一种电力智能控制终端及其基于RISC-V的SOC电力芯片架构

摘要

本发明一种电力智能控制终端及其基于RISC‑V的SOC电力芯片架构，包括集成设置在一个芯片上通过总线互联的RISC‑V主控单元、AI引擎单元、外设单元、内存和供电单元；RISC‑V主控单元用于处理控制指令和控制指令执行流程；AI引擎单元内置多种AI算子，用于根据控制指令执行AI算法；外设单元用于提供外部设备接入芯片的通用接口；内存用于存储控制指令；供电单元用于芯片的供电。通过内置RISC‑V主控单元和AI引擎单元高效互动，一方面基于RISC‑V的开源指令集实现开源自主，增加了其安全性，一方面利用RISC‑V指令的可扩展性实现AI指令的可扩展，配合AI引擎单元中内置的多种AI算子，实现AI算法在AI引擎单元中的快速执行，提升芯片的运算性能。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统的智能控制终端，具体为一种电力智能控制终端及其基于RISC-V的SOC电力芯片架构。

背景技术

在电力领域随着人工智能技术的深化应用，云-端协同将成为广泛部署的计算范式。相比于云端训练，终端往往进行智能推理运算，智能算法下沉至终端设备，提供智能推断的边缘计算(Edge Computing)，能够满足实时性、低功耗、安全性的需求，且节约带宽与存储。RISC-V产业在国内刚刚起步，非常适合应用在终端的智能推理上，开发人工智能芯片。

目前多核异构架构已成为人工智能芯片的典型技术路线。由于这一类应用通常包含有计算负担较重，但数据通路较为固定的数据流，该数据流在通信系统级芯片(Systemon Chip，SoC)中表现为数字基带的通道滤波、信道估计、调制解调等，在机器视觉处理器中表现为对于图像的滤波平滑、变换、特征提取等。

目前已有大量初创公司针对不同领域及应用，提出多种基于人工智能技术的边缘智能芯片硬件设计架构。但针对电力行业并没有成熟的架构，不能满足电网自主产权、安全可控的要求，同时与电网需求不匹配，系统规格过于庞大，无法实现低成本、低功耗，不能满足电网人工智能应用及物联网端计算的自主定制化需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电力智能控制终端及其基于RISC-V的SOC电力芯片架构，结构简单，设计合理，芯片与安全性好，芯片的处理效率高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于RISC-V的SOC电力芯片架构，包括集成设置在一个芯片上通过总线互联的RISC-V主控单元、AI引擎单元、外设单元、内存和供电单元；

RISC-V主控单元用于处理控制指令和控制指令执行流程；

AI引擎单元内置多种AI算子，用于根据控制指令执行AI算法；

外设单元用于提供外部设备接入芯片的通用接口；

内存用于存储控制指令；

供电单元用于芯片的供电。

优选的，还包括交互连接的高速的AXI总线和低速的APB总线；AXI总线上挂载高速模块，用于完成图像与内存之间的快速操作；APB总线上挂载低速模块，用于完成挂载设备之间的数据交互。

进一步，所述高速模块包括通过AXI总线互联的RISC-V主控单元、AI引擎单元和内存。

再进一步，所述AXI总线上挂载的内存为MEM存储器，还挂载有DMA控制器。

进一步，所述的低速模块包括通过APB总线互联的GPIO接口、PWM接口、I2C接口和UART接口。

再进一步，所述的APB总线上还挂载有看门狗寄存器WDOG和时间寄存器TIMER。

进一步，所述的AXI总线和APB总线上分别设置有对应的SPI接口。

优选的，所述的RISC-V主控单元采用开源的CPU指令集架构和BSD协议。

优选的，所述的RISC-V主控单元用于按需选配AI加速指令集，控制AI引擎单元快速执行AI算法。

一种电力智能控制终端，包括如上所述的基于RISC-V的SOC电力芯片架构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的芯片架构，通过内置RISC-V主控单元和AI引擎单元高效互动，一方面基于RISC-V的开源指令集实现开源自主，增加了其安全性，一方面利用RISC-V指令的可扩展性实现AI指令的可扩展，配合AI引擎单元中内置的多种AI算子，实现AI算法在AI引擎单元中的快速执行，提升芯片的运算性能。

