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基于RISC-V內(nèi)核的K1986BK025微控制器是Milandr的第二代電表微控制器。第一代K1986BK2x芯片已經(jīng)在ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核上開(kāi)發(fā)，并且已經(jīng)生產(chǎn)了5年以上。在此基礎(chǔ)上，已經(jīng)設(shè)計(jì)了Milur儀表。

然而，時(shí)間不會(huì)停滯，技術(shù)需要不斷發(fā)展，新的市場(chǎng)規(guī)則規(guī)定了對(duì)新芯片的新要求。需要引入符合俄羅斯計(jì)量設(shè)備的“最低功能”標(biāo)準(zhǔn)更多功能需求。還需要合適的價(jià)格，可以與TI和NXP等巨頭的競(jìng)爭(zhēng)。新的智能電表可以關(guān)閉和限制用電量。這意味著新系統(tǒng)也應(yīng)提供信息安全性，以使入侵者無(wú)法自行決定關(guān)閉或打開(kāi)電源。基于這些需求Milandr研制了些都產(chǎn)一款新的基于RISC-V處理器：K1986BK025，接下來(lái)做詳細(xì)介紹。

1. 主要功能

• 處理器核心：RISC-V（BМ-310SCloudBEAR）
• 主頻：60 MHz電源電壓（主）2.2 ... 3.6 V電源電壓（ADC使用）3.0 ... 3.6 V電源電壓：1.8 ... 3.6 V
• 閃存程序存儲(chǔ)器容量：256 + 8 KB
• 存儲(chǔ)器容量RAM：112 KB
• 一次性可編程ROM的容量：16 KB
• 計(jì)量用電測(cè)量ADC ：24位sigma delta，7通道
• 用于計(jì)算功耗的ADC：10位帶溫度傳感器
• 接口：5xUART，3xSPI，1xI2C
• 用戶IO：55
• 具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和篡改檢測(cè)的512字節(jié)電池域
• 4個(gè)32位定時(shí)器模塊，具有4個(gè)事件捕獲通道和PWM
• 4個(gè)32位定時(shí)器塊，4個(gè)事件捕獲通道和PWM
• 看門(mén)狗定時(shí)器
• 具有變量多項(xiàng)式的CRC計(jì)數(shù)塊
• 對(duì)稱(chēng)密碼算法計(jì)算支持塊
• 隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置
• 頻率變化檢波器
• 電源電壓檢測(cè)單元(主、電池)
• 光檢測(cè)器塊
• 電力供應(yīng)鏈中的噪聲產(chǎn)生裝置
• 調(diào)試接口：JTAG
• 封裝類(lèi)型：QFN88 (10 x 10 mm)
• 工作溫度：50°C…+85°C

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

2. 處理器核心

如前所述，芯片的核心是帶有BM-310標(biāo)記的32位RISC-V處理器內(nèi)核（采用RV32 IMC配置），它是由CloudBEAR設(shè)計(jì)的。這不是他們唯一的處理器核心。他們提供了一系列的核心，從小型微控制器核心到高性能的64位多處理器集群。

Milandr正在開(kāi)發(fā)基于CloudBEAR組合中不同復(fù)雜程度的內(nèi)核的新產(chǎn)品。現(xiàn)在只有基于BM310內(nèi)核的K1986VK025已上市。不過(guò)，其他產(chǎn)品，包括基于64位內(nèi)核的產(chǎn)品將很快面世。BM-310內(nèi)核是一個(gè)32位的RISC-V內(nèi)核，采用三段式匯編，能夠在兩個(gè)周期內(nèi)完成一次乘法運(yùn)算。在這個(gè)版本的芯片中還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算的支持（雖然內(nèi)核允許設(shè)置浮點(diǎn)運(yùn)算）。

BM-310內(nèi)核在CoreMark測(cè)試中的性能為3.0 CoreMark/MHz。因此，它可以與ARM Cortex-M3相媲美。同時(shí)，新芯片中的核心面積只有0.3m㎡，考慮到大部分計(jì)算功耗參數(shù)的任務(wù)都是由計(jì)量ADC的硬件控制器來(lái)完成的，因此主要處理能力的核心可以用于計(jì)量裝置的通信任務(wù)。

3. 價(jià)格

芯片尺寸是芯片成本的主要因素。它的面積越大，價(jià)格越貴，生產(chǎn)技術(shù)越復(fù)雜，價(jià)格也就越高。同時(shí)，使用的技術(shù)越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)所需功能所需的面積就越小，因此價(jià)格會(huì)更便宜。總體而言，技術(shù)的選擇并不明顯。第一代K1986BK2x芯片開(kāi)發(fā)于180 nm。大約三分之一的芯片屬于模擬部分（實(shí)際上是sigma-delta ADC、電源、IO），當(dāng)切換到更精細(xì)的工藝時(shí)，當(dāng)切換到更細(xì)微的工藝時(shí)，這部分實(shí)際上不會(huì)減少。但按照新的要求，功能量要增加近4倍。

