичтин арифметикалык маалымат жолу комбинациялык түрдө бир саат цикли ичинде натыйжа бере тургандай долбоорлонгон. Бирок MMIO интерфейси timing closure кепилдөө үчүн бир wait-state кошот.

Ички pending регистри acc_ready/mem_ready сигналын mem_valid көтөрүлгөндөн так бир цикл кийин чыгарат. Ошондуктан sample жазуу же feature окуу MMIO операциясы эки саат циклин алат.

Демек “single-cycle arithmetic” менен “two-cycle memory transaction” ар башка катмарлардагы кечигүүлөр болуп саналат жана бири-бирине каршы келбейт.

Көбөйткүчсүз Тездеткич Аппараттык Татаалдыкты Кантип O(N)ге Түшүрөт?

Жалпы үч tapтуу MAC чыпкасы программалануучу коэффициенттер үчүн N×N bit көбөйткүчтөрдү талап кылгандыктан ар бир көбөйткүч болжол менен O(N²) логикалык татаалдыкка ээ; бул изилдөөдөгү туруктуу −1 жана 2 коэффициенттери болсо терс мааниге өткөрүү жана зымдуу бит жылдыруу менен гана ишке ашырылат. Натыйжада N менен сызыктуу өсүүчү кошкуч жана терс мааниге өткөрүү логикасы калат, ошондуктан булак сунушталган чыпка жолун болжол менен O(4N) FAE менен туюнтат.

Full-Adder Equivalent эмнени билдирет?

Булак аппараттык татаалдыкты технологиялык процесстен көз карандысыз салыштыруу үчүн Full-Adder Equivalent (FAE) түшүнүгүн колдонот. Максат реалдуу транзисторлордун санын бирден эсептөө эмес, ар башка арифметикалык түзүлүштөр талап кылган негизги комбинациялык уячалардын саны N менен кандай масштабданарын салыштыруу.

Стандарттуу N×N signed array multiplier үчүн болжол менен O(N²) FAE керек. Үч tapтуу салттуу MAC түзүлүшүндө үч көбөйткүч жана эки кошкуч болгондуктан булак болжол менен:

\[ O(3N^2+2N) \]

татаалдыгын колдонот.

Сунушталган туруктуу өзөктө болсо:

• 3 N×N көбөйткүч → 0,
• 1 бит жылдыруу → зымдоо, O(1),
• 2 терс мааниге өткөрүү → O(N),
• 2 N-bit кошкуч → O(N)

болгондуктан болжол менен:

\[ O(4N) \]

татаалдык алынат.

N = 12–16 bit биомедициналык ADC кеңдиктери үчүн булак бир signed array multiplier болжол менен 144–256 FAE, бүтүндөй сунушталган өзгөчөлүк бөлүп алуу маалымат жолу болсо болжол менен 48–64 FAE талап кыларын билдирет.

Мындан улам чыпкалоо баскычында болжолдуу комбинациялык логика аянтынын азайышы болжол менен 3×–4× деп берилет. Бул сан өзүнчө физикалык multiplier аянтынын кремний микрографынан түз өлчөнгөн катыш эмес; FAE негизиндеги архитектуралык татаалдык баасы.

Программалык камсыздоо–аппарат иш бөлүштүрүү

RISC-V өзөгү системаны башкарууну, UART байланышын, эс тутумга жетүүнү, босогону программалоону жана натыйжаларды hostко жөнөтүүнү башкарат. Тездеткич болсо үч үлгүлүү чыпканы жана босого чечимин аткарат.

Бул бөлүштүрүү CPUда тынымсыз чыпка эсептөө менен толугу менен туруктуу функциялуу ASIC түзүүнүн ортосундагы орто чекит: программа агымы программалык камсыздоо менен өзгөртүлөт, кайталануучу арифметика болсо атайын аппаратка көчүрүлгөн.

Boot процесси

Resetтен кийин PicoRV32 512 байттык bootloader ROMдон иштей баштайт. Bootloader UART baud-rate генераторун номиналдуу 100 MHz системалык саатта 115.200 baud үчүн конфигурациялап, host синхрондошуусун күтөт.

