一种基于IJTAG的汽车SoC监测系统及监测方法

一种基于ijtag的汽车soc监测系统及监测方法
技术领域
1.本发明属于汽车电子芯片设计技术领域，尤其是涉及一种基于ijtag的汽车soc监测系统及监测方法。


背景技术：

2.目前，随着芯片低纳米(10-28nm)级别尺寸的减小，现今在汽车soc(系统级芯片)中使用多处理器核心得到越来越广泛的应用,每个处理器核心都可以作为微控制单元(mcu)。但是这些汽车soc芯片的可靠性正在大幅降低，特别是在恶劣运行条件，比如在汽车内，车轮传感器和控制器必须承受约200℃的工作环境温度。同时这些恶劣条件加剧了半导体的老化机制，例如，负偏置温度不稳定性(nbti)、电迁移(em)、热载流子注入(hci)等。因此，为了确保在整个汽车soc运行周期中的高可靠性,比如零故障运行时间，必须对目标soc进行实时健康监测。通过监测到的健康状态参数，提取老化信息，为目标soc寿命预测与健康管理提供依据，以便提前进行故障预警和更换维修。
3.现有汽车soc芯片提高可靠性都是基于可测性设计(dft)，包括离线测试或者在线测试。但离线测试对故障不能实时处理和警报；而大多数在线检测需要额外增加测量电路，大大提高了系统成本。其次，嵌入式仪器(ei)电路在很久以前就已经实现了。例如，环振荡器(ro)经常被嵌入芯片内部，用作不同的设计工艺评估模块，以保证无错误的处理工艺。在比如，温度传感器在功能上作为ei使用，以跟踪soc芯片不同区域的工作温度。但是很多现存的ei设计面积较大，包括使用额外的设计电路(adc，比较器等)使得整体芯片设计成本提高，在每个芯片内部使用数量有限。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明旨在提供一种可靠性高、监测准确的一种基于ijtag的汽车soc监测系统；本发明的另一目的旨在提供一种基于ijtag的汽车soc监测方法。
5.技术方案：本发明所述的基于ijtag的汽车soc监测系统，包括目标健康监测处理器；所述目标健康监测处理器通过电压检测ei和延迟检测ei与ijtag网络接口连接，电压检测ei通过与目标健康监测处理器连接用于实时检测其内部的局部电压，延迟检测ei通过与目标健康监测处理器连接用于检测其内关键路径延迟及最高频率；ijtag网络接口与ai数据处理器连接，用于在ai数据处理器与电压检测ei和延迟检测ei之间传递数据及命令；电压检测ei和延迟检测ei通过连接共享目标健康监测处理器的电压供应和ijtag网络接口的网络供应。
6.其中，所述目标健康监测处理器包括启动触发器、关键路径cp以及探测触发器；电压检测ei采集启动触发器、探测触发器的输入时钟信号，延迟检测ei采集启动触发器、探测触发器的输入时钟信号，还通过与关键路径cp末端连接接收data信号；目标健康监测处理器包括健康监测模式和正常用户模式。
7.其中，所述电压检测ei包括第一jtag接口、第一jtag外围电路、第一电子开关sw1、
第二电子开关sw2、第三电子开关sw3、第一开关混频器sm1、第二开关混频器sm2、乘法器、可编运放和比较器以及检测器；电压检测ei通过第一电子开关sw1、第二电子开关sw2以及第三电子开关sw3连接到目标健康监测处理器监测电压位dut_input和dut_output，通过乘法器、可编运放和比较器以及检测器对关键路径cp的供应静态电压vdd进行检测比较和评估，对于检测结果电压信号值β，ai数据处理器通过ijtag网络接口与第一jtag接口、第一jtag外围电路连接进行读取。
8.其中，所述电压检测ei的电压检测范围是0.85v～1.25v，检测精度为100μv。
9.其中，所述延迟检测ei包括第二jtag接口、第二jtag外围电路、控制器、时间数字转换电路tdc、第一锁存器stage-1、第二锁存器stage-2；延迟检测ei还包括data接口、clk接口以及reset接口；通过data接口与关键路径cp末端连接输入data信号，clk接口用于捕捉关键路径cp上启动触发器和探测触发器输入的时钟信号，reset接口用于接收系统复位信号。
10.其中，所述延迟监测ei的总面积为39.12μm*206.9μm；其中，时间数字转换电路tdc的面积为12μm*103.5μm，控制器的面积为27.12μm*103.4μm。
