基于RISC-V内核的K1986BK025微控制器的功能和系统结构

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ARMCortex-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：60MHz电源电压（主）2.2。。.3.6V电源电压（ADC使用）3.0。。.3.6V电源电压：1.8。。.3.6V闪存程序存储器容量：256+8KB存储器容量RAM：112KB一次性可编程ROM的容量：16KB计量用电测量ADC：24位sigmadelta，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PWM4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（10x10mm）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RV32IMC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3.0CoreMark/MHz。因此，它可以与ARMCortex-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180nm。大约三分之一的芯片属于模拟部分（实际上是sigma-deltaADC、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256KBFlash对64K，RAM112KB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16kHz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4/8/16kHz（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10Mbps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。

如果网状物完整性受到物理侵犯，也会产生报警。软件必须监控所有报警事件，如果发生，则记录攻击的事实。更为重要的是，可以配置微电路，当检测到攻击时，密码密钥信息会自动删除。这一切都需要软件的保证。

对于用户程序，该芯片包含16KB的一次性可编程ROM和256+8KB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。
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