Hostтон колдонмо binary келгенде код 4 kB SRAMга жазылып, checksum текшерилет жана аткаруу SRAM базалык дарегине өткөрүлөт.

Post-silicon тестинде колдонулган bare-metal firmware сүрөтү 460 байт, башкача айтканда 115 даана 32 bit word өлчөмүндө.

MIT-BIH маалымат топтому кантип колдонулган?

MIT-BIH Arrhythmia Database жалпысынан 48 жарым сааттык амбулатордук ECG жазуусун камтыйт жана 360 Hz де үлгүлөнгөн. Бирок бул изилдөө бардык 48 жазууну колдонгон эмес.

Баалоо үчүн беш жазуу тандалган:

Normal жана Anormal класстары кантип түзүлгөн?

Булак AAMI EC57 ыкмасына ылайык MIT-BIH beat annotation белгилерин экилик класстарга дал келтирген.

Башка beat түрлөрү баалоодон чыгарылган.

Ар бир сокку үчүн колдонулган терезе

Ар бир жарактуу beat кардиолог белгилеген R чокусуна салыштырмалуу 144 үлгүлүү терезеге бөлүнгөн. Терезе:

• R чокусунан мурда 250 ms,
• R чокусунан кийин 150 ms

болуп, жалпы 400 ms аймакты камтыйт. 360 Hz үлгүлөө жыштыгында бул убакыт 144 үлгүгө туура келет.

Программалык эталондун классификация көрсөткүчү

Precision, класс катары белгиленген үлгүлөрдүн канчасы чындап ошол класска таандык экенин; recall, чыныгы класс үлгүлөрүнүн канчасы кармалганын; F1-score болсо precision менен recall ортосундагы тең салмакты билдирет.

Булак бул метрикалардын математикалык формулаларын өзүнчө бербегендиктен Verianla бул жерде булактан тышкары номерленген теңдеме кошкон эмес.

Программалык эталондун ката матрицасы

Эң басымдуу ката режими anormal beatти Normal катары өткөрүп жиберүү. Anormal beatтердин %6,3ү өткөрүлүп жиберилсе, Normal beatтердин %2,5и жаңылыш аномалия катары белгиленген.

Булак муну бир туруктуу жогорку өткөрүүчү өзгөчөлүк + бир босого чечиминин чектелген айырмалоо жөндөмү менен байланыштырат.

%95,88 Кремний Тактыгы Эмне Үчүн Бейтаптар Аралык Жалпылоо Эмес?

Анткени баалоодо ар бир MIT-BIH жазуусу үчүн чечим босогосу ошол эле бейтаптын өз энбелгилери менен өзүнчө калибрленген; демек натыйжалар белгисиз жаңы бейтапка туруктуу босого менен түз жалпыланган көрсөткүчтү эмес, бейтап/жазуу-өзгөчө калибрлөөдөн кийинки экилик Normal/Abnormal көрсөткүчүн өлчөйт.

Булак бейтап-өзгөчө босого калибрлөөсү колдонулганын ачык айтат, бирок бул PDF ичинде T босогосунун так сандык маанилерин же ар бир жазуу үчүн кайсы оптималдаштыруу эрежеси менен тандалганын кеңири билдирбейт. Бул маалымат Verianla тарабынан божомолдонгон эмес.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Төрт баскычтуу текшерүү чынжыры

Изилдөө бир гана симуляция натыйжасына негизделбейт. Текшерүү төрт баскычтан турат:

1. MIT-BIH үстүндө программалык golden-model классификация текшерүүсү,
2. Artix-7 FPGA прототиптөө жана hardware/software биргелешкен иш текшерүүсү,
3. 180 nm CMOS RTL→GDSII физикалык ишке ашыруу жана tape-out,
4. пакеттелген кремний үстүндө PCB, UART, электр кубаты жана ECG тактык өлчөөлөрү.