进一步的，通过高低速两级总线的搭配，实现对各种外接设备的需求适配，兼顾了数据处理和交互的效率和稳定性。

附图说明

图1为本发明实例中所述芯片架构的组成结构示意图。

图2为本发明实例中所述芯片架构的示意图。

图3为本发明实例中所述芯片实际应用时的硬件结构图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明涉及RISC-V开源指令集与人工智能SOC芯片设计技术，提供了一种基于RISC-V开源指令集与AI引擎的高性能SOC芯片架构；其中，采主控单元采用RISC-V，同时增加AI引擎，实现AI指令的可扩展，提升芯片的运算性能。

具体的，如图1所示，本发明所述的人工智能芯片，含有RISC-V主控单元，AI引擎单元，外设单元、供电单元和内存。

RISC-V主控单元完成整个芯片的控制信号处理，控制芯片运行流程，从而基于扩展指令集实现AI算法的快速执行。

AI引擎单元中内置多种算子，实现AI算法的快速执行。

外设单元提供UART/SPI/GPIO等通用接口，实现外部设备的接入。

供电单元实现芯片的整体供电。

通过内置RISC-V主控单元和AI引擎单元，一方面实现开源自主，增加了其安全性，一方面利用RISC-V指令的可扩展性可以实现AI算法的快速执行。

具体的芯片架构如图2所示。

本优选实例中，RISC-V主控单元采用基于RISC-V开源指令集的CPU，完全自主产权，高度定制化，从而能够定制AI指令加速，支持浮点运算与AI引擎单元高效互动，提升芯片架构吞吐率。完成整个系统的控制信号处理，控制系统运行流程，可以基于扩展指令集实现AI算法的快速执行。RISC-V CPU与AI引擎通过AXI总线互联，实现两者间的联动。

RISC-V作为世界级的开源CPU指令集架构，采用了BSD协议，这个协议的要求非常宽松，使用RISC-V做进一步的改进时，可以基于开源所做的改进也可以基于不开源所做的改进，没有任何限制包括闭源和商用，都能够实现，为电力行业的电网需求提供了极大的配置空间和控制可能性。

AI引擎单元中内置多种算子，实现AI算法的快速执行。在加速神经网络算法的运算速度时，与RISC-V的CPU进行互动，通过AI加速指令集高效运行，提高系统效率。RISC-V指令集实现了按需选配，使得功耗和性价比方面取得了较大优势，同时其开源的特点使得指令集的安全性得以被广泛的研究。

再芯片架构的总线设置上，系统分为两级总线架构，AXI总线上挂载高速模块，完成图像与内存之间的快速操作，RISC-V主控单元和AI引擎单元都挂接在AXI总线上，实现指令和数据的快速交互；APB总线上挂载低速模块，完成GPIO、I2C、UART等低速设备的数据交互。

本优选实例如图2所示，在AXI总线和APB总线上均设置有串行外设接口SPI，用于与外部设备分别进行交互；在AXI总线上还设置有DMA控制器，用于控制外部直接进行芯片内部存储器的访问，即对内存的直接访问；同时在本优选实例中，内存采用MEM存储器与DMA控制器、RISC-V主控单元和AI引擎单元进行配合；在APB总线上还分别挂接有看门狗寄存器WDOG对指令执行进行监控，挂接时间寄存器TIMER提供相应的时钟信号，还挂接有脉冲宽度调制接口PWM与外部对应设备交互。

本发明还提供了一种电力智能控制终端，该终端中以本发明所述的芯片架构为基础进行开发和配置，对其所需要的智能功能和要求进行适配，满足各自的智能控制要求。

在国网全国产化设备研发过程中，利用此芯片研制各类终端，如营配一体化融合终端、输电线路智慧网关，提升设备的安全性与处理性能。具体的将其利用在物联管理平台中，能够实现采用模块化设计的远程通信单元与本地通信单元模块之间的互换性要求，可根据需求更换和选择，便于更换。在芯片架构的基础上采用嵌入式操作系统，支持Ubuntulinux，能够版本可控，在线升级，使得操作系统支撑上层应用APP的独立开发及运行。

如图3所示，所述开发的硬件还包括，

如下模块化的远程通信单元，支持全网通模式、TDD-LTE、FDD-LTE和无线公网的4G模块；支持全网通模式和无线公网的5G模块；支持短报文模式的北斗模块；支持千兆光纤的光纤模块；100Mbps以上的远程以太网模块；100Mbps以上的摄像头以太网模块；

如下模块化的远程通信单元，1200bps-9600bps的RS-485接口；9600bps-115200bps的RS-232接口；基于433MHz，采用Lora或者ZigBee的微功率无线模块；2.4GHz的无线WIFI模块；5.8GHz的无线网桥模块。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。