详细介绍一款俄罗斯RISC-V芯片：用于智能电表，工艺落后，但设计考虑非常周全！
目前，基于开放标准指令集架构RISC-V的解决方案在市场上的占有率越来越高。今天我们为大家介绍一款俄罗斯初创公司Milandr刚刚推出的RISC-V处理器。处理器型号为K1986BK025，被用于电表控制。
基于RISC-V内核的K1986BK025微控制器是Milandr的第二代电表微控制器。第一代K1986BK2x芯片已经在ARM Cortex-M0处理器内核上开发，并且已经生产了5年以上。在此基础上，已经设计了Milur仪表。
然而，时间不会停滞，技术需要不断发展，新的市场规则规定了对新芯片的新要求。需要引入符合俄罗斯计量设备的“最低功能”标准更多功能需求。还需要合适的价格，可以与TI和NXP等巨头的竞争。新的智能电表可以关闭和限制用电量。这意味着新系统也应提供信息安全性，以使入侵者无法自行决定关闭或打开电源。基于这些需求Milandr研制了些都产一款新的基于RISC-V处理器：K1986BK025，接下来做详细介绍。
1. 主要功能
处理器核心：RISC-V（BМ-310SCloudBEAR）
主频：60 MHz电源电压（主）2.2 ... 3.6 V电源电压（ADC使用）3.0 ... 3.6 V电源电压：1.8 ... 3.6 V
闪存程序存储器容量：256 + 8 KB
存储器容量RAM：112 KB
一次性可编程ROM的容量：16 KB
计量用电测量ADC ：24位sigma delta，7通道
用于计算功耗的ADC：10位带温度传感器
接口：5xUART，3xSPI，1xI2C
用户IO：55
具有实时时钟和篡改检测的512字节电池域
4个32位定时器模块，具有4个事件捕获通道和PWM
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
调试接口：JTAG
封装类型：QFN88 (10 x 10 mm)
工作温度：50°C…+85°C
系统结构：
2. 处理器核心
如前所述，芯片的核心是带有BM-310标记的32位RISC-V处理器内核（采用RV32 IMC配置），它是由CloudBEAR设计的。这不是他们唯一的处理器核心。他们提供了一系列的核心，从小型微控制器核心到高性能的64位多处理器集群。
Milandr正在开发基于CloudBEAR组合中不同复杂程度的内核的新产品。现在只有基于BM310内核的K1986VK025已上市。不过，其他产品，包括基于64位内核的产品将很快面世。BM-310内核是一个32位的RISC-V内核，采用三段式汇编，能够在两个周期内完成一次乘法运算。在这个版本的芯片中还没有实现对浮点运算的支持（虽然内核允许设置浮点运算）。
BM-310内核在CoreMark测试中的性能为3.0 CoreMark/MHz。因此，它可以与ARM Cortex-M3相媲美。同时，新芯片中的核心面积只有0.3m㎡，考虑到大部分计算功耗参数的任务都是由计量ADC的硬件控制器来完成的，因此主要处理能力的核心可以用于计量装置的通信任务。
3. 价格
芯片尺寸是芯片成本的主要因素。它的面积越大，价格越贵，生产技术越复杂，价格也就越高。同时，使用的技术越复杂，实现所需功能所需的面积就越小，因此价格会更便宜。总体而言，技术的选择并不明显。第一代K1986BK2x芯片开发于180 nm。大约三分之一的芯片属于模拟部分（实际上是sigma-delta ADC、电源、IO），当切换到更精细的工艺时，当切换到更细微的工艺时，这部分实际上不会减少。但按照新的要求，功能量要增加近4倍。
新的芯片实现了256KB Flash对64K，RAM 112KB对16K，5个UART， 3个SP，还有更多的加密技术......所以，经过全面的估计和计算，决定如果特别在意成本，那么用90nm的技术是可以进入要求的成本范围的，当然采用用65nm或更低的技术会更好，但一般来说，开发成本也将会提高高，会使项目在融资方面的风险更大。
4. 计量ADC
如果处理器核心是微控制器的心脏，那么计量ADC就是其大脑，因为它是用于指定微电路分配。微控制器实现了一个包含7个通道的24位Σ∆ ADC的模块。
对于三相网络，所有通道分为三对F0-F2（电压通道和电流通道）和一个独立的电流通道（称为F0）。7个通道中的每个通道都以高达16 kHz的输出采样率数字化输入信号。
此外，在每对通道F0-F2中，都有机会计算电流/电压的均方根值，计算有功和无功功率，计算消耗的有功和无功电能，电压中的信号频率通道，峰值超出部分以及信号下降到低于设定水平。