FPGA прототиби

ASIC tape-outтан мурда бүт SoC Xilinx Artix-7 Arty A7-35T платформасында прототиптелген. Максаттуу саат жыштыгы 100 MHz.

MIT-BIH ECG терезелери UART аркылуу FPGA прототибине өткөрүлүп, аппараттык тездеткич тест жазууларында программалык golden model менен bit-exact эквиваленттүүлүк көрсөткөн.

FPGA адабият салыштыруусун эмне үчүн этият окуу керек?

Сунушталган системанын 15,9 ms FPGA кечигүүсү чыпканын маалымат жолунун гана кечигүүсү эмес. Булак бул host UART үлгү өткөрүүнү, MMIO синхрондоштурууну, firmware команда аткарууну жана классификация натыйжасын окууну камтыган баштан-аяк системалык убакыт экенин так айтат.

Башка изилдөөлөр ар башка тапшырмаларды, алгоритмдерди жана кечигүү аныктамаларын колдонгондуктан, бул таблицадагы убакыттарды түздөн-түз “эң ылдам алгоритм” рейтингиндей окууга болбойт.

ASIC физикалык дизайн агымы

FPGA текшерүүдөн кийин ошол эле RTL архитектурасы коммерциялык 180 nm CMOS процессинде толук физикалык ASIC агымына өткөрүлгөн.

Колдонулган EDA куралдары

Физикалык чип натыйжалары

Post-layout үчүн болжолдонгон 29,89 mW менен реалдуу кремнийде өлчөнгөн 25,2 mW айырмаланышы керек. Биринчиси физикалык дизайндан кийинки симуляция, экинчиси өндүрүлгөн чиптеги өлчөө.

Post-silicon тест системасы

Өндүрүлгөн die QFP-160 корпусуна салынып, атайын PCBге орнотулган. PCB кубат линияларын, clock/reset, UART жана GPIO/debug LED байланыштарын сыртка чыгарат.

Host компьютерде иштеген атайын Python 3.10.12 тест программасы чип менен 115.200 baud UART аркылуу байланышкан.

Тест программасы булакта төрт иш режимин камтыйт:

• firmware программалоо + жандуу ECG streaming,
• GPIO/LED toggle тести,
• UART logging,
• diagnostic reset.

400 үлгүлүү физикалык функционалдык тест

Биринчи кремний функционалдык тестинде чипке 400 үлгүлүү ECG диагностикалык терезеси жөнөтүлгөн. Алгачкы 200 үлгү normal beat, кийинки 200 үлгү anormal beat аймагы.

Булакта алгачкы normal аймакта жалган оң натыйжа болбогону, anormal аймактагы курч R чокусунан sliding-window өткөндө тездеткич катары менен эки оң flag чыгарганы өлчөнгөн.

Бул байкоо чыныгы өлчөнгөн ECG толкун формасына негизделет. Verianla булак raster графигиндеги чийки үлгү маанилери таблицага берилбегендиктен ошол эле толкун формасын жасалма тактык менен кайра чыгарбайт.

Реалдуу кремний менен программалык камсыздоонун тактыгы

Кремний менен калкыма чекиттүү программалык эталондун жалпы айырмасы болгону алты beat. Булак бул айырма тездеткич арифметикасындагы тегеректөөдөн эмес экенин билдирет; маалымат жолу N+2 битке кеңейтилгендиктен ички чыпка арифметикасында бит жоготуу жок.

Айырманын себеби программалык камсыздоо floating-point үлгүлөр менен, чип болсо туруктуу чекиттүү квантталган кириштер жана квантталган босого менен иштейт. Босого чек арасына абдан жакын beatтерде бул кичине көрсөтүү айырмасы экилик чечимди өзгөртүшү мүмкүн.

217-жазуу эмне үчүн төмөнүрөөк тактык берди?

217-жазууда кремний тактыгы %87,89га түшкөн. Бул жазуу жалгыз өзү жалпы 428 кремний катасынын 236сын, болжол менен %55ин түзөт.

Булак муну жазуунун аралаш beat курамы жана бир жогорку өткөрүүчү өзгөчөлүктөгү жалгыз босого айрым морфологияларды Normal класстан ишенимдүү ажырата албаганы менен байланыштырат.

