PicoRV32 asosidagi chip ustidagi tizim (System-on-Chip, SoC), 32 bitli RV32I RISC-V protsessor yadrosi bilan elektrokardiogramma (ECG) signalida R-choʻqqisi va morfologik anomaliya belgilarini ajratib olish uchun moʻljallangan maxsus, ko‘paytirgichsiz apparat tezlatkichini bitta CMOS chipida birlashtiruvchi raqamli biosignalni qayta ishlash tizimidir. Tadqiqotdagi tezlatkich uch namunali qat’iy K = [−1, 2, −1] diskret Laplas yadrosi va dasturlanadigan chegara komparatoridan foydalanadi. Yadro koeffitsiyentlari faqat −1 va 2 bo‘lgani sababli umumiy maqsadli apparat ko‘paytirgichlari olib tashlangan; hisoblash ikkilik to‘ldiruvchida manfiylash, bir bit chapga siljitish va qo‘shish amallariga aylantirilgan.

Tizim faqat RTL yoki simulyatsiya darajasida qoldirilmagan. Avval dasturiy ta’minot etaloni va FPGA prototipi bilan tekshirilgan, so‘ng tijoriy 180 nm CMOS jarayonida fizik loyihalanib tape-out qilingan, QFP-160 korpusida real kremniyda maxsus PCB yordamida sinovdan o‘tkazilgan. Chipning faol yadro maydoni 0,936 mm², standard-cell soni 9373 va joylashtirish zichligi %75,2 dir. Maqsad 100 MHz bo‘lganida post-route RC tahlilida 101 MHz timing closure ga erishilgan va real kremniy 100 MHz da ishlatilgan.

MIT-BIH Arrhythmia Database dan tanlangan besh yozuvda jami 10.393 urish baholangan. Ishlab chiqarilgan chip ularning 9965 tasini to‘g‘ri tasniflab %95,88 Normal/Abnormal aniqlik ga erishgan. Xuddi shu ma’lumotda suzuvchi nuqtali dasturiy etalon %95,94 aniqlik bergan; kremniy bilan dasturiy ta’minot o‘rtasida atigi olti urish, ya’ni 0,06 foiz punkt farq kuzatilgan.

Biroq bu %95,88 qiymat umumiy aholi yoki ilgari ko‘rilmagan bemorlarga tegishli bemorlararo aniqlik emas. Har bir MIT-BIH yozuvi uchun chegara o‘sha bemor/yozuvning o‘z yorliqlari asosida kalibrlangan. Bundan tashqari, manba kirish ECG signali standart dastlabki qayta ishlashdan o‘tgan deb faraz qiladi. Shu sababli tadqiqotni xom, shovqinli ECG da mustaqil klinik tashxis qo‘yadigan tayyor taqiladigan tibbiy qurilmaning klinik validatsiyasi sifatida talqin qilish mumkin emas.

1,8 V yadro ta’minoti va 100 MHz da o‘lchangan faol quvvat 25,2 mW dir. Chuqur uyqu holatida 1,0 V da o‘lchangan sizib chiqish toki 44 nA, unga mos quvvat esa 44 nW dir. 400 namunali qayta ishlash oynasi uchun berilgan 7,1 ms uchdan-uchgacha vaqt va 25,2 mW faol quvvat birgalikda baholanganda manba taxminan 178,9 µJ faol qayta ishlash energiyasi ni hisoblaydi.

Tadqiqotning asosiy muammosi nima?

Taqiladigan ECG tizimlari yurak ritmini uzoq vaqt davomida kuzatishi kerak. Bu tizimlarda QRS kompleksi va ayniqsa R cho‘qqisi boshqa ECG komponentlariga qaraganda keskinroq va yuqori amplitudali vaqt o‘zgarishini ko‘rsatgani uchun urishni segmentlash va morfologik anomaliyani aniqlashda muhim belgi nuqtasidir.

Biroq taqiladigan qurilmada uzluksiz ishlaydigan murakkab CNN yoki umumiy maqsadli multiply-accumulate (MAC) dvigatellari kremniy maydoni, dinamik quvvat, xotiraga murojaat va protsessor sikllarini sarflaydi. Faqat dasturiy ta’minot ishlatadigan umumiy maqsadli mikrokontrollerda ham xuddi shu takroriy filtrlash amallari CPU ning doim faol qolishiga va instruction-fetch energiyasining ortishiga olib kelishi mumkin.

Tadqiqot yondashuvi tizim boshqaruvi, aloqa va dastur oqimini kichik RISC-V yadrosiga qoldirib, uzluksiz takrorlanadigan ECG xususiyatlarini ajratib olishni qat’iy funksiyali juda kichik apparat tezlatkichiga ko‘chirishdir.

ECG da QRS kompleksi va R cho‘qqisi nima uchun tanlangan?

Standart ECG sikli P to‘lqini, QRS kompleksi, T to‘lqini va ayrim hollarda U to‘lqinidan iborat. QRS kompleksi qorinchalar depolyarizatsiyasi vaqtida yuz beradigan tez o‘zgarishlarni o‘z ichiga oladi. Ayniqsa R cho‘qqisi atrofida signalning namunalar orasidagi qiyaligi yuqori.

