Микроконтроллер 1830ве32у — 8-разрядная архитектура

I. Введение Современные интегральные микросхемы находят все более широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре различного рода технических объектов, работающих в условиях воздействия проникающей радиации. Эти условия могут возникать при попада-нии объекта в зону действия источников ионизирую-щего излучения техногенного происхождения или при расположении РЭА вблизи ядерных силовых и энергетических установок. Высокая стоимость по-добных объектов обуславливает особо жесткие тре-бования к безотказности элементной базы РЭА и, в первую очередь, к микросхемам различного функ-ционального назначения. Действительно, отказ одной микросхемы в условиях воздействия вышеперечис-ленных дестабилизирующих факторов может повлечь за собой выход из строя всего сложного и дорого-стоящего объекта, причем последствия подобного отказа не всегда предсказуемы. Поэтому задача га-рантированного обеспечения радиационной стойко-сти ИМС и аппаратуры на их основе является исклю-чительно актуальной. Радиационная стойкость интегральных схем явля-ется важным условием при проектировании систем космического применения. Известно, что в системах военного назначения приборы должны обладать спо-собностью выдерживать облучение нейтронами, гам-ма-излучением и рентгеновским излучением, а также выдерживать воздействие электромагнитного им-пульса, создаваемых ядерным взрывом. В космиче-ском пространстве полупроводниковые устройства также должны функционировать в условиях жесткой радиации, обусловленной облучением ионами, присутствующими в космических лучах и солнечном ветре, а также захваченных в радиационных поясах вокруг Земли. II. Возникновение сбоев При торможении на корпусе электронного устрой-ства электронов, протонов, космических частиц воз-никают рентгеновское и гамма-излучение, тяжелые ионы. Попадая в КМОП-структуры, эти частицы ио-низируют затвор и подзатворный оксид. В подзатвор-ном окисле накапливается индуцированный излуче-нием положительный заряд, а на границе раздела окисла с подложкой возникает паразитный проводя-щий слой. То есть, изменяются рабочие характери-стики транзисторов. Происходит смещение порого-вых напряжений и увеличение токов утечки, изменя-ется время нарастания и спада фронтов. При этом старение интегральной схемы и степень разрушения зависят от суммарной дозы полученной радиации и интенсивности облучения. Возрастание токов утечки уменьшает различие между включенным и выклю-ченным состоянием транзистора. Кроме того, увели-чивается ток, протекающий через транзистор в вы-ключенном состоянии. Чаще всего неполадки происходят по причине слу-чайных воздействий, когда тяжелые частицы (косми-ческие лучи, протоны, электроны, альфа-частицы и т.д.) попадают в ИС. Одиночный сбой является наи-более распространенным последствием ионизирую-щего воздействия. Обычно сбои происходят при по-падании ионов в схемы памяти или статических триг-геров. Импульс тока, вызванный рекомбинацией ин-дуцированных ионом дырок и электронов, изменяет состояние логического элемента. С уменьшением размеров транзисторов уменьшается и величина ио-низирующего заряда, достаточного для сбоя 1.. III. Радиационно-стойкие ИМС ФГУП НИИЭТ В номенклатуре схем, разработанных в ФГУП НИИЭТ в последние годы, появились изделия, обла-дающие стойкостью к сбоям, вызванных воздействи- 279 ПОРТ 0/ Альтернативные функции ^ 4 8 ПОРТ 2/ Альтернативные функции 8 ПОРТ 0 ПОРТ 2 ОЗУ 256 x 8 н 8 БЛОК МАЖОРИРОВАНИЯ 16 8 Ж 8 1Z ТУ РЕГИСТР АДРЕСА КОМАНДЫ 16 АККУМУЛЯТОР 8 _Л БУФЕР ¦ / ~у Ъ2. ИНКРЕМЕНТОР РЕГИСТР РАСШИРИТЕЛЬ АККУМУЛЯТОРА РС ^лсУ ПРОГРАММНЫЙ /цл\ СЧЕТЧИК (РС) Ч^/ РЕГИСТР СЛОВО СОСТОЯНИЯ (PSW ^78 О ш s hi Z1- С УКАЗАТЕЛЬ /L-^J\ ДАННЫХ |Vfg/ 8PSEN#-^- ALE ^- EA# __ RST — ТУ 8 ту 8 8 ШИНА АДРЕСА 8 iz ЗАЩЕЛКИ ПОРТА 2 -ту- izЗАЩЕЛКИ ПОРТА 0 ~ТУ/ 8 iz ШИНА АДРЕСА / ДАН Н ЫХ 8 8 с УКАЗАТЕЛЬ СТЕКА ТАЙМЕР0 ТАЙМЕР1 ТАЙМЕР2 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПОРТ МАССИВ ПРОГРАММИРУЕМЫХ СЧЕТЧИКОВ (PCA) \z «ТУ /К Т 8 8 8 ТАКТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ЗАЩЕЛКИ ПОРТА 1 8 ПОРТ 1 ЗАЩЕЛКИ ПОРТА 3 8 ПОРТ 3 4 8 8 XTAL1 XTAL2 ПОРТ 1/ Альтернативные функции ПОРТ 3/ Альтернативные функции Рис. 1. Структурная схема микроконтроллера 1839ВЕ32У ем радиационного излучения. Это две ИМС высокой степени интеграции. Первая схема 1874ВЕ05Т пред-ставляет собой высокопроизводительный 16-разрядный МК архитектуры MCS-96, частотой 20 МГц, ОЗУ 488х8, последовательным портом вво-да/вывода, блоком высокоскоростного ввода/вывода, трехканальным ШИМ. Вторая схема 1830ВЕ32У — 8-ми разрядный МК, принадлежащий к популярной архитектуре MCS-51, функционирующий на частоте 12 МГц, и обладающий ОЗУ 256 байт, тремя 16-ти разрядными таймерами, последовательным портом ввода/вывода и программируемым массивом счетчи-ков. Кристаллы изготовлены по технологии КнИ (кремний на изоляторе) 0,5 мкм на линейке 1х1 Науч-но-исследовательского института системных иссле-дований Российской академии наук (НИИСИ РАН). Использование данных технологических норм позво-ляет создавать схемы высокой степени интеграции, но при этом еще не доминируют микродозиметрические эффекты, вызванные воздействиями отдельных ядер-ных частиц 2.. Конструкция библиотечных элемен-тов в сочетании с технологией КНИ обеспечивает 280 стойкость к накопленной дозе радиации до 800 крад при полном отсутствии тиристорного эффекта. Схемы успешно прошли испытания на соответствие характеристикам по группам исполнения для СВВФ по ГОСТ РВ20.39.414.2:7.И1 — 5Ус, 7И6 — 6Ус, 7.И7 — 4?4Ус, 7.С 1 — 5Ус, 7.С4 — 2?4Ус, 7.К 1 — 2К, 7.К4 — 1К (для 1874ВЕ05Т) и 7.И 1 — 6Ус, 7И6 — 2?6Ус, 7.И7 — 4?4Ус, 7.С 1 — 6Ус, 7.С4 — 2?4Ус, 7.К 1 — 2К, 7.К 4 — 1К, 7.И12 -0,3?3Р (для 1830ВЕ32У). Уровень стойкости ИС 1830ВЕ32У по накопленной дозе составляет 2·105 ед. и определяется ростом тока потребления. Функциональных отказов не зафиксировано вплоть до предельного уровня облучения 1·106 ед. В данной статье подробнее остановимся на особенностях 8-ми разрядного МК. IV. Структура ИМС 1830ВЕ32У Структурная схема разработанного микроконтроллера показана на рисунке 1. Представленный набор периферийных блоков соответствует классической схеме построения ИМС для выбранной архитектуры. Отличительной особенностью микроконтроллера является наличие блока РСА, предназначенного для выполнения различных операций счета и определения временных интервалов, в том числе при широтно-импульсной модуляции. Блок РСА состоит из 16-разрядного таймера/счетчика и пяти 16-разрядных модулей фиксации-сравнения. Таймер/счетчик является источником временной базы и счетчиком событий, значения его текущего отсчета передаются в модули фиксации-сравнения. Три программируемых 16-битных таймера/счетчика могут быть использованы как в качестве таймеров, так в качестве счетчиков внешних событий. Через универсальный асинхронный приемопередатчик осуществляется прием и передача информации, представленной последовательным кодом, в полном дуплексном режиме обмена. Так как схема не имеет внутрикристальной памяти команд, то для функционирования необходимы блоки внешней памяти. Общий объем адресуемой памяти равен 64 Кбайт. V. Общие методы защиты от сбоев Так как микросхема относится к классу радиацион-но-стойких изделий, при ее проектировании учитывалась способность противостоять одиночным сбоям, вызванных радиационным излучением. Методы борьбы с одиночными сбоями можно разделить на две группы. К первой относятся методы, уменьшающие вероятность возникновения