Бул табылга туруктуу Лаплас тездеткич күчтүү болгон тапшырманын чегин да көрсөтөт: система QRS/R-чокусу айланасындагы жогорку убакыттык градиенттерди өтө төмөн аппараттык татаалдык менен кармайт; бирок CNN сыяктуу көп сандагы үйрөнүлгөн өзгөчөлүктөрдү колдонбойт.

Кубат өлчөөлөрү

Кубат 100 MHz де VDD = 1,0–2,0 V аралыгында active, idle жана sleep абалдары үчүн физикалык кремнийде өлчөнгөн.

Булак текстте так берген айрым өлчөө чекиттери:

Булак active жана idle кубат чыңалуу көбөйгөн сайын жалпысынан өсөрүн, 1,9 V тегерегинде чокуга жеткенден кийин 2,0 V чекитинде бир аз азаярын билдирет.

Булактын толук кубат ийри сызыгынын бардык сандык чекиттери таблицада берилбегендиктен Verianla графиктин аралык чекиттерин сүрөттөн окуп, так маалымат катары кайра чыгарган эмес.

178,9 µJ активдүү энергия кантип алынат?

Булак 400 үлгүлүү терезе үчүн баштан-аяк кремний иштетүү убактысын 7,1 ms деп берет. Өлчөнгөн активдүү кубат 25,2 mW болгондуктан энергия:

\[ E=P\times t \]

негизги байланышы менен каралганда:

\[ 25.2\;mW\times7.1\;ms \approx178.9\;\mu J \]

болот.

Бул \(E=P\times t\) туюнтмасы булакта өзүнчө номерленген теңдеме эмес; бул жерде булак билдирген 178,9 µJ маанисинин физикалык маңызын түшүндүрүү үчүн колдонулган негизги энергия байланышы.

CR2032 менен 25 күн иштөө чыныгы батарея тести болуп саналабы?

Жок. Булак муну болжолдуу duty-cycled колдонуу сценарийи катары берет.

Сценарийде SoC көбүнчө 44 nA терең уйкуда калып, мезгил-мезгили менен буферленген ECG терезелерин иштетүү үчүн гана ойгонору жана орточо кубат болжол менен 1 mW деңгээлине түшөрү болжолдонот.

220 mAh, 3,0 V жана болжол менен 2376 J энергиясы бар стандарттуу CR2032 элемент үчүн булак ушул божомол менен 600 сааттан ашык, болжол менен 25 күндүк мониторинг убактысын күтөт.

Бул сан физикалык CR2032 менен жүргүзүлгөн узак мөөнөттүү батарея разряд тести эмес.

180 nm ASIC адабият салыштыруусу

Бул салыштыруу “бул изилдөө башкалардын баарынан жакшы” деген мааниде окулбашы керек. Булак алгоритмдердин жана тапшырма камтууларынын ар башка экенин өзгөчө белгилейт.

Lee жана кесиптештеринин 1D-CNN чипи 0,102 mW менен кыйла төмөн активдүү кубат керектесе, бул изилдөөнүн 25,2 mW SoC системасы жогору саат жыштыгына жана кыскараак абсолюттук системалык кечигүүгө багытталган.

Hoyer жана кесиптештеринин кыскараак кечигүүсү болсо реалдуу кремний өлчөөсү эмес, симуляцияланган cycle countтардан чыгарылган.