11.一种基于ijtag的汽车soc监测系统的监测方法，至少包括以下步骤：
12.步骤1、目标健康监测处理器soc芯片上电目标工作电压vdd，目标健康监测处理器进入健康监测模式；
13.步骤2、ai数据处理器发出命令，对目标健康监测处理器以及所有ei进行健康监测；
14.步骤3、ai数据处理器通过ijtag网络接口，获得并存储所有ei健康监测数据；
15.步骤4、ai数据处理器发出目标健康监测处理器健康状态估计以及寿命预测，如果目标健康状态良好以及寿命预测正常，目标健康监测处理器正常boot启动，进入用户模式，否则通知更换目标处理器。
16.其中，所述目标健康状态良好以及寿命预测正常的评价由数字电压信号值β和关键路径cp延迟的阈值决定，目标健康状态下的电压和管径路径cp延迟为阈值的90％。
17.其中，所述数字电压信号值β的检测至少包括以下步骤：
18.步骤1、电压检测ei通过第一电子开关sw1、第二电子开关sw2以及第三电子开关sw3连接到目标健康监测处理器监测电压位dut_input和dut_output，第一开关混频器sm1、第一开关混频器和sm2被重置为零；
19.步骤2、基于二进制搜索方法，对至少10位数字电压信号值β进行编程比较，从最小值开始直到探测触发器反转，此时的数字电压信号值β即测定的电压值；
20.步骤3、若检测不到使探测触发器反转的数字电压信号值β，则将10位数字电压信号值β设置为负值，重新开始比较确定；确定的数字电压信号值β被储存到ai数据处理器的寄存器中。
21.其中，所述关键路径cp延迟监测包括以下步骤：
22.步骤1、延迟监测el进入监测模式，mode_off设置成“1”；
23.步骤2、控制器模块设置一个256个时钟周期的窗口来捕获data信号的第一个变化，mux将捕获的data信号作为“延迟线”的输入；
24.步骤3、通过第一锁存器stage-1来捕获每个clk的正边沿处的data信号，第一锁存
器stage 1的32位输出q[31:0]将传输到控制器模块，该模块确定是否发生了任何data变化；
[0025]
步骤4、如果发生变化，则控制器模块将生成一个捕获信号到第二锁存器stage-2，该锁存器捕获与第一锁存器stage-1相同的内容；如果没有发生变化，则控制器模块将在256个时钟周期窗口结束时生成一个捕获信号，延迟时间的测量是通过stage-2的32位输出out[31:0]得到的。
[0026]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著的进步：
[0027]
(1)本发明通过电压监测ei和延迟检测ei对目标健康监测处理器的健康进行监测，在汽车soc故障出现之前更换老化或者将要出故障的特定处理器，从而避免由老化引起的灾难性故障；其中电压监测ei和延迟检测ei的电源和网络供应来自健康进行监测和ijtag网络接口，减少了系统的功耗和芯片的面积；增加了目标健康监测处理器可嵌入集成的电压监测ei和延迟检测ei的数量，提高了数据的采集量，通过大数据ai数据处理器建立数据处理模型，增加了监测的准确性和精度。
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(2)目标健康监测处理器通过ijtag网络接口与ai数据处理器之间进行数据交互，达到实时监测的目的；目标健康监测处理器包括正常用户模式和健康监测模式，避免了soc芯片在使用过程中的宕机情况，提高了系统的可靠性；其次通过设置于阈值，对其健康状况进行预测，保证在故障发生之前对系统减小维护，进一步提高了整个汽车电子系统的可靠性和稳定性。
附图说明
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图1为本发明的整体结构示意图；
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图2为本发明的电压监测ei设计架构图；
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图3为本发明的延迟监测ei设计架构图；
