Разработка компонентов инфраструктуры сервисного обслуживания встроенной памяти гибкой автоматизированной системы на кристалле

Микросхема M48Z32V производится в корпусе SO44, который аналогичен корпусу ST типа SOH44 SNAPHAT, но без верхней батареи. Она питается от источника 3,3 В (±10%) и работает в коммерческом диапазоне температур (от 0 до 70°C).

2.9 Система реального времени в SoC-памяти

Микросхемы TIMEKEEPER NVRAM основаны на использовании базовой технологии NVRAM. Так как в микросхемах ZEROPOWER NVRAM применяется батарейное питание, то добавление часов реального времени существенно расширяет возможности микросхем NVRAM и области их применения. Свое название TIMEKEEPER такие микросхемы получили именно из-за наличия часов реального времени с календарем, которые выдают в систему точное время, день и дату даже при отсутствии внешнего системного питания (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 - Схема системы реального времени SoC-памяти TIMEKEEPER

Микросхемы TIMEKEEPER NVRAM изготавливаются на базе ZEROPOWER NVRAM, к которым добавляется схема часов / календаря реального времени, включая кварцевый генератор на 32 кГц. Схема переключения аварийного питания, используемая для сохранения данных в LPSRAM, используется также и для RTC. Аналогично, в интересах защиты записи RTC, применяется и схема защиты записи NVRAM. Генератор RTC оптимизирован по питанию и его потребление не превышает 40 nA.

Принцип работы часов реального времени состоит в использовании генератора 32 кГц с последующим делением частоты несколькими счетчиками. Первый счетчик делит частоту генератора на 32,768 и на его выходе получается сигнал с частотой в один герц. Следующий счетчик считает количество секунд, и раз в минуту выдает сигнал на счетчик минут. Следующие последовательные счетчики продолжают деление частоты вниз вплоть до выдачи одного импульса в столетие. Для управления числом дней в каждом месяце и учета високосного года используется дополнительная логика.

Данные на выходах счетчиков соответствуют текущему времени и дате. Эти параметры переносятся в область распределенной памяти NVRAM и фигурируют как обыкновенные адреса ячеек ОЗУ. Пользователи считывают / записывают время и дату путем чтения / записи этих адресов в пространстве NVRAM.

Буферы обеспечивают "бесшовное" чтение / запись данных RTC. При чтении RTC, кадр захваченных данных о текущем состоянии реального времени сохраняется в буферах, откуда и производится считывание данных микропроцессором. Наличие кадра данных гарантирует неизменность времени в процессе очередного цикла считывания микропроцессором. Аналогично в течение цикла записи, буфера задерживают данные, поступающие от микропроцессора, и ждут конца цикла записи информации "день-дата-время" для одновременной передачи поступивших данных счетчикам часов.

РеГАСтры RTC отображаются в памяти LPSRAM. Для этого задействуется от 8 до 16 байт LPSRAM. День, дата, и время считываются и записываются в виде обыкновенных адресов ОЗУ. Имея в своем составе ZEROPOWER NVRAM, микросхемы TIMEKEEPER NVRAM сохраняют и все их основные особенности, включая отсутствие дополнительных внешних схем. При плотности памяти до 256 кбит, часы реального времени и супервизор NVRAM интегрированы на одном кристалле с LPSRAM. Для более высоких плотностей памяти используется отдельная микросхема LPSRAM. В зависимости от технологии исполнения, компоненты, составляющие микросхему, могут размещаться в одном "гибридном" корпусе, или же на одной подложке в отдельном корпусе ИС (развивающаяся технология упаковки TIMEKEEPER).

Подобно микросхемам TIMEKEEPER NVRAM последовательные часы реального времени (Serial RTC) отслеживают текущее реальное время даже при отсутствии внешнего системного питания. Вместо стандартного асинхронного параллельного интерфейса SRAM, последовательные RTC используют последовательную шину.

Данные микросхемы изготавливаются на основе TIMEKEEPER NVRAM путем уменьшения количества NVRAM до нескольких байт и изменения интерфейса к одному из стандартов, перечисленных выше.

Большинство устройств Serial RTC содержат в себе переключатель батареи, цепи защиты записи и многие другие современные функции микропроцессорного супервизора, например, сброса питания и сторожевого таймера (рис. 2.6).

Рисунок 2.6 - Схема микропроцессорного супервизора в SoC-устройствах Serial RTC

Для приложений, не требующих резервирования или нуждающихся только в краткосрочном резервировании с использованием конденсатора, выпускаются более простые и дешевые устройства Serial RTC, например, M41T0 и M41T80.