新的芯片實(shí)現(xiàn)了256KB Flash對(duì)64K，RAM 112KB對(duì)16K，5個(gè)UART， 3個(gè)SP，還有更多的加密技術(shù)......所以，經(jīng)過(guò)全面的估計(jì)和計(jì)算，決定如果特別在意成本，那么用90nm的技術(shù)是可以進(jìn)入要求的成本范圍的，當(dāng)然采用用65nm或更低的技術(shù)會(huì)更好，但一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)成本也將會(huì)提高高，會(huì)使項(xiàng)目在融資方面的風(fēng)險(xiǎn)更大。

4. 計(jì)量ADC

如果處理器核心是微控制器的心臟，那么計(jì)量ADC就是其大腦，因?yàn)樗怯糜谥付ㄎ㈦娐贩峙洹Ｎ⒖刂破鲗?shí)現(xiàn)了一個(gè)包含7個(gè)通道的24位Σ? ADC的模塊。

對(duì)于三相網(wǎng)絡(luò)，所有通道分為三對(duì)F0-F2（電壓通道和電流通道）和一個(gè)獨(dú)立的電流通道（稱(chēng)為F0）。7個(gè)通道中的每個(gè)通道都以高達(dá)16 kHz的輸出采樣率數(shù)字化輸入信號(hào)。

此外，在每對(duì)通道F0-F2中，都有機(jī)會(huì)計(jì)算電流/電壓的均方根值，計(jì)算有功和無(wú)功功率，計(jì)算消耗的有功和無(wú)功電能，電壓中的信號(hào)頻率通道，峰值超出部分以及信號(hào)下降到低于設(shè)定水平。

這些額外的功能塊降低了處理器的負(fù)載，從而減少了整個(gè)芯片的功耗。此外，每個(gè)ADC都有一個(gè)獨(dú)立的DMA通道，無(wú)需處理器參與即可將數(shù)據(jù)保存到RAM。

Σ? ADC單元的主要參數(shù)和功能列表：

• 7個(gè)獨(dú)立的ADC，輸出采樣率為4/8/16 kHz（4個(gè)電流通道和3個(gè)電壓通道）。這些通道組成3個(gè)塊，用于測(cè)量每個(gè)相F0-F2的參數(shù)。
• 在通道F0的塊中，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前通道（具有最大值）的自動(dòng)選擇，用于功率特性的后續(xù)計(jì)算。如果電流差超過(guò)6％，則會(huì)產(chǎn)生中斷。除此功能外，其余的塊F0-F2是相同的。
• 所有ADC通道均具有獨(dú)立的斜率校準(zhǔn)系數(shù)特性。
• 每個(gè)當(dāng)前通道都有一個(gè)獨(dú)立的積分器。
• 每個(gè)ADC模塊（F0-F2）通過(guò)電壓通道獨(dú)立計(jì)算信號(hào)周期。計(jì)算此值的周期數(shù)可以設(shè)置為等于1/2/4/8/16/32/64/128個(gè)周期。
• 每個(gè)模塊都可以驗(yàn)證電壓通道中周期性信號(hào)的損耗。
• 每個(gè)模塊都可以驗(yàn)證電壓“下降”到指定水平以下，以及電流和電壓通道中的信號(hào)是否超出指定限制。
• 允許以0.02％的精度校正電壓通道中信號(hào)的相位。
• 允許計(jì)算均方根值，電流和電壓的均方根平方值以及它們的獨(dú)立校準(zhǔn)。
• 在計(jì)算有功和無(wú)功能量時(shí)，該期間的累計(jì)能量值存儲(chǔ)在單獨(dú)的寄存器中（用于正和負(fù)能量）。
• 全功率和能量計(jì)算。
• 相對(duì)于相位0計(jì)算相移。

因此，計(jì)算所消耗的功耗是在處理器的最小參與下執(zhí)行的。

5. 保護(hù)

5.1 密碼保護(hù)

該微電路實(shí)現(xiàn)了信息保護(hù)的所有功能，包括:

• 支持塊密碼AES的協(xié)處理器塊；
• 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；
• 用于計(jì)算任意多項(xiàng)式的CRC的塊；
• 帶電池的關(guān)鍵信息專(zhuān)用易失性存儲(chǔ)
• 一次性可編程引導(dǎo)加載程序ROM，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)芯片的唯一標(biāo)識(shí)。