Bu xususiyat birinchi yoki ikkinchi hosilaga o‘xshash yuqori o‘tkazuvchi amallarga QRS sohasini past chastotali bazaviy chiziq siljishi va sekinroq P/T komponentlariga nisbatan kuchliroq ajratib ko‘rsatish imkonini beradi.

Qat’iy [−1, 2, −1] Laplas Yadrosi R Cho‘qqisini Nega Ajratib Ko‘rsatadi?

K = [−1, 2, −1] yadrosi ketma-ket uchta ECG namunasining diskret ikkinchi ayirmasini hisoblaydi; sekin o‘zgaruvchi yoki doimiy signallarda qo‘shni namunalar bir-biriga yaqin bo‘lgani uchun chiqish kichrayadi, R cho‘qqisi kabi keskin vaqt o‘zgarishlarida esa markaziy namunaning qo‘shnilariga nisbatan farqi kattalashib, filtr chiqishi ortadi. Manbaning chastota tahlili ham filtrning DC da nol, yuqori chastotada esa kattaroq qiymat beruvchi yuqori o‘tkazuvchi xususiyatini ko‘rsatadi.

Tenglama (1): Qat’iy filtr yadrosi

Manbada maxsus apparatning asosiy yadrosi:

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

ko‘rinishida berilgan.

Bu uch koeffitsiyent trainable CNN vaznlar to‘plami emas. U manba tomonidan bevosita apparatga mahkamlangan uch tapli FIR/Laplas yadrosidir.

−1 koeffitsiyenti apparat ko‘paytirgichini talab qilmaydi; ikkilik to‘ldiruvchida manfiylash orqali amalga oshirilishi mumkin. 2 koeffitsiyenti ham umumiy maqsadli ko‘paytirgich o‘rniga bir bit chapga siljitish bilan bajarilishi mumkin. Shu oddiy koeffitsiyent tanlovi butun tezlatkich arxitekturasini belgilaydi.

Tenglama (2): Uch namunali diskret Laplas

Tezlatkichning har bir sirpanadigan oynada hisoblaydigan qiymati:

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

ko‘rinishidadir.

Bu yerda:

• x[n−1]: oldingi ECG namunasi,
• x[n]: markaziy ECG namunasi,
• x[n+1]: keyingi ECG namunasi,
• y[n]: Laplas xususiyati chiqishidir.

Doimiy yoki juda sekin o‘zgaruvchi signalda uchta qo‘shni qiymat bir-biriga yaqin bo‘lsa −x[n−1] + 2x[n] − x[n+1] taxminan nolga yaqinlashadi. Markaziy namuna qo‘shnilaridan aniq farq qilsa natija kattalashadi. Shu sababli ifoda ECG dagi yuqori egrilik/keskinlik sohalariga sezgir.

Tenglama (3): Dasturlanadigan chegara qarori

Laplas chiqishi keyin dasturlanadigan T chegarasi bilan taqqoslanadi:

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

Natija faqat bir bitdir. 0 chegara oshmaganini; 1 esa Laplas xususiyati dasturlangan chegaraga teng yoki undan katta ekanini bildiradi.

Bu yerda muhim cheklov bor: algoritm murakkab ko‘p sinfli aritmiya tasniflagichi emas. U bitta qat’iy yuqori o‘tkazuvchi xususiyat bilan bitta chegara taqqoslashini birlashtiruvchi ikkilik qaror tizimidir.

Tenglama (4): Filtrning z-o‘zgartirishi

Manba uch tapli simmetrik FIR filtrning z-o‘zgartirishini:

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

ko‘rinishida beradi.

Bu ifoda filtrni faqat uchta arifmetik amal sifatida emas, balki diskret vaqtli chiziqli tizim sifatida tahlil qilishga imkon beradi.

Tenglama (5): Chastota javobi

Birlik aylanasida \(z=e^{j\omega}\) deb yozilganda:

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

hosil bo‘ladi.

Ifoda haqiqiy va manfiy bo‘lmagan kattalikdir. \(\omega=0\) uchun:

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

bo‘ladi. Demak DC komponenti bostiriladi.

Past chastotalarda \(\sin(\omega/2)\approx\omega/2\) bo‘lgani uchun:

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

yaqinlashuvi hosil bo‘ladi. Manba buni bazaviy chiziq siljishi kabi juda past chastotali komponentlarning maqsad QRS diapazoniga nisbatan kuchli bostirilishi bilan bog‘laydi.

\(\omega\) noldan Nyquist chastotasiga qarab oshgani sari ifoda monoton ortadi va \(\omega=\pi\) nuqtasida uzatish kattaligi 4 ga yetadi. Manba matni bu nuqtani “maximum power gain of 4” deb ataydi; Verianla bu ifodani manbadan tashqari quvvat-kvadrat hisobiga aylantirmagan va ko‘rsatilgan Tenglama (5) ni aynan asos qilib olgan.

1 Hz bilan 10 Hz orasidagi taxminan 40 dB farq qayerdan keladi?

MIT-BIH yozuvlari 360 Hz namunalash chastotasiga ega. Manba Tenglama (5) dan foydalanib 1 Hz uchun:

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

va 10 Hz uchun:

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

qiymatlarini beradi.

Ikki kattalik orasidagi taxminan 100 martalik nisbat amplituda nisbati dB da baholanganda taxminan 40 dB farq beradi. Manba buni QRS energiya diapazonining 1 Hz atrofidagi bazaviy chiziq komponentlariga nisbatan kuchli ajratib ko‘rsatilishining matematik ko‘rsatkichi sifatida ishlatadi.

