2020年12月17日 | 俄罗斯Milandr公司利用RISC-V开发第二代控制器

目前市场上基于RISC-V的解决方案越来越多。例如，来自中国的微控制器已经开始批量生产;Microchip提供了带有FPGA的有趣解决方案。用于RISC-V体系结构的软件和设计工具的生态系统也在不断发展。来自俄罗斯的一家企业Milandr也参与了这场竞赛，他们提供了用在电度表上的基于RISC-V处理器核心的新型K1986BK025微控制器样品。

下面看看这家俄罗斯企业的RISC-V作品性能如何。

基于RISC-V核心的K1986BK025微控制器是Milandr公司用于电表上面的第二代微控制器。他们在五年前开发的第一代K1986BK2x芯片是基于ARM Cortex-M0处理器核心。在它们的基础上，现在已设计出了米勒计数器。

然而，新的市场规则对新芯片提出了新的要求。根据俄罗斯标准，计量设备需要引入更多的功能，以达到«minimum functionality»。同时也需要适应所需的价格，因为你将不得不与像TI和NXP这样的巨头公司竞争。此外，新的智能电表要能够自己可以关闭用电限制，这意味着一个新系统也要提供信息安全，这样入侵者就不能随意切断或接通电源了。

К1986ВК025亮点

处理器内核——RISC-V(BМ-310S CloudBEAR)

频率- 60mhz

电源电压(主)2.2…3.6 V

电源电压(ADC)3.0…3.6 V

电源电压(电池供电)1.8…3.6 V

Flash程序内存容量- 256+8Kbyte

内存容量RAM - 112Kbyte

一次可编程ROM - 16kbyte

计量电性测量ADC - 24位sigma delta, 7通道

计算功耗的硬件单元

带有温度传感器ADC – 10bit

接口- 5xUART, 3xSPI, 1xI2C

用户IO接口 - 55

512字节电池域实时时钟和篡改检测

4个32位定时器块，4个事件捕获通道和PWM

看门狗定时器

具有变量多项式的CRC计数块

对称密码算法计算支持块

随机数产生装置

频率变化检波器

电源电压检测单元(主、电池)

光检测器块

电力供应链中的噪声产生装置

保护屏幕的网格

调试接口- JTAG

包装类型- QFN88 (10 x 10 mm)

工作温度-50°C-+85°C

处理器内核

芯片的核心是32位的RISC-V处理器核心(在RV32 IMC配置中)，带有BM-310标记，这是由CloudBEAR设计。这不是他们唯一的处理器核心。它们提供从小型微控制器核心到高性能64位多处理器集群一系列核心。

Milandr正在开发基于不同复杂程度的CloudBEAR组合核心产品。目前只有基于BM310核心的K1986VK025芯片可用。然而，其他产品，包括基于64位内核的将很快问世。BM-310核是一个32位的RISC-V，具有三阶段组装的能力，能够在两个周期内执行乘法操作。在这个版本的芯片中还没有实现浮点运算支持。BM-310核在CoreMark测试中的性能为3.0 CoreMark/MHz。因此，它可以与ARM Cortex-M3相比较。同时,新芯片的核心面积只有0.3平方毫米, 考虑到大部分功耗参数的计算任务是由计量ADC的硬件控制器完成的，核心的主要处理功率可用于计量装置中的通信任务。

价格

价格是芯片的主要标准之一。模具尺寸是芯片成本的主要因素。它的面积越大价格越高，生产技术越复杂也就越昂贵。同时，使用的技术越复杂，实现所需功能所需的面积就越小，因此价格就会更便宜。总体而言，技术的选择并不明显。第一代K1986BK2x芯片是在180 nm波长下开发。大约三分之一的模具属于模拟部分。然而，根据新的需求，功能数量应增加近4倍。新芯片实现了256KB Flash, 112KB RAM, 5个UART块，3个SPI块和更多的加密……因此，经过全面的评估和计算，如果你特别关注这个领域，那么有可能达到90 nm技术所需的成本范围，65 nm或更低的技术将更容易，但总体上更高的开发成本将使项目在融资方面更具风险。

因此，如今设计的模具更紧凑，比之前的模具面积小2倍多。虽然最初有计划将模具减少到8平方毫米，但取得的效果也很好。鉴于此，模具的形状变成了矩形，而不是正方形。模具的上半部分是为模拟块而设计的，它的布局是为最初计划的尺寸而单独绘制的，当发现图形不合适时，模具就开始“长”成一个矩形。第一代芯片也出现了同样的情况。

计量ADC

如果处理器核心是微控制器的心脏，那么计量ADC就是它的大脑，因为它指定了微电路的任务。单片机实现了一组7通道的24位∑∆adc。所有通道分为三对F0- F2(电压通道和电流通道)三相网络和一个独立的电流通道(简称F0)。每7通道数字化输入信号的输出采样率高达16 kHz。除此之外, 在每对信道F0-F2中，有机会计算电流/电压的均方根值、有功和无功功率、消耗的有功和无功能量、电压信道中的信号频率、峰值的过剩。这些额外的块降低了处理器的负载，从而降低了整个芯片的功耗。此外，每个ADC有一个独立的DMA通道，提供将数据保存到RAM而不需要处理器参与的能力。因此，计算所消耗的能量是在处理器参与最少的情况下执行的。

保护措施

1.密码

该电路实现了信息保护的所有功能，包括:

支持块密码AES的协处理器块;

随机数产生器块;

用于计算任意多项式CRC的块;

块特殊的易失性存储器，用电池存储关键信息

一次性可编程引导加载ROM，实现每个芯片的唯一标识。

2.工程的保护

为了防止各种工程方法同时冲击电表和单独芯片，芯片内置了特殊工程保护方法:

防篡改探测器用3个引脚(电子封条)

频率变化检测器块

电源电压变化检测单元

光检测器单元

阻挡电源电路中产生的噪声

保护丝网

防止未经授权的内存读取

Die的实物图如下：

比较一下，这是ST芯片(ST23系列)中安全网格的外观。

如果网格完整性受到物理破坏，就会发出警报。软件必须监视所有报警事件，并记录记录攻击的事实。更重要的是，可以配置微电路，以便在检测到攻击时自动删除加密密钥信息。这一切都需要软件的保证。

对于用户程序，芯片包含一次性可编程ROM的16Kbytes 和256 + 8Kbytes的可重编程闪存。该芯片从内置的一次性可编程存储器启动。

最初，在芯片制造期间，这个内存是干净的，对于串行产品，启动可信引导加载程序的加载将在测试期间进行。这提供每个芯片的唯一标识，确保计量和密码软件的完整性。

设计工具

为微控制器的初步审查，开发了一个演示板。

此板是专为计量装置原型设计;为了连接计量变压器，设计了大量的SMA接头。这不会粘附于任何特定类型的变压器上，而是很容易精确地连接那些由计量设备开发人员使用的变压器或分流器上。

更重要的是，主板上没有高电压(220V)。为了扩大微电路的营销，arduino格式的微型测试板正在开发中。

Eclipse + GCC

程序开发可以在基于eclipc的环境中进行，使用GCC编译器，并通过OpenOCD, GDB进行调试。要在Eclipse环境中进行调试，可以使用经典的J-Link调试器。Milandr制造的调试器也很好。

IAR

开发也可以在许多IAR嵌入式工作台环境中进行，包括调试、编译和优化工具。