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图4为本发明的电压监测ei和延迟监测ei的验证gds图。
具体实施方式
[0033]
如图1所示，本发明中的基于ijtag的汽车soc监测系统，基于ijtag的汽车soc监测系统，包括目标健康监测处理器；目标健康监测处理器通过电压检测ei和延迟检测ei与ijtag网络接口连接，电压检测ei通过与目标健康监测处理器连接用于实时检测其内部的局部电压，延迟检测ei通过与目标健康监测处理器连接用于检测其内关键路径延迟及最高频率；ijtag网络接口与ai数据处理器连接，用于在ai数据处理器与电压检测ei和延迟检测ei之间传递数据及命令；电压检测ei和延迟检测ei通过连接共享目标健康监测处理器的电压供应和ijtag网络接口的网络供应。目标健康监测处理器包括启动触发器、关键路径cp以及探测触发器，启动触发器通过关键路径cp将data信号传递给探测触发器；电压检测ei采集启动触发器、探测触发器的输入时钟信号，延迟检测ei采集启动触发器、探测触发器的输入时钟信号，还通过与关键路径cp末端连接接收data信号；目标健康监测处理器包括健康监测模式和正常用户模式。
[0034]
如图2所示，电压检测ei包括第一jtag接口、第一jtag外围电路、第一电子开关sw1、第二电子开关sw2、第三电子开关sw3、第一开关混频器sm1、第二开关混频器sm2、乘法
器、可编运放和比较器以及检测器；电压检测ei通过第一电子开关sw1、第二电子开关sw2以及第三电子开关sw3连接到目标健康监测处理器监测电压位dut_input和dut_output，通过乘法器、可编运放和比较器以及检测器对关键路径cp的供应静态电压vdd进行检测比较和评估，对于检测结果电压信号值β，ai数据处理器通过ijtag网络接口与第一jtag接口、第一jtag外围电路连接进行读取。电压检测ei的电压检测范围是0.85v～1.25v，检测精度为100μv。
[0035]
如图3所示延迟检测ei包括第二jtag接口、第二jtag外围电路、控制器、时间数字转换电路tdc、第一锁存器stage-1、第二锁存器stage-2；延迟检测ei还包括data接口、clk接口以及reset接口；通过data接口与关键路径cp末端连接输入data信号，clk接口用于捕捉关键路径cp上启动触发器和探测触发器输入的时钟信号，reset接口用于接收系统复位信号。
[0036]
如图4所示，延迟监测ei的总面积为39.12μm*206.9μm；其中，时间数字转换电路tdc的面积为12μm*103.5μm，控制器的面积为27.12μm*103.4μm。
[0037]
基于ijtag的汽车soc监测系统的监测方法，至少包括以下步骤：目标健康监测处理器soc芯片上电目标工作电压vdd，目标健康监测处理器进入健康监测模式；ai数据处理器发出命令，对目标健康监测处理器以及所有ei进行健康监测；ai数据处理器通过ijtag网络接口，获得并存储所有ei健康监测数据；ai数据处理器发出目标健康监测处理器健康状态估计以及寿命预测，如果目标健康状态良好以及寿命预测正常，目标健康监测处理器正常boot启动，进入用户模式，否则通知更换目标处理器。
[0038]
目标健康状态良好以及寿命预测正常的评价由数字电压信号值β和关键路径cp延迟的阈值决定，目标健康状态下的电压和管径路径cp延迟为阈值的90％。
[0039]
其中，数字电压信号值β的检测至少包括以下步骤：
[0040]
电压监测ei分为原始仪器和其ijtag封装部分。基本操作基于逐次逼近法的原理，其中待监测电压偏移值与10位数字控制的可编程放大器/比较器产生的电压进行比较。soc内部的ijtag网络生成和处理出10位数字电压信号。
[0041]
对电压监测ei操作是，首先，通过第一电子开关sw1、第二电子开关sw2和第三电子开关sw3将电压监测ei连接到目标监测电压的位置(dut_input和dut_output)。第一开关混频器sm1、第二开关混频器sm2被重置为零。对10位数字电压信号值β的编程是基于一种二进制搜索方法来找到，从最小开始直到能够反转探测触发器器，此时的β值既是测定的电压值。如果找不到这个值，β被设置为负值，重新开始搜索过程。最后，结果β可在存储到ai数据处理器的寄存器中读取。