Tenglama (6): N-bit kirishda eng yomon holatdagi bit o‘sishi

Har bir ECG namunasi ikkilik to‘ldiruvchida ishorali N-bit butun son deb qabul qilinadi:

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

Yadroning L1 normasi:

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

bo‘lgani uchun manba chiqishning mutlaq qiymatini:

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

bilan chegaralaydi.

Bu hisob arifmetik ma’lumot yo‘li nega kirish kengligi bilan bir xil saqlanmaganini tushuntiradi. Dizayn har bir N-bit namunani qayta ishlashdan oldin N+2 bitga ishora kengaytiradi. Shu tariqa manfiylash, bir bit chapga siljitish va uch hadni qo‘shish vaqtida toshib ketish xavfi kamayadi va manba yaroqli kirish ketma-ketliklari uchun bit-exact hisoblash bajarilishini bildiradi.

Ikkilik to‘ldiruvchida manfiylash qanday amalga oshiriladi?

Ikkilik to‘ldiruvchida sonning manfiy qiymati bitlarni teskarilab, 1 qo‘shish orqali olinadi:

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

Manba kirish N bit bo‘lganida avval N+2 bitga kengaytirilgani sababli yaroqli kirish diapazonida manfiylash paytida tasvirlab bo‘lmaydigan minimal qiymatga yetilmasligini bildiradi.

2 ga ko‘paytirish nega haqiqiy ko‘paytirgich talab qilmaydi?

Ikkilik butun son tasvirida 2 ga ko‘paytirish bir bitli arifmetik chapga siljitish bilan bajarilishi mumkin:

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

Shu sababli 2 koeffitsiyenti uchun multiplier hujayrasi ishlatilmaydi; amal asosan simlash va bit joylashuvi bilan bajariladi.

PicoRV32 nima uchun tanlangan?

PicoRV32 kichik kremniy maydonini maqsad qilgan 32 bitli RISC-V protsessor yadrosidir. Manba o‘rtacha CPI qiymatini taxminan 4 deb ko‘rsatadi. Arxitektura murakkab bus protokollari o‘rniga oddiy native memory interface dan foydalanadi.

Bu tadqiqotda protsessor faqat asosiy RV32I konfiguratsiyasida ishlatilgan. Apparatiy multiply/divide M-extension va Pico Co-Processor Interface (PCPI) o‘chirib qo‘yilgan. Shu tariqa tizimning CPU tomonida ham katta ko‘p bitli apparat ko‘paytirgichlari ishlatilmagan.

MMIO ma’lumot yo‘li qanday ishlaydi?

PicoRV32 ning native xotira interfeysida oltita asosiy signal ishlatiladi:

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

Protsessor o‘qish yoki yozishni boshlaganda mem_valid signalini va maqsad manzilni hosil qiladi. Tegishli periferik blok amal tugagach mem_ready signalini ko‘taradi.

Bu dizaynning muhim xususiyati tezlatkich uchun yangi maxsus RISC-V buyrug‘i qo‘shilmaganidir. Tezlatkich standart LW va SW yuklash/saqlash buyruqlari bilan oddiy xotira-xaritalangan periferik qurilma sifatida boshqariladi.

Manbaning xotira xaritasida tezlatkich blokining nomi ECG_CNN_ACC sifatida berilgan. Shunga qaramay, ushbu maqoladagi matematik funksiya o‘qitiladigan CNN emas; manba tezlatkichni qat’iy uch tapli FIR/Laplas filtri deb ta’riflaydi.

Tezlatkichning o‘z registrlari

Firmware avval T chegarasini dasturlaydi, so‘ng sirpanadigan oynadagi uchta namunani registrlarga yozadi va RESULT registrini o‘qiydi.

Bir siklli tezlatkich bilan ikki siklli MMIO amali o‘rtasidagi farq

Manbada tezlatkich arifmetik ma’lumot yo‘li kombinatsion ravishda bir soat sikli ichida natija beradigan qilib loyihalangan. Biroq MMIO interfeysi timing closure ni kafolatlash uchun bitta wait-state qo‘shadi.

Ichki pending registr acc_ready/mem_ready signalini mem_valid ko‘tarilgandan aniq bir sikl keyin hosil qiladi. Shu sababli sample yozish yoki feature o‘qish MMIO amali ikki soat sikli oladi.

Shuning uchun “single-cycle arithmetic” va “two-cycle memory transaction” turli qatlamlardagi kechikishlar bo‘lib, bir-biriga zid emas.

Ko‘paytirgichsiz Tezlatkich Apparatiy Murakkablikni Qanday O(N) gacha Tushiradi?

Umumiy uch tapli MAC filtri dasturlanadigan koeffitsiyentlar uchun N×N bitli ko‘paytirgichlarni talab qilgani sababli har bir ko‘paytirgich taxminan O(N²) mantiqiy murakkablikka ega; bu tadqiqotdagi qat’iy −1 va 2 koeffitsiyentlar esa faqat manfiylash va simli bit siljitish bilan bajariladi. Natijada N bilan chiziqli o‘suvchi qo‘shuvchi va manfiylash mantig‘i qoladi, shu sababli manba taklif qilingan filtr yo‘lini taxminan O(4N) FAE bilan ifodalaydi.

