一种基于物联网硬件的微控制器芯片处理方法与流程

本发明涉及微控制器芯片设计，具体为一种基于物联网硬件的微控制器芯片处理方法。

背景技术：

1、物联网边缘节点中广泛采用环境微能量采集器件为微控制器供电，由于该类器件输出电流微弱，配合小容量储能电容使用，微控制器需经历长时间充电积累才能获得支撑一次短暂计算的电量，形成间歇性计算运行模式；

2、与本发明最接近的现有技术采用纯软件检查点机制：软件周期性通过模数转换器采样电源电压并与预设阈值比较，采样值低于阈值时触发软件中断服务程序，将sram中的关键变量、寄存器组内容及程序计数器值经系统总线写入片内flash存储器，重新上电后由引导程序读取flash中保存的状态数据并恢复运行环境；

3、上述现有技术存在如下不足：软件采样周期受限于毫秒级调度粒度，电压骤降时来不及完成采样与判断，导致备份流程无法启动；

4、flash写入需要较高编程电压及较大瞬态电流，在电压濒临不足时执行写入会进一步拉低残余电压，致使备份过程本身被中断；

5、现有时钟门控机制不识别流水线当前执行的语义阶段，电压骤降时流水线可能被强制中断在运算的中间状态，恢复后数据不完整、不一致，只能从任务起点重新计算，存在改进空间。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有间歇性计算的软件检查点方案中，电压采样响应滞后于电压跌落速度，导致备份流程来不及启动；

2、备份操作依赖高功耗flash写入，会进一步消耗本已不足的残余电量；

3、且现有时钟门控机制不具备计算语义感知能力，冻结时刻可能处于运算的中间状态，导致恢复后数据不完整、不一致，为解决上述问题，本发明提供一种基于物联网硬件的微控制器芯片处理方法。

4、本发明的技术方案为：持续采集微控制器储能电容两端的电压值，根据电压的下降趋势，在电压跌破维持阈值电压之前生成即将休眠信号；

5、处理器核心流水线的解码级根据预定义的指令特征，在计算流中识别语义边界指令，并在对应指令的流水线控制字中标记原子屏障标签；

6、流水线冻结控制逻辑在接收到所述即将休眠信号后，不立即中断流水线，而是控制流水线继续按原有节奏执行，直至检测到某条携带所述原子屏障标签的指令在写回级完成写回操作，此时向时钟门控控制器发出冻结确认信号；

7、时钟门控控制器接收到所述冻结确认信号后，按照取指级、解码级、执行级、访存级、写回级的顺序，逐级关闭对应的时钟使能信号，使流水线在该原子屏障标签对应的指令处完全停止步进；

8、快照写入控制逻辑在检测到所述冻结确认信号后，将处理器核心的通用寄存器堆、程序计数器、状态寄存器及原子屏障标签寄存器中的当前数值并行写入非易失性存储电路，写入完成后向电源管理单元反馈快照完成信号，电源管理单元允许微控制器主电源电压继续下降至断电；

9、当环境能量重新积累、微控制器重新上电且电压恢复稳定后，产生恢复使能信号，驱动所述非易失性存储电路将保存的数值并行写回对应的寄存器，写回完成后将流水线控制权交还给程序计数器所指向的指令，流水线从该指令处继续执行。

10、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

11、1.本发明通过硬件电路直接根据电压下降趋势提前生成即将休眠信号，将能量感知响应时间由毫秒级降低至纳秒级，避免因响应滞后导致备份流程无法启动；

12、2.本发明采用与寄存器紧耦合的非易失性存储电路实现并行快照写入，将断点保存能耗由毫安级峰值功耗降低至皮焦级，避免备份过程本身消耗残余电量；

13、3.本发明通过原子屏障标签确保冻结点必然位于计算语义完整的边界处，使恢复后的寄存器数据具有完整一致性，避免任务从起点重新计算；

14、4.本发明恢复过程由硬件电路直接反向并行写回寄存器，无需加载和运行软件引导程序，使恢复延迟被压缩至微秒级，从而使跨越多次充放电周期的大型计算任务能够被累积完成。

1.一种基于物联网硬件的微控制器芯片处理方法，其特征在于，包括以下步骤：持续采集微控制器储能电容两端的电压值，根据电压的下降趋势，在电压跌破维持阈值电压之前生成即将休眠信号；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电压的下降趋势，在电压跌破维持阈值电压之前生成即将休眠信号的步骤包括：以固定的采样周期对所述储能电容两端的电压进行连续采样，得到相邻两次采样值，并根据两次采样值及采样时间间隔，计算得到电压跌落斜率；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电压的下降趋势，在电压跌破维持阈值电压之前生成即将休眠信号的步骤包括：设置多个依次递减的固定电压阈值点，检测所述储能电容两端的电压依次跌破各所述固定电压阈值点的时间间隔，根据所述时间间隔判断电压下降速度，当电压跌破预先设定的一个所述固定电压阈值点时，生成所述即将休眠信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述语义边界指令包括循环回跳指令、累加结果写回指令和密码轮函数结束标志指令中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非易失性存储电路包括与所述通用寄存器堆、所述程序计数器、所述状态寄存器及所述原子屏障标签寄存器分别一一对应设置的非易失性触发器单元，各所述非易失性触发器单元通过独立的并行数据旁路总线与对应的寄存器连接，在所述冻结确认信号到达的同一时钟周期内，各所述非易失性触发器单元的写入使能端被同步驱动，实现并行写入。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非易失性存储电路为集中式非易失性缓存块，所述通用寄存器堆、所述程序计数器、所述状态寄存器及所述原子屏障标签寄存器中的当前数值通过一条专用并行总线一次性写入所述集中式非易失性缓存块。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，产生所述恢复使能信号的步骤包括：通过上电恢复检测电路持续检测微控制器主电源电压是否恢复至预设的正常工作电压并保持稳定，当检测到电压恢复稳定后，产生所述恢复使能信号，恢复过程不加载和运行软件引导程序。

8.一种微控制器芯片，其特征在于，包括：电源管理单元，所述电源管理单元内嵌电压追踪状态机模块，用于持续采集储能电容两端的电压值，根据电压的下降趋势，在电压跌破维持阈值电压之前生成即将休眠信号；

9.根据权利要求8所述的微控制器芯片，其特征在于，所述非易失性存储电路包括与所述通用寄存器堆、所述程序计数器、所述状态寄存器及所述原子屏障标签寄存器分别一一对应设置的非易失性触发器单元，各所述非易失性触发器单元通过独立的并行数据旁路总线与对应的寄存器连接。

10.根据权利要求8所述的微控制器芯片，其特征在于，所述电压追踪状态机模块包括低功耗模拟比较器阵列、电压斜率数字化电路及自适应阈值判断逻辑，用于以固定的采样周期对所述储能电容两端的电压进行连续采样并计算电压跌落斜率，根据所述维持阈值电压、所述电压跌落斜率的绝对值及预先标定的安全时间余量得到预警电压值，并将当前采样电压值与所述预警电压值进行比较后生成所述即将休眠信号。