Изилдөө колдогон натыйжалар

• K = [−1, 2, −1] туруктуу Лаплас өзөгү ECG QRS/R-чокусу айланасындагы тез убакыттык өзгөрүүлөрдү төмөн жыштыктагы базалык сызык компоненттерине салыштырмалуу баса көрсөтө алат.
• Туруктуу коэффициенттердин аркасында аппараттык multiplierлерди алып салууга жана чыпка маалымат жолун болжол менен O(N) комбинациялык татаалдыкка түшүрүүгө болот.
• PicoRV32 менен атайын тездеткич стандарттуу MMIO аркылуу ошол эле SoC ичинде бириктириле алат.
• FPGA прототиби программалык golden model менен bit-exact өзгөчөлүк бөлүп алууну көрсөткөн.
• 180 nm CMOSто физикалык чип өндүрүү, DRC/LVS, logic equivalence жана post-layout timing closure аяктаган.
• Өндүрүлгөн кремний чыныгы MIT-BIH ECG жазууларында UART аркылуу иштетилген.
• Бейтап/жазуу-өзгөчө босого калибрлөөсү менен беш жазууда 10.393 beat боюнча %95,88 кремний тактыгына жетишилген.
• Программалык камсыздоо менен кремнийдин ортосунда болгону алты beat айырма бар.
• 1,8 V жана 100 MHz де 25,2 mW активдүү кубат жана 1,0 V терең уйкуда 44 nW агып кетүү өлчөнгөн.

Изилдөө колдобогон натыйжалар

Бул изилдөө %95,88 тактык мурда көрүлбөгөн бейтаптарда да ошол эле түрдө алынарын далилдебейт. Ар бир жазуунун чечим босогосу өз энбелгилерине жараша калибрленген.

Изилдөө аритмиянын бардык түрүн классификациялаган көп класстуу диагностикалык система эмес. Колдонулган белгилөө Normal жана белгилүү Anormal beat топторуна бөлүнгөн экилик түзүлүш; башка beat түрлөрү баалоодон тышкары.

Изилдөө чийки ECGдеги бардык ызы-чуу жана кыймыл артефакттарын чечпейт. Булак кириш сигналы стандарттуу алдын ала иштетүүдөн өткөн деп болжолдойт.

Изилдөө перспективдүү клиникалык бейтап изилдөөсү эмес. MIT-BIH маалымат базасынын жазуулары чипте кайра ойнотулуп, лабораториялык шартта сыналган.

Изилдөө жалпы максаттагы CNN бардык тапшырмаларда керексиз экенин көрсөтпөйт. Булак туруктуу Лаплас түзүлүшү так жана жакшы аныкталган QRS/R-чокусу морфологиясы тапшырмасы үчүн ылайыктуу экенин, бирок trainable CNN сыяктуу жалпы эмес экенин баса белгилейт.

Негизги чектөөлөр

• Болгону беш MIT-BIH жазуусу жана 10.393 beat бааланган.
• Босого ар бир жазуу үчүн өз энбелгилери менен калибрленген.
• Босого тандоо процедурасынын деталдуу оптималдаштыруу алгоритми жана ар бир жазуу үчүн T маанилери PDFде берилген эмес.
• Башка MIT-BIH beat түрлөрү экилик баалоого киргизилген эмес.
• Туруктуу K = [−1, 2, −1] өзөгүн аппаратты өзгөртпөстөн башка морфологиялык эмес аритмия класстарына ылайыкташтырууга болбойт.
• Жалгыз босого өзгөчө 217-жазуу сыяктуу аралаш морфологиясы бар жазууларда чектелген айырмалоо жөндөмүн көрсөткөн.
• Чийки жогорку жыштыктагы EMG ызы-чуусу жана кыймыл артефакттары үчүн стандарттуу алдын ала иштетүү болжолдонгон.
• Активдүү 25,2 mW кубат тездеткичке гана эмес, CPU, SRAM жана UART камтылган бүт SoC системасына тиешелүү.
• CR2032 иштөө мөөнөтү чыныгы узак мөөнөттүү батарея тести эмес, duty-cycled кубат божомолуна негизделген сценарий.

Келечектеги иш пландары

Булакта келечекте системага төмөн кубаттуу санариптик алдын ала чыпкалоо жана адаптивдүү босого механизмдерин кошуу пландалууда. Максат чийки жана ызы-чуулуу клиникалык чөйрөлөргө түзүрөөк жакындоо.

Ошондой эле Dynamic Frequency Scaling (DFS) үчүн эс тутумга карталанган программалануучу clock divider жана чип үстүндөгү төмөн түшүүчү регулятор (LDO) кошуу сунушталат.

