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CN114448912B - 一种物联网专属的eSIM芯片 - Google Patents

一种物联网专属的eSIM芯片 Download PDF

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CN114448912B CN202210372257.4A CN202210372257A CN114448912B CN 114448912 B CN114448912 B CN 114448912B CN 202210372257 A CN202210372257 A CN 202210372257A CN 114448912 B CN114448912 B CN 114448912B
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Abstract

本发明公开了一种物联网专属的eSIM芯片，所述eSIM芯片上集成有eSIM单元、双核RISC‑V CPU单元、WiFi6协议单元和RF单元、PPU单元、KPU单元以及总线接口；PPU单元搭载任务调度算法，优化网络访问请求调度，以保障eSIM芯片的稳定运行。本发明采用上述eSIM芯片，在满足通信要求基础上，实现了对外部物联网设备访问eSIM数字蜂窝网络任务的快速响应与处理。

Description

一种物联网专属的eSIM芯片
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其是涉及一种物联网专属的eSIM芯片。
背景技术
物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
物联网连接的方式主要有以太网、以WiFi协议为主的无线网络、低功耗广域网和数字蜂窝网络。SIM卡作为数字蜂窝网络的代表，通过插入终端设备中以提供数字蜂窝网络服务。传统实体SIM卡占用终端设备空间，使得设备外壳开孔，继而引发防水性能等实质问题。为解决此类问题，出现了eSIM卡，它实质是一颗SIM芯片或SOC芯片中的一个SIM单元。当下的所有SIM卡或eSIM芯片的功能较为单一，不具有大容量存储功能和高速处理能力，在终端设备中仅作为接入数字蜂窝网络的身份密钥，无法作为连接数字蜂窝网络和强大计算能力的系统级芯片使用。
在物联网的快速发展过程中，搭载WiFi和蓝牙连接技术的物联网系统级芯片层出不穷，有利于推动局域物联网的快速崛起和发展。但是，基于数字物联网的系统级芯片，并且具有强大数据计算能力和AI计算能力，此种物联网系统级芯片尚未出现。
发明内容
基于上述背景，本发明提供一种基于数字蜂窝网络技术和高速无线局域网技术，并且具有强大计算能力和输入输出能力的物联网芯片，为工业、企业和智慧家居提供一种全新的物联网接入方式。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，
一种物联网专属的eSIM芯片，其上集成有eSIM单元、双核RISC-V CPU单元、WiFi6协议单元、RF单元、PPU单元、KPU单元以及总线接口；PPU单元搭载任务调度算法，优化网络访问请求调度，以保障eSIM芯片的稳定运行。
优选的，所述任务调度算法处理来自eSIM单元和WiFi6协议与RF单元的数据，使得来自无线设备的网络访问需求依据数据传输量、网络传输质量和单位时间内的设备访问量来评估当前网络是否处于拥堵状态或空闲状态；当处于外部设备集中访问网络时期，将主动对外部网络访问请求进行优化调度，使网络畅通。
优选的，所述任务调度算法在网络访问量低于阈值时，采用时间片轮转法对系统内任务进行处理；在网络访问量达到阈值后，采用多级反馈队列方法对任务进行优化。
优选的，所述任务调度算法采用时间片轮转法对任务处理时，具体过程如下：
S11、将系统中所有的就绪任务按照先来先服务原则排成队列；
S12、每次调度时将双核RISC-V CPU单元的计算资源分派给队首任务，让其执行一个时间片，时间片的长度根据任务量自动分配；