Full-Adder Equivalent nimani anglatadi?

Manba apparat murakkabligini texnologik jarayondan mustaqil ravishda taqqoslash uchun Full-Adder Equivalent (FAE) tushunchasidan foydalanadi. Bu yerda maqsad haqiqiy tranzistorlar sonini bittalab hisoblash emas, turli arifmetik tuzilmalar talab qiladigan asosiy kombinatsion hujayralar sonining N bilan qanday masshtablanishini taqqoslashdir.

Standart N×N signed array multiplier uchun taxminan O(N²) FAE kerak. Uch tapli an’anaviy MAC tuzilmasida uchta ko‘paytirgich va ikkita qo‘shuvchi bo‘lgani uchun manba taxminan:

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

murakkabligidan foydalanadi.

Taklif qilingan qat’iy yadroda esa:

• 3 ta N×N ko‘paytirgich → 0,
• 1 ta bit siljitish → simlash, O(1),
• 2 ta manfiylash → O(N),
• 2 ta N-bit qo‘shuvchi → O(N)

bo‘lgani uchun taxminan:

\[ O(4N) \]

murakkablik olinadi.

N = 12–16 bit biotibbiy ADC kengliklari uchun manba bitta signed array multiplier taxminan 144–256 FAE, butun taklif qilingan xususiyat ajratish ma’lumot yo‘li esa taxminan 48–64 FAE talab qilishini bildiradi.

Shundan kelib chiqib, filtrlash bosqichida taxminiy kombinatsion mantiq maydoni kamayishi taxminan 3×–4× deb beriladi. Bu raqam alohida fizik multiplier maydonining kremniy mikrografidan bevosita o‘lchangan nisbat emas; FAE asosidagi arxitektura murakkabligi bahosidir.

Dasturiy ta’minot–apparat ish taqsimoti

RISC-V yadrosi tizim boshqaruvi, UART aloqasi, xotiraga kirish, chegarani dasturlash va natijalarni host ga yuborishni boshqaradi. Tezlatkich esa uch namunali filtrni va chegara qarorini bajaradi.

Bu taqsimot faqat CPU da uzluksiz filtr hisoblash bilan butunlay qat’iy funksiyali ASIC yaratish o‘rtasidagi o‘rta nuqtadir: dastur oqimini dasturiy ta’minot bilan o‘zgartirish mumkin, takroriy arifmetika esa maxsus apparatga ko‘chirilgan.

Boot jarayoni

Resetdan so‘ng PicoRV32 512 baytli bootloader ROM dan ishlashni boshlaydi. Bootloader UART baud-rate generatorini nominal 100 MHz tizim soatida 115.200 baud uchun sozlaydi va host sinxronizatsiyasini kutadi.

Host dan ilova binary si kelganda kod 4 kB SRAM ga yoziladi, checksum tekshiruvi bajariladi va bajarilish SRAM asosiy manziliga o‘tkaziladi.

Post-silicon sinovida ishlatilgan bare-metal firmware tasviri 460 bayt, ya’ni 115 ta 32 bit word hajmidadir.

MIT-BIH ma’lumotlar to‘plami qanday ishlatilgan?

MIT-BIH Arrhythmia Database jami 48 ta yarim soatlik ambulator ECG yozuvini o‘z ichiga oladi va 360 Hz da namunalangan. Biroq bu tadqiqot barcha 48 yozuvdan foydalanmagan.

Baholash uchun beshta yozuv tanlangan:

Normal va Anormal sinflar qanday tuzilgan?

Manba AAMI EC57 yondashuviga ko‘ra MIT-BIH beat annotation belgilarini ikkilik sinflarga moslashtirgan.

Boshqa beat turlari baholashdan chiqarib tashlangan.

Har bir urish uchun ishlatilgan oyna

Har bir yaroqli beat kardiolog belgilagan R cho‘qqisiga nisbatan 144 namunali oynaga ajratilgan. Oyna:

• R cho‘qqisidan oldin 250 ms,
• R cho‘qqisidan keyin 150 ms

bo‘lib, jami 400 ms lik hududni qamrab oladi. 360 Hz namunalash chastotasida bu vaqt 144 namunaga to‘g‘ri keladi.

Dasturiy etalonning tasniflash ko‘rsatkichi

Precision, sinf deb belgilangan namunalarning qancha qismi haqiqatan shu sinfga tegishli ekanini; recall, haqiqiy sinf namunalarning qancha qismi aniqlanganini; F1-score esa precision va recall o‘rtasidagi muvozanatni ifodalaydi.

Manba bu metrikalarning matematik formulalarini alohida bermagani sababli Verianla bu yerda manbadan tashqari raqamlangan tenglama qo‘shmagan.

Dasturiy etalonning xatolik matritsasi

Eng ustun xatolik turi anormal beat ni Normal deb o‘tkazib yuborishdir. Anormal beat larning %6,3 qismi o‘tkazib yuborilgan, Normal beat larning %2,5 qismi esa noto‘g‘ri anomaliya deb belgilangan.

Manba buni bitta qat’iy yuqori o‘tkazuvchi xususiyat + bitta chegara qarorining cheklangan ajratish qobiliyati bilan bog‘laydi.

%95,88 Kremniy Aniqligi Nega Bemorlararo Umumlashtirish Emas?

