Сергей Новичков

Новичков Сергей Викторович, начальник отдела верификации АО «НИИМА «Прогресс».
Окончил МИЭТ по специальности «Системы автоматизированного проектирования БИС». С 2002 года работает в АО «НИИМА «Прогресс». Принимал непосредственное участие в проектировании и верификации 5 м/с СБИС и СБИС типа «Система-на-Кристалле». На данный момент является начальником отдела верификации. Основное направление работы отдела – разработка архитектуры и верификация СБИС, разработка тестовых окружений для цифровых блоков и систем верификации с использованием UVM (Universal Verification Methodology ) и средств прототипирования.

---

Отечественная полузаказная СБИС СнК К5512БП1Ф со встроенным МП ядром.

---

Предпосылки появления изделия; архитектура изделия K5512БП1Ф; краткий обзор маршрута проектирования; реализованные проекты; обзорная презентация аналогичного решения в радиационно-стойком исполнении.

---

• Скачать презентацию в pdf

---

Назначение.

Микросхемы полузаказная СБИС К5512БП1Ф типа «система на кристалле» (СнК) со встроенным микропроцессорным ядром предназначена для создания на ее основе специализированных СБИС малой серийности для аппаратуры ответственного назначения. СБИС обеспечивает проектирование требуемого функционального назначения со специализированным программным обеспечением, реализуемым микропроцессорным ядром и аппаратной реализацией специальных функций на «прошивках» БМК. В результате заказчик получает специализированную программно-аппаратную «систему в кристалле». К5512БП1Ф - лицензионно чистый продукт, изготавливается на отечественной технологической линейке (ОАО «НИИМЭ и Микрон»). Такая СБИС может оказаться единственным решением, соответствующим требованиям применения в аппаратуре специального и ответственного назначения.

Проблемы разработчиков систем специального назначения в настоящее время

• Ограничения использования отечественными предприятиями ОПК иностранных технологий и ЭКБ в связи с введением Евросоюзом и США санкций политического, экономического и военного характера
• Отсутствие возможности получения «pin-to-pin» замены иностранной ЭКБ в на отечественную в обозримом будущем
• Необходимость проведения полного перепроектирования функциональных схем модулей на отечественной ЭКБ
• Острый дефицит отечественной функционально-сложной ЭКБ достаточной для осуществления импортозамещения

Для замены традиционного набора разработчика аппаратуры «ПЛИС-Микропроцессор-Память» мы предлагаем использование серии «СБИС-полуфабрикатов» из которых можно формировать законченные аппаратные решения.

Состав микросхемы и технические характеристики:

• 32-разрядный микроконтроллер с тактовой частотой до 150 МГц
• Сопроцессор модульной арифметики с разрядностью 1024 и тактовой частотой 50 МГц
• Четыре блока БМК по 300К вентилей
• Масочное ПЗУ 128К х 32
• ОЗУ 64К х 32
• Интерфейсы SPI, I2C, GPIO
• Таймер

Технология изготовления (отечественная фабрика) КМОП 0,18 мкм HCMOS8D

• Корпус металлокерамический; типа CPGA
• Количество выводов 325
• Напряжение питания, В 1,8 и 3,3
• Средняя потребляемая мощность, мВт не более 400
• Температурный диапазон, °С - 40 … +125

Области применения микросхемы

• Аппаратура связи, радиолокации, опознавания;
• ответственные системы управления энергогенерирующими и энергопотребляющими объектами;
• Системы управления функционированием и движением наземных и воздушных объектов;
• Системы управления агрегатами перемещения и обработки твёрдых материалов, жидких и газообразных сред.

Примеры разработок

• Совместная ОКР С ОАО «НПО «Радиоэлектроника» им. В.И. Шимко по проектированию схем запросчика в системе госопознавания на базе СБИС К5512БП1Ф.
• Совместная разработка с ОАО МНПК «Авионика» микропроцессорного комплекта на базе СБИС К5512БП1Ф в интересах создания на его основе нового поколения комплексных систем управления полётом. 5539ТР016 «Процессор-10» - микропроцессорный комплект для создания КСУП.
• · Также есть решение повышенной стойкости к СВВФ: 5512БП2Ф
• Троированное 32-х разрядное микропроцессорное ядро типа MIPS
• Масочное ПЗУ 64Кх32
• Статическое ОЗУ 32Кх32
• ФАПЧ до 150 МГц
• Интерфейсы: троированные SPI и 8-разрядый GPIO
• Служебный UART
• Троированный БМК