Дагы бир максат — туруктуу үч tap түзүлүшүн жергиликтүү shift-and-add иштетүү элементтерин колдонгон конфигурациялануучу N-tap тездеткичке кеңейтүү жана көбөйткүчсүз дизайн философиясын сактоо менен кеңири аномалия класстарына жакындашуу.

Бул өзгөчөлүктөр учурдагы чипте ишке ашырылган натыйжалар эмес, макаланын келечектеги иш сунуштары.

Натыйжанын туура инженердик мааниси

Бул изилдөөнүн негизги жетишкендиги ECG классификациясында эң татаал алгоритмди колдонуу эмес, белгилүү бир морфологиялык өзгөчөлүктүн математикалык түзүлүшүн пайдаланып атайын аппаратты өтө жөнөкөйлөтүү.

QRS/R-чокусу айланасындагы курч экинчи айырманы туруктуу Лаплас чыпкасы менен бөлүп алууга болору жалпы максаттагы көбөйткүчтөрдү жана чоң MAC массивдерин алып салууга мүмкүнчүлүк берет. PicoRV32 болсо бул атайын маалымат жолунун айланасында программалануучу системалык башкарууну камсыз кылат.

Натыйжада изилдөө RISC-V программалануу мүмкүнчүлүгү менен өтө жөнөкөй domain-specific тездетүүнү бир SoC ичинде бириктирүү реалдуу кремнийде ишке ашырылуучу экенин көрсөтөт.

Мунун ордуна системанын алгоритмдик жалпылыгы чектелген. Бул архитектура белгилүү бир биосигнал өзгөчөлүгү үчүн аз аянтты жана детерминисттик иштетүү жолун артык көрөт; көп катмарлуу үйрөнүлүүчү тармактар берген кеңири классификация ийкемдүүлүгүн камсыз кылбайт.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска аталыш: A Low-Power PicoRV32-Based SoC with an Integrated Hardware Accelerator for Real-Time ECG R-Peak Anomaly Detection in 180-nm CMOS

Авторлор: Phu-Cuong Le; Duc-Hung Le; Cong-Kha Pham.

Авторлордун ирети: Булактагы ирет өзгөртүлбөй сакталган.

Тең салым: Булакта тең биринчи авторлук же тең салым жөнүндө билдирүү жок.

Жооптуу авторлор: Phu-Cuong Le жана Cong-Kha Pham.

Мекеме 1: Department of Computer and Network Engineering, The University of Electro-Communications (UEC), Tokyo, Japan.

Мекеме 2: Institute of System Integration, Le Quy Don Technical University (LQDTU), Hanoi, Vietnam.

Мекеме 3: Faculty of Electronics and Telecommunications, The University of Science, Vietnam National University Ho Chi Minh City, Ho Chi Minh City, Vietnam.

Журнал: Chips.

Басмакана: MDPI, Basel, Switzerland.

Том / сан / макала номери: 5 / 4 / 34.

DOI: 10.3390/chips5040034.

Алынган күнү: 31 август 2026.

Ревизия күнү: 28 сентябрь 2026.

Кабыл алынган күнү: 30 сентябрь 2026.

Жарыяланган күнү: 5 октябрь 2026.

Булак түрү: Түпнуска изилдөө макаласы; алгоритм анализин, FPGA прототибин, физикалык ASIC ишке ашырууну жана post-silicon лабораториялык текшерүүнү камтыйт.

Рецензия абалы: Chips — эл аралык рецензияланган жана ачык жеткиликтүү илимий журнал.

Расмий жарыя: MDPI, Chips; DOI 10.3390/chips5040034.

Версия эскертүүсү: Жүктөлгөн булак 20 беттик жарыяланган макала PDFи. MDPI веб-жазуусу учурдагы текшерүүдө кошумча “early access version” эскертүүсүн көрсөтөт; библиографиялык идентификация маалыматтары PDF менен дал келет.

Лицензия: Creative Commons Attribution — CC BY.