Chunki baholashda har bir MIT-BIH yozuvi uchun qaror chegarasi aynan shu bemorning o‘z yorliqlari yordamida alohida kalibrlangan; demak natijalar noma’lum yangi bemorga qat’iy chegara bilan bevosita umumlashtirilgan ko‘rsatkichni emas, bemor/yozuvga xos kalibrlashdan keyingi ikkilik Normal/Abnormal ko‘rsatkichini o‘lchaydi.

Manba bemorga xos chegara kalibrlashi ishlatilganini ochiq aytadi, biroq ushbu PDF da T chegarasining aniq son qiymatlari yoki har yozuv uchun qaysi optimallashtirish qoidasi bilan tanlangani batafsil berilmagan. Bu ma’lumot Verianla tomonidan taxmin qilinmagan.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

To‘rt bosqichli tekshirish zanjiri

Tadqiqot faqat bitta simulyatsiya natijasiga asoslanmaydi. Tekshirish to‘rt bosqichdan iborat:

1. MIT-BIH da dasturiy golden-model tasniflash tekshiruvi,
2. Artix-7 FPGA prototiplash va hardware/software birgalikda ishlash tekshiruvi,
3. 180 nm CMOS RTL→GDSII fizik amalga oshirish va tape-out,
4. qadoqlangan kremniyda PCB, UART, elektr quvvat va ECG aniqlik o‘lchovlari.

FPGA prototipi

ASIC tape-out dan oldin butun SoC Xilinx Artix-7 Arty A7-35T platformasida prototiplangan. Maqsad soat chastotasi 100 MHz.

MIT-BIH ECG oynalari UART orqali FPGA prototipiga uzatilgan va apparat tezlatkichi sinov yozuvlarida dasturiy golden model bilan bit-exact ekvivalentlik ko‘rsatgan.

FPGA adabiyot taqqoslashini nega ehtiyotkorlik bilan o‘qish kerak?

Taklif etilgan tizimning 15,9 ms FPGA kechikishi faqat filtr ma’lumot yo‘lining kechikishi emas. Manba bu host UART namuna uzatish, MMIO sinxronlash, firmware buyruqlarini bajarish va tasniflash natijasini o‘qishni o‘z ichiga olgan uchdan-uchgacha tizim vaqti ekanini aniq bildiradi.

Boshqa tadqiqotlar turli vazifalar, algoritmlar va kechikish ta’riflaridan foydalangani uchun bu jadvaldagi vaqtlarni bevosita “eng tez algoritm” reytingi sifatida o‘qish mumkin emas.

ASIC fizik dizayn oqimi

FPGA tekshiruvidan so‘ng ayni RTL arxitekturasi tijoriy 180 nm CMOS jarayonida to‘liq fizik ASIC oqimiga o‘tkazilgan.

Ishlatilgan EDA vositalari

Fizik chip natijalari

Post-layout bo‘yicha baholangan 29,89 mW bilan haqiqiy kremniyda o‘lchangan 25,2 mW ni bir-biridan ajratish kerak. Birinchisi fizik dizayndan keyingi simulyatsiya, ikkinchisi ishlab chiqarilgan chipdagi o‘lchovdir.

Post-silicon sinov tizimi

Ishlab chiqarilgan die QFP-160 korpuslangan va maxsus PCB ga joylashtirilgan. PCB quvvat shinalari, clock/reset, UART va GPIO/debug LED ulanishlarini tashqariga chiqaradi.

Host kompyuterda ishlaydigan maxsus Python 3.10.12 sinov dasturi chip bilan 115.200 baud UART orqali aloqa qilgan.

Sinov dasturi manbada to‘rtta ish rejimini o‘z ichiga oladi:

• firmware dasturlash + jonli ECG streaming,
• GPIO/LED toggle sinovi,
• UART logging,
• diagnostic reset.

400 namunali fizik funksional sinov

Birinchi kremniy funksional sinovida chipga 400 namunali ECG diagnostik oynasi yuborilgan. Dastlabki 200 namuna normal beat, keyingi 200 namuna anormal beat sohasidir.

Manbada dastlabki normal sohada yolg‘on musbat bo‘lmagani, anormal sohadagi keskin R cho‘qqisidan sliding-window o‘tayotganda tezlatkich ketma-ket ikki musbat flag hosil qilgani o‘lchangan.

Bu kuzatuv haqiqiy o‘lchangan ECG to‘lqin shakliga asoslanadi. Verianla manba raster grafigining xom namuna qiymatlari jadvalga kiritilmagani sababli ayni to‘lqin shaklini sun’iy aniqlik bilan qayta yaratmaydi.

Haqiqiy kremniy va dasturiy ta’minot aniqligi

Kremniy bilan suzuvchi nuqtali dasturiy etalon o‘rtasidagi umumiy farq atigi olti beat. Manba bu farq tezlatkich arifmetikasidagi yaxlitlashdan kelib chiqmaganini bildiradi; ma’lumot yo‘li N+2 bitga kengaytirilgani uchun ichki filtr arifmetikasida bit yo‘qotilishi yo‘q.

Farqning sababi dasturiy ta’minot floating-point namunalar bilan, chip esa qat’iy nuqtali kvantlangan kirishlar va kvantlangan chegara bilan ishlashidir. Chegara chizig‘iga juda yaqin beat larda bu kichik tasvirlash farqi ikkilik qarorni o‘zgartirishi mumkin.