[0042]
其中，关键路径cp延迟监测包括以下步骤：
[0043]
延迟监测ei电路包括jtag接口,jtag外围电路,控制器，时间数字转换(tdc)电路,监测开关，如图3所示。延迟监测ei从在监测的关键路径的末端连接到data输入信号，而clk用于捕捉关键路径上数据变化的锁存器的输入时钟信号；reset信号是系统复位信号。该设计的主要思想是观察在时钟边沿发生上升之前，对data信号进行采样。延迟监测el可以配置为三种不同的操作模式，其中监测模式是最重要的模式。此时mode_off设置成“1”；在监测模式下，控制器模块设置一个256个时钟周期的窗口来捕获data信号的第一个变化。这个值是设计权衡考虑出来的，可以平衡data变化发生的概率和在系统级别检测到data变化的
等待时间。然后，mux将选择data作为“延迟线”的输入。“延迟线”的主要目的是设置在时钟上升沿之前的观察窗口。为了对“延迟线”中的data信号内容进行采样，使用第一锁存器stage-1来捕获每个clk的正边沿处的data信号。第一锁存器stage-1的32位输出q[31:0]将传输到控制器模块，该模块确定是否发生了任何data变化。如果发生变化，则控制器模块将生成一个捕获信号到第二锁存器stage-2，该锁存器捕获第一锁存器stage-1的内容。如果没有发生变化，则控制器模块将在256个时钟周期窗口结束时生成一个捕获信号。延迟时间的测量是通过第二锁存器stage-2的32位输出out[31:0]得到的。
[0044]
如图4所示，为验证本发明的效果，展示了延迟检测ei的布局，其中tdc是使用tsmc标准单元库中具有最小传播延迟的反相器来实现的。tdc块的面积为12μm*103.5μm，而控制模块的面积为27.12μm*103.4μm。所提出的时序ei的总面积为39.12μm*206.9μm(或0.008mm2)。因此延迟监测ei可以容易的集成多个到soc处理器中，增加数据采集量，提高监测准确性和精度。

技术特征：
1.一种基于ijtag的汽车soc监测系统，包括目标健康监测处理器；其特征在于：所述目标健康监测处理器通过电压检测ei和延迟检测ei与ijtag网络接口连接，电压检测ei通过与目标健康监测处理器连接用于实时检测其内部的局部电压，延迟检测ei通过与目标健康监测处理器连接用于检测其内关键路径延迟及最高频率；ijtag网络接口与ai数据处理器连接，用于在ai数据处理器与电压检测ei和延迟检测ei之间传递数据及命令；电压检测ei和延迟检测ei通过连接共享目标健康监测处理器的电压供应和ijtag网络接口的网络供应。2.根据权利要求1所述的一种基于ijtag的汽车soc监测系统，其特征在于，所述目标健康监测处理器包括启动触发器、关键路径cp以及探测触发器；电压检测ei采集启动触发器、探测触发器的输入时钟信号，延迟检测ei采集启动触发器、探测触发器的输入时钟信号，还通过与关键路径cp末端连接接收data信号；目标健康监测处理器包括健康监测模式和正常用户模式。3.根据权利要求1所述的一种基于ijtag的汽车soc监测系统，其特征在于，所述电压检测ei包括第一jtag接口、第一jtag外围电路、第一电子开关sw1、第二电子开关sw2、第三电子开关sw3、第一开关混频器sm1、第二开关混频器sm2、乘法器、可编运放和比较器以及检测器；电压检测ei通过第一电子开关sw1、第二电子开关sw2以及第三电子开关sw3连接到目标健康监测处理器监测电压位dut_input和dut_output，通过乘法器、可编运放和比较器以及检测器对关键路径cp的供应静态电压vdd进行检测比较和评估，对于检测结果电压信号值β，ai数据处理器通过ijtag网络接口与第一jtag接口、第一jtag外围电路连接进行读取。4.根据权利要求1所述的一种基于ijtag的汽车soc监测系统，其特征在于，所述电压检测ei的电压检测范围是0.85v～1.25v，检测精度为100μv。5.