Маршрут разработки

Для разработки законченно изделия должны быть выполнены следующие задачи маршрута проектирования (рис. 2):

• Разработка прошивок БМК;
• Разработка целевого программного обеспечения;
• Совместная отладка взаимодействия прошивок БМК и микропроцессора.
• Сборка топологии кристалла

Разработка каждого БМК ведется независимо. Маршрут разработки БМК включает в себя следующие этапы: подготовка RTL кода, синтез в базисе БМК, разработка топологии, моделирование с учетом задержек, сборка кристалла. Основные требования к RTL коду - не должно быть использовано макроблоков ПЛИС, должен быть «чистый» синтезпригодный код. Маршрут проектирования практически соответствует маршруту проектирования цифровой СБИС.:

• Подготовка RTL-кода прошивки БМК. На данном этапе осуществляется подготовка верхнего уровня RTL кода прошивки, в который встраивается RTL-модуль пользовательского проекта, конструктивные элементы БМК (периферийные ячейки, схемы сдвига уровня напряжения) и осуществляются соединения сигналов между ними.
• Синтез списка цепей прошивки в базисе БМК. На данном этапе осуществляется синтез списка цепей прошивки в базисе БМК с помощью средств САПР Cadence RTL Compiler. Для этого решаются следующие задачи: подготовка командных скриптов для запуска синтеза; подготовка файла временных ограничений (timing constrains);запуск синтеза в САПР; получение списка цепей прошивки и файла с задержками (SDF); предварительное моделирование работы схемы прошивки (без учета топологии).
• Получение топологии прошивки БМК. На данном этапе проектируется топология прошивки БМК с помощью средств САПР Cadence Encounter. Для этого решаются следующие задачи: подготовка командных скриптов для запуска САПР; подготовка плана кристалла; размещение и разводка цепей схемы прошивки; получение финального списка цепей прошивки и файла с задержками (SDF); получение топологии прошивки в формате GDSII;
• Моделирование работы схемы прошивки с учетом топологии. На данном этапе производится моделирование работы схемы прошивки с учетом задержек, обусловленных топологией прошивки.
• Сборка топологии кристалла На данном этапе производится сборка топологии кристалла К5512БП1Ф с помощью совмещения неизменной части кристалла и топологии прошивок четырех БМК. Также в топологию помещаются прошитые блоки ПЗУ, содержащие пользовательскую программу. После проверки топологии на соответствие нормам проектирования (DRC) и списку цепей (LVS) топология готова к передачи на фабрику.

Программно-аппаратный стенд в маршруте проектирования заказной СБИС

Одним из важных отличий разработки полузаказной СБИС от проектирования на ПЛИС является невозможность повторной поршивки программной или аппаратной части. Как следствие возникает необходимость дополнительной верификации взаимодействия програмной и аппаратной частей СБИС.

Программно-аппаратный стенд служит для создания прототипа разрабатываемого устройства на базе ПЛИС и совместной отладки целевого программного обеспечения и схемотехнического решения с помощью отладочной платы. Возможности стенда:

• Трассировка сигналов на 40 выводах БМК.
• Задание битовой маски выводов, изменение которых приводит к формированию пакета данных.
• Трассировка шины обмена данных между ЯДРОМ и БМК на уровне транзакций.
• Отображение данных в режиме реального времени.
• Управление трассировкой со стороны ПК.
• · Независимое управление трассировкой выводов БМК и шиной обмена данных ЯДРО <-> БМК.
• Сохранение данных в формате VCD.
• Интерфейс взаимодействия с ПК ‑ USB2.0 HighSpeed.

В состав стенда входят

• Аппаратная часть
• Плата Terasic DE2i-150 с ПЛИС GXP4CGX150F31;
• МП-ядро КВАРК в виде раздела (partition, QXP) c интерфейсами к шинам AHB четырем БМК;
• Блок трассировки в виде раздела (partition, QXP).
• Программная часть стенда содержит:
• Управляющее ПО, включающее: графический интерфейс управления трассировкой; графический интерфейс визуализации данных трассировки.
• Протокол взаимодействия между ПК и блоком трассировки по интерфейсу USB2.0;
• Встроенное ПО микроконтроллера для управления USB и коллектором;