217-yozuv nega pastroq aniqlik berdi?

217-yozuvda kremniy aniqligi %87,89 gacha tushgan. Bu yozuvning o‘zi jami 428 kremniy xatosining 236 tasini, taxminan %55 ini tashkil etadi.

Manba buni yozuvning aralash beat tarkibi va bitta yuqori o‘tkazuvchi xususiyatdagi yagona chegaraning ayrim morfologiyalarni Normal sinfdan ishonchli ajrata olmasligi bilan bog‘laydi.

Bu topilma qat’iy Laplas tezlatkichining kuchli bo‘lgan vazifa chegarasini ham ko‘rsatadi: tizim QRS/R-cho‘qqisi atrofidagi yuqori vaqt gradientlarini juda past apparat murakkabligi bilan ushlaydi; ammo CNN kabi ko‘plab o‘rganilgan xususiyatlardan foydalanmaydi.

Quvvat o‘lchovlari

Quvvat 100 MHz da VDD = 1,0–2,0 V oralig‘ida faol, idle va sleep holatlari uchun fizik kremniyda o‘lchangan.

Manbaning matnda aniq bergan ayrim o‘lchov nuqtalari:

Manba faol va idle quvvat kuchlanish oshgani sari umuman ortishini, 1,9 V atrofida cho‘qqiga chiqqach 2,0 V nuqtada biroz kamayishini bildiradi.

Manbaning to‘liq quvvat egri chizig‘idagi barcha son nuqtalar jadval ko‘rinishida berilmagani uchun Verianla grafikdagi oraliq nuqtalarni tasvirdan o‘qib aniq ma’lumot sifatida qayta yaratmagan.

178,9 µJ faol energiya qanday olinadi?

Manba 400 namunali oyna uchun uchdan-uchgacha kremniy qayta ishlash vaqtini 7,1 ms deb beradi. O‘lchangan faol quvvat 25,2 mW bo‘lgani uchun energiya:

\[ E=P\times t \]

asosiy munosabat bilan qaralganda:

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

bo‘ladi.

Bu \(E=P\times t\) ifodasi manbada alohida raqamlangan tenglama emas; bu yerda manba bildirgan 178,9 µJ qiymatining fizik ma’nosini tushuntirish uchun ishlatilgan asosiy energiya munosabatidir.

CR2032 bilan 25 kun ishlash haqiqiy batareya sinovimi?

Yo‘q. Manba buni faraziy duty-cycled foydalanish ssenariysi sifatida taqdim etadi.

Ssenariyda SoC ko‘p vaqt 44 nA chuqur uyquda qolishi, faqat davriy ravishda buferlangan ECG oynalarini qayta ishlash uchun uyg‘onishi va o‘rtacha quvvat taxminan 1 mW darajasiga tushishi faraz qilinadi.

220 mAh, 3,0 V va taxminan 2376 J energiyaga ega standart CR2032 element uchun manba shu faraz bilan 600 soatdan ortiq, taxminan 25 kunlik kuzatuv muddatini bashorat qiladi.

Bu raqam fizik CR2032 bilan o‘tkazilgan uzoq muddatli batareya zaryadsizlanish sinovi emas.

180 nm ASIC adabiyot taqqoslash

Bu taqqoslashni “ushbu tadqiqot boshqalarning barchasidan yaxshiroq” deb o‘qish mumkin emas. Manba ayniqsa algoritmlar va vazifa qamrovi turlicha ekanini ta’kidlaydi.

Lee va hammualliflarning 1D-CNN chipi 0,102 mW bilan ancha past faol quvvat sarflagan bo‘lsa, bu tadqiqotning 25,2 mW lik SoC si yuqoriroq soat chastotasi va qisqaroq mutlaq tizim kechikishiga yo‘naltirilgan.

Hoyer va hammualliflarning qisqaroq kechikishi esa haqiqiy kremniy o‘lchovi emas, simulyatsiya qilingan cycle count lar asosida hosil qilingan.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan natijalar

• K = [−1, 2, −1] qat’iy Laplas yadrosi ECG QRS/R-cho‘qqisi atrofidagi tez vaqt o‘zgarishlarini past chastotali bazaviy chiziq komponentlariga nisbatan ajratib ko‘rsata oladi.
• Qat’iy koeffitsiyentlar tufayli apparat multiplier lari olib tashlanishi va filtr ma’lumot yo‘li taxminan O(N) kombinatsion murakkablikka tushirilishi mumkin.
• PicoRV32 va maxsus tezlatkich standart MMIO orqali bir xil SoC ichida birlashtirilishi mumkin.
• FPGA prototipi dasturiy golden model bilan bit-exact xususiyat ajratib olishni ko‘rsatgan.
• 180 nm CMOS da fizik chip ishlab chiqarish, DRC/LVS, logic equivalence va post-layout timing closure yakunlangan.
• Ishlab chiqarilgan kremniy haqiqiy MIT-BIH ECG yozuvlarida UART orqali ishlatilgan.
• Bemor/yozuvga xos chegara kalibrlashi bilan beshta yozuvda 10.393 beat bo‘yicha %95,88 kremniy aniqligiga erishilgan.
• Dasturiy ta’minot bilan kremniy o‘rtasida atigi olti beat farq bor.
• 1,8 V va 100 MHz da 25,2 mW faol quvvat, 1,0 V chuqur uyquda 44 nW sizib chiqish o‘lchangan.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlamaydigan natijalar

Bu tadqiqot %95,88 aniqlik ilgari ko‘rilmagan bemorlarda ham xuddi shunday olinishi isbotlanganini anglatmaydi. Har bir yozuvning qaror chegarasi o‘z yorliqlari bo‘yicha kalibrlangan.