Негизги ыкма: Туруктуу K = [−1, 2, −1] дискреттик Лаплас/FIR өзгөчөлүк бөлүп алуу; программалануучу босого; PicoRV32 RV32I MMIO башкаруу; FPGA прототиби; 180 nm CMOS физикалык дизайн; post-silicon ECG жана кубат өлчөөлөрү.

Маалымат топтому: MIT-BIH Arrhythmia Database; баалоодо 100, 103, 107, 119 жана 217 жазуулары колдонулган.

Үлгү саны: 10.393 beat; 6107 Normal жана 4286 Anormal.

Үлгүлөө жыштыгы: 360 Hz.

Beat терезеси: 144 үлгү; R чокусунан 250 ms мурда жана 150 ms кийин.

Класс дал келтирүү: Normal = N, L, R, e, j; Anormal = V, E, /. Башка beat түрлөрү чыгарылган.

Босого калибрлөөсү: Бейтап/жазуу боюнча жүргүзүлгөн. Булак так босого маанилерин же деталдуу оптималдаштыруу процедурасын билдирбейт.

FPGA: Xilinx Artix-7, Arty A7-35T; максат 100 MHz.

ASIC процесси: Коммерциялык 180 nm CMOS.

Активдүү өзөк аянты: 0,936 mm².

Standard-cell саны: 9373.

Жайгаштыруу тыгыздыгы: %75,2.

Core supply: nominal 1,8 V.

I/O supply: 3,3 V.

Корпус: QFP-160.

Өлчөнгөн активдүү кубат: 25,2 mW @ 1,8 V, 100 MHz.

Өлчөнгөн уйку агып кетүүсү: 44 nA / 44 nW @ 1,0 V.

Өлчөнгөн кремний тактыгы: %95,88 — 9965 / 10.393 beat.

Программалык эталон: %95,94 — 9971 / 10.393 beat.

Программалык камсыздоо–кремний айырмасы: 6 beat, 0,06 пайыздык пункт.

Баштан-аяк кремний терезе убактысы: 7,1 ms / 400 үлгүлүү терезе.

Активдүү терезе энергиясы: болжол менен 178,9 µJ.

Каржылоо: Japan Science and Technology Agency (JST), Networked Exchange, United Strength for Stronger Partnerships between Japan and ASEAN (NEXUS), Grant JPMJNX25D4.

Acknowledgments бөлүмүндөгү кошумча колдоо: Булак ошондой эле National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED), Vietnam, Grant NĐT/JP/26/01 колдоосун ыраазычылык бөлүмүндө белгилейт.

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Билдирилген натыйжаларды колдогон маалыматтарды негиздүү суроо боюнча жооптуу автордон алууга болору айтылган.

Институционалдык этика кеңеши: Колдонулбайт.

Маалыматтуу макулдук: Колдонулбайт.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен.

Автордук салымдар: Концептуалдаштыруу: Phu-Cuong Le жана Cong-Kha Pham. Ыкма: Phu-Cuong Le. Программалык камсыздоо: Phu-Cuong Le. Текшерүү: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le жана Cong-Kha Pham. Формалдуу анализ: Phu-Cuong Le. Изилдөө: Phu-Cuong Le жана Duc-Hung Le. Ресурстар: Cong-Kha Pham. Маалыматтарды иреттөө: Phu-Cuong Le. Алгачкы долбоор: Phu-Cuong Le. Карап чыгуу жана редакциялоо: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le жана Cong-Kha Pham. Визуалдаштыруу: Phu-Cuong Le. Супервизия жана долбоорду башкаруу: Cong-Kha Pham. Каржылоону алуу: Cong-Kha Pham.

Негизги чечмелөө чеги: %95,88 тактык бейтап/жазуу-өзгөчө калибрлөө менен алынган жана бейтаптар аралык клиникалык жалпылоо натыйжасы эмес. Система стандарттуу алдын ала иштетилген ECG киришин болжолдойт жана туруктуу Лаплас + жалгыз босого түзүлүшү аритмиянын бардык түрүн камтыбайт.