S13、在一个时间片结束时，发生时钟中断，任务调度算法据此暂停当前任务的处理，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换处理当前的队首任务。
优选的，所述任务调度算法采用多级反馈队列方法对任务处理时，具体过程如下：
S21、设置多个就绪队列，分别赋予不同的优先级；每个队列执行时间片的长度不同，优先级越低的队列时间片越长；
S22、新任务进入内存后，先投入优先级最高的队列的末尾，按先来先服务原则调度；若在当前队列的一个时间片未能执行完，则将任务投入到次级优先级队列的末尾，按先来先服务原则调度；如此往复，降低到优先级最低的队列，则按时间片轮转法调度直到完成；
S23、当较高优先级的队列为空，则调度较低优先级的队列中的任务进行处理；如果任务处理过程中有新任务进入较高优先级的队列，则抢先执行新任务，并把被抢先的任务投入原队列的末尾。
优选的，所述芯片内还集成有ROM和SRAM单元、RSA和AES加密解密单元、基于SPI总线接口的Flash、PWM脉宽调制控制器和数字-模拟转换控制器，所述总线接口包括SPI总线接口，I2C总线接口和I2S音频总线接口、SD协议的IO接口、UART通用异步收发传输器接口。
本发明基于RISC-V架构设计eSIM物联网芯片，构建基于任务调度算法的PPU的硬件单元，实现对外部物联网设备访问eSIM数字蜂窝网络任务的快速响应与处理。而且，本发明eSIM物联网芯片部署外部接口，允许开发者使用片内的IO控制器、KPU、wifi6控制器和eSIM进行软件和产品开发。
附图说明
图1为SIM卡和eSIM芯片体积比较；
图2为wifi5和wifi6的子载波间隔对比；
图3为本发明物联网eSIM SOC级芯片架构图；
图4为本发明综合任务调度算法框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图所示的一种物联网专属的eSIM芯片，其上集成有如下单元：
1、双核RISC-V CPU单元
基于RISC-V（第五代开源精简指令集架构）架构的中央处理器双核心提供64位的数据处理、计算能力，两个核心共享一个128k的高速Cache缓存单元。 在芯片运行时，中央处理器需要处理所有来自操作系统任务的调度和PPU（协议处理单元）的任务调度，完成数据处理、外部接口控制和调度，利用KPU完成AI计算任务。此外在应用中，基于双核心设计的中央处理器能够在低流量的数据处理时启用单个核心工作模式，以降低功耗。
RISC-V指令集具有模块化的特点，在当下的芯片设计、制造、封装与测试流程中有较强的适应能力。RISC-V架构共有6个指令集模块，在本芯片中，32位架构的小面积、低功耗、高性能RISC-V处理器，其通用寄存器宽度为32位，寻址范围为232，指令操作数为32位，由IF(取值)、ID(译码)、EX(执行)三级流水线组成，采用顺序发射、乱序执行、乱序写回的方式，提高执行模块的运算速度，平衡各模块的运行速度，从而提高整体效率。利用RISC-V架构定义的WFI指令实现处理器休眠，在处理器休眠状态时，采用时钟门控技术对各个模块进行时钟控制，实现处理器层面低功耗。
2、片内ROM和SRAM单元
片内ROM为JTAG固件存储位置，允许开发者预先对芯片进行预设置；SRAM为待处理的任务提供高速的临时存储空间，系统固件在运行指令需要预先写入SRAM。在芯片启动和运行时，操作系统会从ROM中读取固件信息和数据到SRAM中，并在SRAM中调用CPU进行处理，从而完成固件的调用，进而完成操作系统的启动。
3、PPU协议处理单元
协议处理单元是本芯片的重要组成部分，预设有任务调度算法，辅助CPU调度待处理的任务。在系统运行时，操作系统会通过CPU读取PPU中的任务调度算法，依靠此算法辅助CPU对来自WiFi6单元的网络访问任务进行调度，当所需调度的任务量达到算法中所设置的阈值，调度算法会优化任务调度方法，高效处理任务。
4、KPU单元
KPU是通用的神经网络处理器，采用“数据驱动并行计算”的架构，特别擅长处理视频、图像类的海量多媒体数据，能够对通过嵌入式软总线协议传输的外部设备的AI计算任务进行处理，并将处理结果返回给外部设备。同时KPU单元也能利用其搭载的CNN（卷积神经网络）模型智能化处理网络调度任务，加快芯片任务处理效率。本芯片中搭载的KPU支持主流训练框架按照特定限制规则训练定点化模型；对网络层数无直接限制，支持每层卷积神经网络参数单独配置，包括输入输出通道数目、输入输出行宽列高。本芯片KPU支持两种卷积内核 1x1 和 3x3，并且支持任意形式的激活，数；实时工作时最大支持神经网络参数大小为 5.5MiB 到 5.9MiB。