Микросхемы полнофункциональных последовательных часов реального времени имеют много функций микропроцессорного супервизора. Например: M41T81 - это Serial RTC с интерфейсом I2C 400 кГц, Alarm, программируемым Watchdog, программируемым генератором меандра, в корпусе SO8 или SOX28 типа SOIC (с встроенным в корпус кварцем). Микросхема M41T94 является первым устройством Serial RTC ST c интерфейсом SPI. В ней имеются интегрированные схемы PОR / LVD, программируемый Watchdog, Alarm, возможность подключения кнопки сброса. Микросхема выпускается в корпусах SO16 и SOH28 SNAPHAT. Микросхема Serial RTC M41ST84 с интерфейсом I2C 400 кГц выделяется расширенными возможностями микропроцессорного супервизора. Кроме функций PОR / LVD, программируемого Watchdog и Alarm она обеспечивает функцию раннего предупреждения о сбое питания (PFI / PFO) и сброс по входу. Производится в корпусе SO16.

Современные микросхемы NVRAM достигли такого уровня интеграции, что некоторые из них (M41ST85, M41ST87 и M41ST95) можно классифицировать и как Serial RTC и как TIMEKEEPER супервизоры. Достигнутый уровень интеграции позволяет теперь размещать кварц непосредственно в монолитном корпусе микросхемы рядом с кристаллом, а не выносить его к верхней батарее. Примером такого решения, обеспечивающего повышение надежности и безопасности, является микросхема М41СТ85МХ6.

Наряду с высоко интегрированными микросхемами Serial RTC, выпускаются устройства, содержащие минимум необходимого для непрерывной выдачи в систему реального времени. К таким устройствам относятся микросхемы M41T0 и M41T80. Они содержат полный набор счетчиков времени и учитывают особенности високосных лет. К дополнительным возможностям этих устройств относятся программируемый сигнал аварии с функцией обработки прерываний, программируемый выходной меандр и отдельный вывод сигнала с частотой 32 кГц, используемый как эталонный входной сигнал для тактовых генераторов других микросхем. Имея такие возможности, данные микросхемы покрывают потребности приложений в значительной части потребительского рынка.

Микросхемы M41T0 и M41T80 имеют последовательный интерфейс промышленного стандарта I2C 400 кГц и работают в индустриальном интервале температур от -40є C до +85є C. Производимые в корпусах для поверхностного монтажа, оба устройства работают от источника питания с напряжением от 2 В до 5,5 В при малом потреблении тока. Например, M41T0 потребляет только 900 нА в дежурном режиме и 35 мкА в активном режиме (при типовом питании 3,0 В). M41T80 потребляет 1,5 мкА в дежурном режиме (при типовом питании 3,0 В) и только 30 мкА в активном режиме (при максимальном напряжении питания 3,0 В).

В дополнение к основной задаче хронометрирования, в микросхеме M41T0 есть опция стопового бита генератора для обнаружения ухода частоты тактового генератора из-за уменьшения питающего напряжения. Что касается M41T80, его свойства хронометрирования дополнены программируемым прерыванием по сигналу Alarm с режимами повтора, специальным выводом частоты 32 кГц и программируемым выходным меандром с частотой от 1 Гц до 32 кГц. Специализированный вывод частоты 32 кГц может использоваться для управления микропроцессорами и микроконтроллерами со схемой фазовой синхронизации тактового генератора, которая требует 32 кГц в качестве эталона. Кроме того, этот же вывод может использоваться для тактовой синхронизации микросхем при их работе на режимах с малой мощностью. Вывод 32 кГц рассчитан для условий постоянной работы, но он может быть заблокирован программным обеспечением пользователя.

Функция аварийного сигнала (Alarm) микросхемы M41T80 имеет режим с повторением Alarm от одного раза в год до одного раза в секунду. Функция программирования меандра позволяет программировать его частоту от 1 Гц до 32 кГц с множителем 2.

2.10 Способы подключения SoC-памяти

Микросхема M41T80 легко соединяется по шине I2C 400 кГц с почти любыми микропроцессорами и микроконтроллерами (рис. 2.7), а при добавлении внешнего диода и конденсатора, она может всегда поддержать микроконтроллер при кратковременном отказе питания. Так как шина I2C работает с открытым стоком, то нет проблем по согласованию напряжения между микропроцессором и M41T80 и для развязки по напряжению достаточно использовать один диод. При использовании конденсатора с емкостью 1 Ф и питающем напряжении Vcc = 3,3 В, ожидаемое время обеспечения резервного питания составляет приблизительно 10 дней.

Микросхемы M41T80 выпускаются в малоразмерном корпусе типа SO8. Возможна поставка и в корпусе TSSOP8.