сбоя в элементе при попадании частицы в чувствительный объем. Методы второй группы призваны обеспечить корректность выполняемой программы, если сбой все-таки про-изошел. К первой группе относятся как технологические, так и схемотехнические методы. Из технологических методов можно назвать применение технологии КнИ, при которой объем чувствительной области сущест-венно меньше, чем при стандартной объемной техно-логии. Соответственно, меньше величина собираемо-го заряда и вероятность, что он превысит критиче-ский уровень сбоя. Данные компании IBM показыва-ют, что схемы по КнИ технологии имеют в 5 раз лучшие показатели частоты сбоев, по сравнению с объемной технологией. Эксперименты, проводимые в НИИСИ РАН, подтверждают этот вывод, причем за-фиксировано преимущество схем на КнИ на порядок. К схемотехническим методам можно отнести как методы построения ячеек, так и некоторые структур-ные решения. Одним из решений для 1830ВЕ32У был полный отказ от применения динамических элемен-тов при построении схемотехники устройства. Это позволяет избавиться от проблем утечки и разделения заряда, емкостной связи и проникновения тактового сигнала. Внутренние шины с предзарядом уступили свое место шинам с активными низким и высоким уровнями. Так же использование полностью статиче-ских элементов снимает ограничения минимальной частоты функционирования схемы. Это позволяет в системах, где нет требований к производительности, использовать медленные режимы тактирования кон-троллера, серьезно уменьшив тем самым воздействие дестабилизирующих факторов. Другим из схемотехнических решений стал полный отказ от асинхронных процессов, особое внимание уделялось синхронному сбросу и установке. Так как сброс осуществляется только в момент фронта такто-вого сигнала, снижается возможность неконтроли-руемых сбросов частей микросхемы, ввиду наводок на эти цепи. Использование триггеров, переключаю-щихся по фронту, а не по уровню тактового сигнала, позволило существенно упростить и повысить устой-чивость схемы генерации. Синхронизация одним сиг-налом позволяет снизить эффекты, связанные с изме-нениями параметров формирователя под воздействи-ем дестабилизирующих факторов. Для минимизации расфазировки были сбалансированы пути распро-странения тактовых сигналов от центрального источ-ника к отдельным синхронизируемым элементам, используя H-дерево. VI. Защита от сбоев ОЗУ Если сбой из-за попадания одиночной частицы все-таки произошел, необходимы меры, чтобы обнару-жить и, по возможности, исправить ошибочное зна-чение. Методы обнаружения и исправления ошибок в 281 регулярных структурах достаточно хорошо изучены и описаны 3.. Основная идея данной группы методов закл чается в том, что к защищаемому слову данных добавляется некоторое количество разрядов, значение которых вычисляется по определенному алгоритму в момент записи слова в память. При чтении дополни-тельных разрядов вычисляются и сравниваются со считанными из памяти. Если во время хранения про-изошел сбой, то данная схема позволит это обнару-жить, тем самым не нарушая правильный процесс функционирования программ. Одним из критичных узлов в микроконтроллерной архитектуре 1830ВЕ32У является его оперативное запоминающее устройство. Потеря или искажение хранящейся в нем информации может привести к некорректному поведению всей системы. На текущий момент наиболее популярными является схема контроля кодом Хемминга с обнару-жением двойных и корректированием одиночных ошибок, которая применяется практически во всех современных микропроцессорах, и методы резерви-рования с мажорированием. Коды Хемминга являются самоконтролирующими-ся и самокорректирующимися кодами, т.