这些额外的功能块降低了处理器的负载，从而减少了整个芯片的功耗。此外，每个ADC都有一个独立的DMA通道，无需处理器参与即可将数据保存到RAM。
Σ∆ ADC单元的主要参数和功能列表：
7个独立的ADC，输出采样率为4/8/16 kHz（4个电流通道和3个电压通道）。这些通道组成3个块，用于测量每个相F0-F2的参数。 在通道F0的块中，实现了当前通道（具有最大值）的自动选择，用于功率特性的后续计算。如果电流差超过6％，则会产生中断。除此功能外，其余的块F0-F2是相同的。 所有ADC通道均具有独立的斜率校准系数特性。 每个当前通道都有一个独立的积分器。 每个ADC模块（F0-F2）通过电压通道独立计算信号周期。计算此值的周期数可以设置为等于1/2/4/8/16/32/64/128个周期。 每个模块都可以验证电压通道中周期性信号的损耗。 每个模块都可以验证电压“下降”到指定水平以下，以及电流和电压通道中的信号是否超出指定限制。 允许以0.02％的精度校正电压通道中信号的相位。 允许计算均方根值，电流和电压的均方根平方值以及它们的独立校准。 在计算有功和无功能量时，该期间的累计能量值存储在单独的寄存器中（用于正和负能量）。 全功率和能量计算。 相对于相位0计算相移。
因此，计算所消耗的功耗是在处理器的最小参与下执行的。
5. 保护
5.1 密码保护
该微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； 随机数发生器； 用于计算任意多项式的CRC的块； 带电池的关键信息专用易失性存储 一次性可编程引导加载程序ROM，可实现每个芯片的唯一标识。
对称加密是在协处理器的基础上实现的，协处理器可以加快最困难的操作。这样可以以最高10 Mbps的最高性能来加速加密速度。如有必要，可在软件中实现非对称密码算法。
5.2 工程防护
为了防止各种工程方法对电能表和独立芯片的冲击，采用了特殊的工程保护方法：
3个用于篡改检测器的引脚（电子密封件） 频率变化检测器模块 电源电压变化检测器单元 光学探测器单元 防止未经授权的内存读取
针夯探测器的引脚是微控制器的三个单独的引脚，即使在没有主电源（仅电池）且所有时钟关闭的情况下，也可以通过它们记录来自外部电子密封件的信号。因此，将检测并记录对仪表的任何机械冲击尝试。除了设备外壳的保护机制外，还实现了保护微电路自身免受更复杂攻击的方法。
为了消除处理器频率 "加速 "或反之 "减速 "的情况，实现了频率变化检测器，它不断地将外部频率源与内部RC发生器进行比较，当偏差发生在规定的范围之外时，它就会产生事件或将芯片切换到内部（在芯片上实现的）应急频率源。
频率信号的 "突变 "由输入信号的滤波系统来抵消。为了在打开主电源时正确启动微电路，以及检测电源超出可接受范围的事实，实现了一个电压检测单元。该单元还监测在没有主电源的情况下，芯片赖以工作的电池电量。因此，已经消除了任何通过电源电压破坏微电路运行的操作或企图。
为了避免关键信息通过 "后侧 "通道(例如电源电路)泄漏，已经在微电路中使用伪随机数发生器实现了主电源噪声掩蔽模块。该模块会产生一个随机变化的附加消耗，用量掩盖主消耗。为了防止更严重的半侵入式和侵入式攻击（当访问微电路的裸片甚至裸片的单个电路时对微电路的攻击），实现了光学检测器。由于通常是微电路的裸片，因此不可能有光进入。万一微电路断开并且光线接触芯片，光学传感器将发出警报。
如果入侵者走得更远，那么为了限制对微电路内部电路的访问，在裸片布局的上层实施保护堆栈，其中接地电路和功率电路交织在一起，以及沿信息电路传输随机多项式。顺便说一句，这就是为什么上面的图片显示的是CAD的布局图，而不是裸片的真实照片。
至于裸片的真实图片，看起来像这样。
对比一下，ST卡芯片（ST23系列）的防盗网是这样的。
对于用户程序，该芯片包含16 KB的一次性可编程ROM和256 + 8 KB的可重新编程闪存。该芯片是从内置的一次性可编程存储器启动的。最初，在芯片制造时，这个存储器是干净的，对于系列化产品，在测试和剔除过程中要加载一个启动可信的bootloader。这样就可以为每个芯片提供唯一的标识，保证计量和加密软件的完整性，同时也保证了闪存中用户程序的保护。
结论
尽管很多人对俄罗斯芯片持怀疑态度，但我们确信Milandr已经可以与外国公司竞争。
原文链接：
https://habr.com/ru/company/milandr/blog/533322/