Наиболее простым устройством из серии микросхем SERIAL RTC является микросхема M41T0, разработанная на базе M41T00, M41T0. У этого устройства нет переключателя батареи и программной калибровки часов, но есть функция обнаружения сбоя генератора и интерфейс I2C с 400 кГц.

Микросхема M41T0 при использовании внешнего конденсатора с емкостью 1 Ф при питании в 3,3 В может обеспечить резервное питание продолжительностью до двух недель.

Верхняя батарея для микросхем NVRAM поставляется отдельно и это обязательно надо учитывать при формировании сервисного комплекта к данным схемам.

Рисунок 2.7 - Схема соединения SoC-памяти с микроконтроллером

Таким образом, SoC-память NVRAM отличается, в первую очередь, более высокой интеграцией, наличием встроенного переключателя батареи и возможностью программной калибровки часов, для чего используется программное обеспечение, рассмотренное в третьем разделе квалификационной работы бакалавра.

3. программное обеспечение систем сервисного ОБСЛУЖИВАНИя soc-памяти

Ввиду большого количества фирм-производителей программного обеспечения для SoC-микросхем, в данном разделе дипломной работы, дадим общую характеристику требованиям, удовлетворять которым должны программные продукты для систем сервисного обслуживания встроенной памяти ГАС.

Во-первых, программная среда должна включать полный цикл разработки, начиная от ввода алгоритма, включая процесс отладки и заканчивая программированием кристалла. Разработка программы может быть как на уровне ассемблера, так и на макроуровне с манипуляцией многобайтными величинами со знаком.

Во-вторых, в отличие от программ на классическом ассемблере, программа должна вводиться в виде алгоритма с древовидными ветвлениями и отображаться на плоскости, в двух измерениях. Сеть условных и безусловных переходов должна отображаться графически, в удобной векторной форме. Это к тому же освобождает программу от бесчисленных имен меток, которые в классическом ассемблере являются неизбежным балластом. Вся логическая структура программы должна быть наглядной.

В-третьих, должны быть учтены возможности графических технологий, раскрывающих новые возможности для программистов. Визуальность логической структуры уменьшает вероятность ошибок и сокращает сроки разработки. Появляется такое понятие, как дизайн алгоритма, предполагающее некоторый художественный вкус программиста, в рамках понятия технической эстетики.

В-четвёртых, учитывая нарастающий дефицит времени, как атрибут технологического развития, по сравнению с классическим ассемблером, время на разработку программного обеспечения должно быть сокращено в 3 - 5 раз.

В-пятых, должна поддерживаться автоматическая перекодировка строк ANSI-кодов Windows в коды русифицированного буквенно-цифрового ЖКИ.

В-шестых, среда должна объединить в себе графический редактор, компилятор алгоритма, симулятор микроконтроллера, внутрисхемный программатор. При использовании внутрисхемного программатора микроконтроллер может подключаться к COM-порту компьютера через несложный адаптер, например: три диода и несколько резисторов. Программатор ведет подсчет числа перепрограммирования кристалла, сохраняя счетчик непосредственно в кристалле.

В-седьмых, программная среда должна обеспечивать мониторную отладку на кристалле (On Chip debug), которая позволяет наблюдать содержимое реального кристалла в заданной точке останова. При этом для связи микроконтроллера с компьютером, может использоваться только один вывод, причем по выбору пользователя. Мониторная отладка может быть применена к любому типу кристалла, имеющего SRAM.

И наконец, программное обеспечение должно поддерживать наиболее широкую линейку типов кристаллов и предназначаться для работы во всех операционных системах.

выводы

В процессе выполнения квалификационной работы бакалавра, была достигнута цель работы, а именно: разработаны компоненты инфраструктуры сервисного обслуживания кристалла памяти ГАС.

Для достижения цели работы, были выполнены следующие теоретические этапы:

- дана общая характеристика системы на кристалле;

- очерчены современные тенденции развития;

- приведена номенклатура выпускаемой памяти на кристалле;

При разработке компонентов инфраструктуры сервисного обслуживания SoC-памяти, в соответствии с принципами создания сервисных систем, были получены такие результаты:

- сформирована система сервисной идентификации SoC-памяти;

- составлены инструкции при сервисном обслуживании SoC-памяти;

- разработана система сохранения параметров сервисного обслуживания;

- систематизированы составляющие оценки программирования SoC-памяти, включающие особенности бесконтактных микросхем памяти и особенности супервизоров;

- решена проблем переключения питающего напряжения в процессе сервисного обслуживания;

- приведена архитектура SoC-памяти;

- охарактеризованы типы корпусов;

- раскрыта система реального времени, используемая в SoC-памяти;

- разработаны способы подключения SoC-памяти.