對(duì)稱(chēng)加密是在協(xié)處理器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，協(xié)處理器可以加快最困難的操作。這樣可以以最高10 Mbps的最高性能來(lái)加速加密速度。如有必要，可在軟件中實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)密碼算法。

5.2 工程防護(hù)

為了防止各種工程方法對(duì)電能表和獨(dú)立芯片的沖擊，采用了特殊的工程保護(hù)方法：

• 3個(gè)用于篡改檢測(cè)器的引腳（電子密封件）
• 頻率變化檢測(cè)器模塊
• 電源電壓變化檢測(cè)器單元
• 光學(xué)探測(cè)器單元
• 防止未經(jīng)授權(quán)的內(nèi)存讀取

針夯探測(cè)器的引腳是微控制器的三個(gè)單獨(dú)的引腳，即使在沒(méi)有主電源（僅電池）且所有時(shí)鐘關(guān)閉的情況下，也可以通過(guò)它們記錄來(lái)自外部電子密封件的信號(hào)。因此，將檢測(cè)并記錄對(duì)儀表的任何機(jī)械沖擊嘗試。除了設(shè)備外殼的保護(hù)機(jī)制外，還實(shí)現(xiàn)了保護(hù)微電路自身免受更復(fù)雜攻擊的方法。

為了消除處理器頻率 "加速 "或反之 "減速 "的情況，實(shí)現(xiàn)了頻率變化檢測(cè)器，它不斷地將外部頻率源與內(nèi)部RC發(fā)生器進(jìn)行比較，當(dāng)偏差發(fā)生在規(guī)定的范圍之外時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生事件或?qū)?a href="http://www.xebio.com.cn/semi" target="_blank" class="keylink">芯片切換到內(nèi)部（在芯片上實(shí)現(xiàn)的）應(yīng)急頻率源。

頻率信號(hào)的 "突變 "由輸入信號(hào)的濾波系統(tǒng)來(lái)抵消。為了在打開(kāi)主電源時(shí)正確啟動(dòng)微電路，以及檢測(cè)電源超出可接受范圍的事實(shí)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電壓檢測(cè)單元。該單元還監(jiān)測(cè)在沒(méi)有主電源的情況下，芯片賴(lài)以工作的電池電量。因此，已經(jīng)消除了任何通過(guò)電源電壓破壞微電路運(yùn)行的操作或企圖。

為了避免關(guān)鍵信息通過(guò) "后側(cè) "通道(例如電源電路)泄漏，已經(jīng)在微電路中使用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了主電源噪聲掩蔽模塊。該模塊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)變化的附加消耗，用量掩蓋主消耗。為了防止更嚴(yán)重的半侵入式和侵入式攻擊（當(dāng)訪問(wèn)微電路的裸片甚至裸片的單個(gè)電路時(shí)對(duì)微電路的攻擊），實(shí)現(xiàn)了光學(xué)檢測(cè)器。由于通常是微電路的裸片，因此不可能有光進(jìn)入。萬(wàn)一微電路斷開(kāi)并且光線接觸芯片，光學(xué)傳感器將發(fā)出警報(bào)。

如果入侵者走得更遠(yuǎn)，那么為了限制對(duì)微電路內(nèi)部電路的訪問(wèn)，在裸片布局的上層實(shí)施保護(hù)堆棧，其中接地電路和功率電路交織在一起，以及沿信息電路傳輸隨機(jī)多項(xiàng)式。順便說(shuō)一句，這就是為什么上面的圖片顯示的是CAD的布局圖，而不是裸片的真實(shí)照片。

至于裸片的真實(shí)圖片，看起來(lái)像這樣。

對(duì)比一下，ST卡芯片（ST23系列）的防盜網(wǎng)是這樣的。

如果網(wǎng)狀物完整性受到物理侵犯，也會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。軟件必須監(jiān)控所有報(bào)警事件，如果發(fā)生，則記錄攻擊的事實(shí)。更為重要的是，可以配置微電路，當(dāng)檢測(cè)到攻擊時(shí)，密碼密鑰信息會(huì)自動(dòng)刪除。這一切都需要軟件的保證。

對(duì)于用戶程序，該芯片包含16 KB的一次性可編程ROM和256 + 8 KB的可重新編程閃存。該芯片是從內(nèi)置的一次性可編程存儲(chǔ)器啟動(dòng)的。最初，在芯片制造時(shí)，這個(gè)存儲(chǔ)器是干凈的，對(duì)于系列化產(chǎn)品，在測(cè)試和剔除過(guò)程中要加載一個(gè)啟動(dòng)可信的bootloader。這樣就可以為每個(gè)芯片提供唯一的標(biāo)識(shí)，保證計(jì)量和加密軟件的完整性，同時(shí)也保證了閃存中用戶程序的保護(hù)。