е. они позво-ляют не только автоматически обнаруживать наибо-лее вероятные ошибки при передаче данных, но и исправлять их. Достоинством использования именно этих кодов является возможность управления объе-мом дополнительной, избыточной информации. Для микроконтроллеров такой способ широко применяет-ся при построении блоков ПЗУ. При построении помехоустойчивых аппаратных систем широко применяется принцип мажорирования 4.. В устройствах аппаратному межканальному ма-жорированию могут подвергаться все основные маги-стральные сигналы процессора, памяти, блока сопря-жения с устройствами ввода-вывода, чем достигается парирование сбоев и отказов в каждом из основных функциональных узлов. Общее значение выбирается системой голосования на основании выходов этих узлов. Недостаток этого подхода — увеличение числа элементов для выполнения одной и той же функции. Принцип тройного резервирования с мажорирова-нием был положен в основу обеспечения отказо-устойчивости блока ОЗУ, использованного в 1830ВЕ32У. В микроконтроллере используются три одинаковых по объему блока по 256 байт, соединен-ные единым блоком, исправляющим ошибки. Это обеспечивает возможность фиксации любого количе-ства единичных сбоев в байте информации. Правиль-ный бит выбирается по принципу «два из трех». Это позволяет организовывать коррекцию неправильной информации «на лету». Так как исправление инфор-мации происходит только при операциях чтения, тре-буется периодическая перезапись ячеек по программе пользователя. При правильной организации управляющей программы примененный подход позволяет существенно улучшить защищенность системы. VII. Перспективы развития направления В дальнейшем ФГУП НИИЭТ планирует расши-рить линейку радиационно-стойких схем. Возможно как появление модификаций изделий с расширенной функциональностью, так и переводу новых современ-ных архитектур в стойкое исполнение. Рассматрива-ется возможность создания серии микросхем, имею-щих еще большую защиту от всех видов сбоев, по-строенных по принципам, использующимся разра-ботчиками аппаратуры. Прообразом таких схем могут являться примеры построения аппаратуры, предна-значенной для работы в космическом пространстве. В частности, интересным кажется решение резервиро-вания на уровне функциональных блоков микрокон-троллера, с возможностью контроля количества оши-бок по программе пользователя. Много можно пере-нять из опыта построения серверных решений. Так, применяемый при построении таких систем метод защиты от двойных сбоев, состоит в периодическом считывании и корректировании как внутренней, так и внешней памяти. Относительной сложностью являет-ся только доступ к технологиям, обеспечивающим требуемую стойкость, нужную степень интеграции, и нужный набор IP блоков. Оптимальным для создания изделий контроллерной тематики являются техноло-гии порядка 0,35 мкм с полным набором корректно характеризованных стандартных элементов, наличие выбора ячеек ввода-вывода, различных типов памяти и генераторов памяти, аналоговых блоков. Только в этом случае возможно создание семейств специаль-ных микросхем, которые бы не только могли бы ра-ботать в условиях повышенного радиационного излу-чения, но и предоставляли все необходимые ресурсы разработчикам аппаратуры. В.Юдинцев Радиационно-стойкие интегральные схемы. Надежность в космосе и на земле // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2007. №5. С. 72. Автоматизация проектирования комплементарных микросхем с учетом одиночных событий / , , , : Воронеж. гос. лесотехн. акад и др.. — Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета. 2007. 121 с. Mukherjee S. Architecture Design for Soft Errors? Elsevier. 2008. 337 р. , Анализ структур отказоустойчивых бортовых комплексов при использовании электронных компонентов industry // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2003. №2. С. 6.