Tadqiqot barcha aritmiya turlarini tasniflaydigan ko‘p sinfli diagnostika tizimi emas. Ishlatilgan belgilash Normal va muayyan Anormal beat guruhlariga ajratilgan ikkilik tuzilma; boshqa beat turlari baholashdan chiqarilgan.

Tadqiqot xom ECG dagi barcha shovqin va harakat artefaktlarini hal qilmaydi. Manba kirish signali standart dastlabki qayta ishlashdan o‘tgan deb faraz qiladi.

Tadqiqot istiqbolli klinik bemor tadqiqoti emas. MIT-BIH ma’lumotlar bazasi yozuvlari chipda qayta ijro etilib laboratoriya muhitida sinovdan o‘tkazilgan.

Tadqiqot umumiy maqsadli CNN barcha vazifalarda keraksiz ekanini ko‘rsatmaydi. Manba qat’iy Laplas tuzilmasi aniq va yaxshi belgilangan QRS/R-cho‘qqisi morfologiyasi vazifasi uchun mos, biroq trainable CNN kabi umumiy emasligini ta’kidlaydi.

Asosiy cheklovlar

• Faqat beshta MIT-BIH yozuvi va 10.393 beat baholangan.
• Chegara har bir yozuv uchun uning o‘z yorliqlari bilan kalibrlangan.
• Chegara tanlash jarayonining batafsil optimallashtirish algoritmi va har bir yozuv uchun T qiymatlari PDF da berilmagan.
• Boshqa MIT-BIH beat turlari ikkilik baholashga kiritilmagan.
• Qat’iy K = [−1, 2, −1] yadrosi apparatni o‘zgartirmasdan turli nomorfologik aritmiya sinflariga moslashtirilmaydi.
• Bitta chegara ayniqsa 217-yozuv kabi aralash morfologiyali yozuvlarda cheklangan ajratish qobiliyatini ko‘rsatgan.
• Xom yuqori chastotali EMG shovqini va harakat artefaktlari uchun standart dastlabki qayta ishlash faraz qilingan.
• Faol 25,2 mW quvvat faqat tezlatkichga emas, CPU, SRAM va UART ni o‘z ichiga olgan butun SoC ga tegishli.
• CR2032 ishlash muddati haqiqiy uzoq muddatli batareya sinovi emas, duty-cycled quvvat faraziga asoslangan ssenariydir.

Kelajakdagi ish rejalari

Manbada kelajakda tizimga kam quvvatli raqamli dastlabki filtrlash va adaptiv chegara mexanizmlarini qo‘shish rejalashtirilgan. Maqsad xom va shovqinli klinik muhitlarga yanada bevosita yaqinlashishdir.

Shuningdek Dynamic Frequency Scaling (DFS) uchun xotira-xaritalangan dasturlanadigan clock divider va chip ustidagi past tushuvli regulyator (LDO) qo‘shish taklif etilgan.

Yana bir maqsad qat’iy uch tapli tuzilmani mahalliy shift-and-add hisoblash elementlaridan foydalanadigan sozlanadigan N-tap tezlatkichga kengaytirish va ko‘paytirgichsiz dizayn falsafasini saqlagan holda kengroq anomaliya sinflariga yaqinlashishdir.

Bu xususiyatlar mavjud chipda amalga oshirilgan natijalar emas, maqolaning kelajakdagi ish takliflaridir.

Natijaning to‘g‘ri muhandislik ma’nosi

Bu tadqiqotning asosiy muvaffaqiyati ECG tasnifida eng murakkab algoritmni ishlatish emas, muayyan morfologik xususiyatning matematik tuzilmasidan foydalanib maxsus apparatni juda soddalashtirishdir.

QRS/R-cho‘qqisi atrofidagi keskin ikkinchi ayirmani qat’iy Laplas filtri bilan ajratish mumkinligi umumiy maqsadli ko‘paytirgichlar va katta MAC massivlarini olib tashlashga imkon beradi. PicoRV32 esa bu maxsus ma’lumot yo‘li atrofida dasturlanadigan tizim boshqaruvini ta’minlaydi.

Natijada tadqiqot RISC-V dasturlanuvchanligi bilan juda oddiy domain-specific tezlashtirishni bir xil SoC ichida birlashtirish haqiqiy kremniyda amalga oshirilishi mumkinligini ko‘rsatadi.

Buning evaziga tizimning algoritmik umumiyligi cheklangan. Bu arxitektura muayyan biosignal xususiyati uchun kichik maydon va deterministik qayta ishlash yo‘lini afzal ko‘radi; ko‘p qatlamli o‘rganiladigan tarmoqlar beradigan keng tasniflash moslashuvchanligini ta’minlamaydi.

Manba va Usul Haqida Izoh

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

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

Mualliflar tartibi: Manbadagi tartib aynan saqlangan.