5、eSIM单元
eSIM单元负责连接运营商的数字蜂窝网络，是本芯片的另一重要组成部分。eSIM单元通过高速系统总线与双核RISC-V CPU单元相连，通过特定的部分eSIM寄存器，可设置eSIM单元的工作模式，软件开发者能够通过底层裸机代码使能和控制eSIM单元。依据数字蜂窝网络运营商的服务，能够实现eSIM业务的空中写卡和更换运营商功能，搭载本芯片的设备无需到运营商营业厅即可在本地实现业务办理和设备维护等功能。同时使用数字蜂窝网络能够为目标设备提供安全的网络环境，从而可以避免因网络环境所带来的数据安全风险。
6、WiFi6协议单元
WiFi6协议控制器通过系统总线与CPU相连接，主要搭载基于802.11ax无线的网络标准，为WiFi6 RF单元提供协议支撑。WiFi6采用2.4GHz和5GHz作为工作频段，最大频宽为160MHz，单流带宽为1201Mpbs，采用更高的调制阶数（1024QAM）、更窄的子载波间隔、上下行OFDMA技术、上下行MU-MIMO技术、空间复用技术等。WiFi6标准最大的提升是数据传输速率，通过更高调制方式，更大的频宽，来实现更高的传输速率。本芯片利用WiFi6单元的高速数据吞吐能力为外部物联网设备的接入与对数字蜂窝网络的数据交换提供了技术基础。
在用户使用时，用户可通过编写高级语言程序或裸机程序改变其寄存器状态，从而完成使能WiFi6协议单元控制。WiFi6允许路由器同时与多个设备通信，并允许设备规划与路由器的通信，从而减少保持天线通电以传输和搜索信号所需的时间，能够适应工业、商业和家庭的无线局域网络连接需求和设备的高速数据交换需求。此外，用户可通过编程操作系统底层WiFi6单元的驱动程序来使用高速网络。
7、WiFi6 RF单元
WiFi6 RF单元通过控制总线与WiFi6协议控制器相连接，具备外部通讯信号波段的接收与发送功能，同时具备网络开关功能。
8、RSA和AES加密解密单元
该单元主要为片内ROM和SRAM提供数据加密服务。
9、基于SPI总线接口的Flash
为本芯片系统提供较大的存储空间。
10、外部接口
用户在使用此芯片时，可根据实际功能场景需要，使用SPI总线接口、I2C总线接口和I2S音频总线接口、SD协议的IO接口（SDIO）和UART通用异步收发传输器接口。除此之外，利用PWM脉宽调制控制器，用户可使用支持脉宽调制的IO接口控制如LED、电动马达的速度控制等。
11、ADC-DAC转换控制器
数字与模拟转换控制器，能够为用户提供16位数模转换器。
具体地，本实施例还对PPU协议处理单元中的任务调度算法进行详细阐述。任务调度算法处理来自eSIM单元和WiFi6协议与RF单元的数据，使得来自无线设备的网络访问需求依据数据传输量、网络传输质量和单位时间内的设备访问量来评估当前网络是否处于拥堵状态或空闲状态。当任务调度算法在网络访问量低于阈值时，采用时间片轮转法对系统内任务进行处理；在网络访问量达到阈值后，采用多级反馈队列方法对任务进行优化。
任务调度算法采用时间片轮转法对任务处理时，具体过程如下：
S11、将系统中所有的就绪任务按照先来先服务原则排成队列；
S12、每次调度时将双核RISC-V CPU单元的计算资源分派给队首任务，让其执行一个时间片，时间片的长度根据任务量自动分配；
S13、在一个时间片结束时，发生时钟中断，任务调度算法据此暂停当前任务的处理，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换处理当前的队首任务。
任务调度算法采用多级反馈队列方法对任务处理时，具体过程如下：
S21、设置多个就绪队列，分别赋予不同的优先级；每个队列执行时间片的长度不同，优先级越低的队列时间片越长；
S22、新任务进入内存后，先投入优先级最高的队列的末尾，按先来先服务原则调度；若在当前队列的一个时间片未能执行完，则将任务投入到次级优先级队列的末尾，按先来先服务原则调度；如此往复，降低到优先级最低的队列，则按时间片轮转法调度直到完成；