Также, в работе приведены требования к программному обеспечению, создающемуся применительно к задачам сервисного обслуживания систем soc-памяти ГАС.

Из всего вышеперечисленного можно сделать выводы, что стандартные изделия класса SoC обеспечивают комбинацию гибкости проектирования и скорости сервисного обслуживания.

Очевидно, что системы на кристалле, базирующиеся на ASIC, являются, в настоящее время, наиболее рациональным решением в качестве встроенной памяти ГАС. Любая реализованная SoC-память, дешевле самого изысканного программируемого или конфигурируемого решения. Однако, цикл проектирования изделий этого класса сложен и длителен, стоимость разработки и верификации проектов остается высокой.

Несмотря на это, SoC-память, является решением общей проблемы получения малогабаритного, функционально насыщенного, универсального, малопотребляющего класса микросхем, которые помимо всего должны быть реконфигурируемыми и достаточно просты с точки зрения сервисного обслуживания. К тому же, один и тот же тип кристалла SoC может решить несколько задач, например, заменить линейку серийно выпускаемых микросхем памяти с различными периферийными блоками интерфейсного сопряжения.

литературные источники

1. Проектирование и диагностика компьютерных систем и сетей. Бондаренко М.Ф., Кривуля Г.Ф., Рябцев В.Г. и др. К.: НМЦ ВО, 2000. - 306 с.

2. Хаханов В.И., Хаханова И.В. VHDL + Verilog = Синтез за минуты. Харьков: СМИТ, 2007. - 264 с.

3. Парфентий А.Н., Хаханов В.И., Литвинова Е.И. Модели инфраструктуры сервисного обслуживания цифровых систем на кристаллах // АСУ и приборы автоматики. - 2007. - Вып. 138. - С. 83 - 99.

4. Хаханов В.И., Хаханова А.В., Литвинова Е.И. Алгебро-логический метод ремонта встроенной памяти SoC // Відмовостійкі системи. - 2008. - С. 99 - 109.

5. Хаханов В.И. Инфраструктура сервисного обслуживания SoC // Вестник томского государственного университета. - №4. - 2008. - С. 74 - 101.

6. Hahanov V., Kteaman H., Ghribi W., Fomina E. HEDEFS - Hardware embedded deductive fault simulation // Proc. volume from the 3-rd IFAC Workshop, Rydzyna, Poland, 2006. - P. 25 - 29.

7. Федотов Я., Щука А. Система на кристалле // Электронные компоненты. - 2001. - №2. - С. 3 - 5.

8. Mixed-Signal ASIC Solutions // AMI Press, 2000. - 86 p.

9. System-on-Chip // micron AG Press, 2000. - 104 p.

10. Analog and Mixed-Signal ASICs // PREMA Semiconductor Press, 2000. - 208 p.

11. ASIC: Парад технологий. (Пер. О.Александрова) // Chip News. -2000. - №9. - C. 8 - 11.

12. Кривченко И. Системная интеграция в микроэлектронике - FPSLIC // Chip News. - 2000. - №3. - С. 4 -10.

13. Кривченко И. Системная интеграция в микроэлектронике - FPSLIC. Часть 2: FPSLIC - вопросы и ответы // Chip News. - 2000. - №4. -С. 62 - 64.

14. Королев Н. ATMEL FPSLIC - элементная база XXI века // Chip News. - 2001. - №1. - С. 16 - 19.

15. Золотухо Р. System Designer - пакет для разработки устройств на основе FPSLIC // Chip News. - 2001. - №2. - С. 8 - 14.

16. Золотухо Р., Кривченко И. Конфигурируемая система на кристалле Е5 - первое знакомство // Компоненты и технологии. - 2001. -№1. - С. 26 - 29.

17. Программируемые приборы класса "система-на-кристалле" для встраиваемых применений // Компоненты и технологии. - 2001. - №2. - С. 13.

18. Методические указания к дипломному проекту для студентов специальности 8.091402 «Гибкие компъютерные системы и робототехника» Упоряд. В.В. Токарев, О.М. Цимбал. - Харьков: ХНУРЭ, 2003. - 40 с.

19. Державний стандарт України. ДСТУ 3008-95. Документація. Звіти у сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення. Чинний від 01.01.96. - К.:Держстантдарт, 1995. - 60 с.

20. ГОСТ 2.105-2001. Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам. - М.: Из-во стантдартов, 2001. - 76 с.

21. Единая система конструкторской документации: Справ. пособ. / С.С. Борушек А.А. Волков, М.М. Ефимова и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 352 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4