根据权利要求1所述的一种基于ijtag的汽车soc监测系统，其特征在于，所述延迟检测ei包括第二jtag接口、第二jtag外围电路、控制器、时间数字转换电路tdc、第一锁存器stage-1、第二锁存器stage-2；延迟检测ei还包括data接口、clk接口以及reset接口；通过data接口与关键路径cp末端连接输入data信号，clk接口用于捕捉关键路径cp上启动触发器和探测触发器输入的时钟信号，reset接口用于接收系统复位信号。6.根据权利要求5所述的一种基于ijtag的汽车soc监测系统，其特征在于，所述延迟监测ei的总面积为39.12μm*206.9μm；其中，时间数字转换电路tdc的面积为12μm*103.5μm，控制器的面积为27.12μm*103.4μm。7.根据权利要求1～6任意一项所述的基于ijtag的汽车soc监测系统的监测方法，其特征在于，至少包括以下步骤：步骤1、目标健康监测处理器soc芯片上电目标工作电压vdd，目标健康监测处理器进入健康监测模式；步骤2、ai数据处理器发出命令，对目标健康监测处理器以及所有ei进行健康监测；步骤3、ai数据处理器通过ijtag网络接口，获得并存储所有ei健康监测数据；步骤4、ai数据处理器发出目标健康监测处理器健康状态估计以及寿命预测，如果目标健康状态良好以及寿命预测正常，目标健康监测处理器正常boot启动，进入用户模式，否则通知更换目标处理器。8.根据权利要求7所述的基于ijtag的汽车soc监测系统的监测方法，其特征在于，所述
目标健康状态良好以及寿命预测正常的评价由数字电压信号值β和关键路径cp延迟的阈值决定，目标健康状态下的电压和管径路径cp延迟为阈值的90％。9.根据权利要求8所述的基于ijtag的汽车soc监测系统的监测方法，其特征在于，所述数字电压信号值β的检测至少包括以下步骤：步骤1、电压检测ei通过第一电子开关sw1、第二电子开关sw2以及第三电子开关sw3连接到目标健康监测处理器监测电压位dut_input和dut_output，第一开关混频器sm1、第一开关混频器sm2被重置为零；步骤2、基于二进制搜索方法，对至少10位数字电压信号值β进行编程比较，从最小值开始直到探测触发器反转，此时的数字电压信号值β即测定的电压值；步骤3、若检测不到使探测触发器反转的数字电压信号值β，则将10位数字电压信号值β设置为负值，重新开始比较确定；确定的数字电压信号值β被储存到ai数据处理器的寄存器中。10.根据权利要求8所述的基于ijtag的汽车soc监测系统的监测方法，其特征在于，所述关键路径cp延迟监测包括以下步骤：步骤1、延迟监测el进入监测模式，mode_off设置成“1”；步骤2、控制器模块设置一个256个时钟周期的窗口来捕获data信号的第一个变化，mux将捕获的data信号作为“延迟线”的输入；步骤3、通过第一锁存器stage-1来捕获每个clk的正边沿处的data信号，第一锁存器stage 1的32位输出q[31:0]将传输到控制器，控制器确定是否发生了任何data变化；步骤4、如果发生变化，则控制器模块将生成一个捕获信号到第二锁存器stage-2，该锁存器捕获与第一锁存器stage-1相同的内容；如果没有发生变化，则控制器将在256个时钟周期窗口结束时生成一个捕获信号，延迟时间的测量通过第二锁存器stage-2的32位输出out[31:0]获取。

技术总结
本发明公开了一种基于IJTAG的汽车SoC监测系统，包括目标健康监测处理器；所述目标健康监测处理器通过电压检测EI和延迟检测EI与IJTAG网络接口连接，电压检测EI通过与目标健康监测处理器连接用于实时检测其内部的局部电压，延迟检测EI通过与目标健康监测处理器连接用于检测其内关键路径延迟及最高频率；还公开了一种基于IJTAG的汽车SoC监测系统的检测方法，包括进入健康监测模式，对所有目标工作电压和延迟的监测，保证目标健康状态良好以及寿命预测正常。本发明通过IJTAG网络接口嵌入电压检测EI和延迟检测EI，对汽车SoC芯片进行在线监测以及预测，提高了汽车SoC芯片在使用中的可靠性和稳定性；电压检测EI和延迟检测EI的设置进一步提高了监测数据的准确性。的设置进一步提高了监测数据的准确性。的设置进一步提高了监测数据的准确性。


技术研发人员：赵永 张晓岩 郭龙坤
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/12