S23、当较高优先级的队列为空，则调度较低优先级的队列中的任务进行处理；如果任务处理过程中有新任务进入较高优先级的队列，则抢先执行新任务，并把被抢先的任务投入原队列的末尾。
以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，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权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种物联网专属的eSIM芯片，其特征在于，所述eSIM芯片上集成有eSIM单元、双核RISC-VCPU单元、WiFi6协议单元、RF单元、协议处理单元、神经网络处理器单元以及总线接口；PPU单元搭载任务调度算法，优化网络访问请求调度，以保障eSIM芯片的稳定运行；利用WiFi6单元的高速数据吞吐能力为外部物联网设备的接入与对数字蜂窝网络的数据交换提供了技术基础；
eSIM单元负责连接运营商的数字蜂窝网络；eSIM单元通过高速系统总线与双核RISC-VCPU单元相连，通过特定的部分eSIM寄存器，设置eSIM单元的工作模式，软件开发者能够通过底层裸机代码使能和控制eSIM单元；依据数字蜂窝网络运营商的服务，能够实现eSIM业务的空中写卡和更换运营商功能，搭载本芯片的设备无需到运营商营业厅即能够在本地实现业务办理和设备维护功能；同时使用数字蜂窝网络能够为目标设备提供安全的网络环境，从而可以避免因网络环境所带来的数据安全风险；
神经网络处理器，采用“数据驱动并行计算”的架构，擅长处理视频、图像类的海量多媒体数据，能够对通过嵌入式软总线协议传输的外部设备的AI计算任务进行处理，并将处理结果返回给外部设备；同时KPU单元也能利用其搭载的CNN模型处理网络调度任务，加快芯片任务处理效率；本芯片中搭载的KPU支持主流训练框架按照特定限制规则训练定点化模型；对网络层数无直接限制，支持每层卷积神经网络参数单独配置，包括输入输出通道数目、输入输出行宽列高；本芯片KPU支持两种卷积内核1x1和3x3，并且支持任意形式的激活数；实时工作时最大支持神经网络参数大小为5.5MiB到5.9MiB；
所述任务调度算法处理来自eSIM单元、WiFi6协议单元和RF单元的数据，使得来自无线设备的网络访问需求依据数据传输量、网络传输质量和单位时间内的设备访问量来评估当前网络是否处于拥堵状态或空闲状态；当处于外部设备集中访问网络时期，将主动对外部网络访问请求进行优化调度，使网络畅通；
所述任务调度算法在网络访问量低于阈值时，采用时间片轮转法对系统内任务进行处理；在网络访问量达到阈值后，采用多级反馈队列方法对任务进行优化；
所述任务调度算法采用时间片轮转法对任务处理时，具体过程如下：
S11、将系统中所有的就绪任务按照先来先服务原则排成队列；
S12、每次调度时将双核RISC-VCPU单元的计算资源分派给队首任务，让其执行一个时间片，时间片的长度根据任务量自动分配；
S13、在一个时间片结束时，发生时钟中断，任务调度算法据此暂停当前任务的处理，将其送到就绪队列的末尾，并通过上下文切换处理当前的队首任务；
所述任务调度算法采用多级反馈队列方法对任务处理时，具体过程如下：
S21、设置多个就绪队列，分别赋予不同的优先级；每个队列执行时间片的长度不同，优先级越低的队列时间片越长；
S22、新任务进入内存后，先投入优先级最高的队列的末尾，按先来先服务原则调度；若在当前队列的一个时间片未能执行完，则将任务投入到次级优先级队列的末尾，按先来先服务原则调度；如此往复，降低到优先级最低的队列，则按时间片轮转法调度直到完成；
S23、当较高优先级的队列为空，则调度较低优先级的队列中的任务进行处理；如果任务处理过程中有新任务进入较高优先级的队列，则抢先执行新任务，并把被抢先的任务投入原队列的末尾；
所述芯片内还集成有ROM和SRAM单元、RSA和AES加密解密单元、基于SPI总线接口的Flash、PWM脉宽调制控制器和数字-模拟转换控制器，所述总线接口包括SPI总线接口，I2C总线接口和I2S音频总线接口、SD协议的IO接口、UART通用异步收发传输器接口。
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