Teng hissa: Manbada teng birinchi mualliflik yoki teng hissa bayonoti yo‘q.

Mas’ul mualliflar: Phu-Cuong Le va Cong-Kha Pham.

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

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

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

Jurnal: Chips.

Nashriyot: MDPI, Basel, Switzerland.

Jild / son / maqola raqami: 5 / 4 / 34.

DOI: 10.3390/chips5040034.

Qabul qilingan sana: 31 avgust 2026.

Tahrir sanasi: 28 sentyabr 2026.

Qabul sanasi: 30 sentyabr 2026.

Nashr sanasi: 5 oktyabr 2026.

Manba turi: Original tadqiqot maqolasi; algoritm tahlili, FPGA prototipi, fizik ASIC amalga oshirish va post-silicon laboratoriya tekshiruvini o‘z ichiga oladi.

Taqriz holati: Chips xalqaro taqrizli va ochiq kirishli ilmiy jurnaldir.

Rasmiy nashr: MDPI, Chips; DOI 10.3390/chips5040034.

Versiya izohi: Yuklangan manba 20 sahifali nashr qilingan maqola PDF idir. MDPI veb qaydi joriy tekshiruvda qo‘shimcha ravishda “early access version” ogohlantirishini ko‘rsatadi; bibliografik identifikatsiya ma’lumotlari PDF bilan mos.

Litsenziya: Creative Commons Attribution — CC BY.

Asosiy usul: Qat’iy K = [−1, 2, −1] diskret Laplas/FIR xususiyat ajratib olish; dasturlanadigan chegara; PicoRV32 RV32I MMIO boshqaruvi; FPGA prototipi; 180 nm CMOS fizik dizayn; post-silicon ECG va quvvat o‘lchovlari.

Ma’lumotlar to‘plami: MIT-BIH Arrhythmia Database; baholashda 100, 103, 107, 119 va 217 yozuvlari ishlatilgan.

Namuna soni: 10.393 beat; 6107 Normal va 4286 Anormal.

Namunalash chastotasi: 360 Hz.

Beat oynasi: 144 namuna; R cho‘qqisidan 250 ms oldin va 150 ms keyin.

Sinf moslashtirish: Normal = N, L, R, e, j; Anormal = V, E, /. Boshqa beat turlari chiqarib tashlangan.

Chegara kalibrlashi: Bemor/yozuv asosida bajarilgan. Manba aniq chegara qiymatlarini yoki batafsil optimallashtirish jarayonini bermaydi.

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

ASIC jarayoni: Tijoriy 180 nm CMOS.

Faol yadro maydoni: 0,936 mm².

Standard-cell soni: 9373.

Joylashtirish zichligi: %75,2.

Core supply: nominal 1,8 V.

I/O supply: 3,3 V.

Korpus: QFP-160.

O‘lchangan faol quvvat: 25,2 mW @ 1,8 V, 100 MHz.

O‘lchangan uyqu sizib chiqishi: 44 nA / 44 nW @ 1,0 V.

O‘lchangan kremniy aniqligi: %95,88 — 9965 / 10.393 beat.

Dasturiy etalon: %95,94 — 9971 / 10.393 beat.

Dasturiy ta’minot–kremniy farqi: 6 beat, 0,06 foiz punkt.

Uchdan-uchgacha kremniy oyna vaqti: 7,1 ms / 400 namunali oyna.

Faol oyna energiyasi: taxminan 178,9 µJ.

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

Acknowledgments dagi qo‘shimcha yordam: Manba shuningdek National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED), Vietnam, Grant NĐT/JP/26/01 yordamini minnatdorchilik bo‘limida qayd etadi.

Ma’lumotlarning mavjudligi: Bildirilgan natijalarni qo‘llab-quvvatlovchi ma’lumotlarni asosli so‘rov bo‘yicha mas’ul muallifdan olish mumkinligi aytilgan.

Institutsional etika qo‘mitasi: Qo‘llanilmaydi.

Xabardor rozilik: Qo‘llanilmaydi.

Manfaatlar to‘qnashuvi: Mualliflar manfaatlar to‘qnashuvi yo‘qligini bayon qilgan.

Muallif hissalari: Konseptuallashtirish: Phu-Cuong Le va Cong-Kha Pham. Usul: Phu-Cuong Le. Dasturiy ta’minot: Phu-Cuong Le. Tekshirish: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le va Cong-Kha Pham. Formal tahlil: Phu-Cuong Le. Tadqiqot: Phu-Cuong Le va Duc-Hung Le. Resurslar: Cong-Kha Pham. Ma’lumotlarni tartibga solish: Phu-Cuong Le. Dastlabki qoralama: Phu-Cuong Le. Ko‘rib chiqish va tahrirlash: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le va Cong-Kha Pham. Vizualizatsiya: Phu-Cuong Le. Nazorat va loyiha boshqaruvi: Cong-Kha Pham. Moliyalashtirishni olish: Cong-Kha Pham.

Asosiy talqin chegarasi: %95,88 aniqlik bemor/yozuvga xos kalibrlash bilan olingan va bemorlararo klinik umumlashtirish natijasi emas. Tizim standart dastlabki qayta ishlangan ECG kirishini faraz qiladi va qat’iy Laplas + bitta chegara tuzilmasi barcha aritmiya turlarini qamrab olmaydi.