eng
Выпуск #3/2010
Ю.Гулин, C.Заводсков, В.Стешенко, А.Руткевич.
Специализированные СБИС для космических применений: платформенный принцип проектирования и аппаратная верификация
Специализированные СБИС для космических применений: платформенный принцип проектирования и аппаратная верификация
Просмотры: 3425
Платформенный метод разработки аппаратуры – это еще один модный, но малосодержательный лозунг? Или же практический инструмент, позволяющий существенно упрощать и ускорять процессы создания аппаратуры и элементной базы? Авторы показывают, как на основе платформенного подхода можно реально создавать специализированные аппаратно-программные комплексы и элементную базу для них. Что существенно, рассказано об аппаратных средствах, обеспечивающих верификацию на промежуточных стадиях сложного проекта.
Рис.2. Аппаратные платформы компаний Surrey Space Centre (а) и Astrium SAS (б) для аппаратной верификации систем на базе процессора LEON
В предыдущей статье [1] был сформулирован подход к разработке и производству ЭКБ космического применения на отечественной технологической базе. Мы показали, что в ближайшей перспективе (до 2015 года) возможен переход на преимущественное использование отечественной элементной компонентной базы (ЭКБ) в аппаратуре служебных систем КА. Что касается аппаратуры целевых систем, то там еще долго доля ЭКБ зарубежного производства будет оставаться значительной. Причем зачастую индустриального уровня качества, в силу отсутствия ЭКБ космического уровня качества, обеспечивающей требуемые функциональные характеристики – быстродействие, логическую емкость, объем памяти и т.п. И разработчикам аппаратуры следует понимать эту ситуацию при формировании перечней и заявок, и на разработку ЭКБ.
Несмотря на то, что в России появляются первые субмикронные производства, необходимо отдавать себе отчет в том, что ряда технологий в России не будет еще относительно долго. Достаточно проанализировать текст ФЦП "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008–2015 годы", чтобы увидеть – в ближайшие 5–10 лет не следует ожидать технологии радиационно стойкой памяти большой емкости, флеш-памяти, технологий ПЛИС типа "antifuse" и т.п. Это означает, что при проектировании аппаратуры необходимо разумное сочетание отечественной и импортной ЭКБ, а при формировании номенклатуры при опытно-конструкторских работах (ОКР) следует учитывать текущие возможности и перспективы развития микроэлектронных производств.
Сокращение срока выхода продукции на рынок стало в последние годы непременным условием работы даже в сфере космической электроники. Это предъявляет особенно жесткие требования к методологии и средствам проектирования, которые должны обеспечить минимум итераций при создании нового продукта и его производственного освоения.
Одновременно значительно возрастает сложность процесса проектирования. При традиционном подходе хороший дизайнер работает со средней скоростью порядка 100 эквивалентных вентилей в день или 30 строк RTL-кода [2]. Чтобы спроектировать СБИС сложностью 100 тыс. вентилей, потребуется 1000 человеко-дней, т.е. команда из пяти человек сможет разработать такую СБИС за год. А на разработку сложной СБИС, порядка 10 млн. вентилей, в течение одного года потребуется команда из 500 человек, что зачастую неприемлемо с точки зрения стоимости разработки.
В последнее время сложилась тенденция постоянного роста доли затрат на разработку программного обеспечения (ПО) РЭА.Если вести разработку ПО и СБИС раздельно, то увеличивается вероятность выявления ошибок на этапах тестирования или эксплуатации всего комплекса аппаратуры.
Можно выделить дополнительно ряд причин, по которым необходимо переходить на новую методологию проектирования:
в условиях рынка прибыль в значительной степени зависит от времени проектирования;
такие технические параметры СБИС, как производительность, площадь кристалла и потребляемая мощность являются ключевыми факторами в продвижении товара на рынок;
увеличение степени интеграции делает задачу верификации качественно более сложной;
из-за новых особенностей глубоко субмикронных технологий все труднее удовлетворить всем требованиям по временным ограничениям (timing);
команды разработчиков высокоинтегрированных СБИС имеют различный уровень знаний и опыта в области проектирования, и часто при выполнении проектов СБИС расположены в различных частях мира.
Выход из создавшейся ситуации очевиден – необходимо изменить методологию проектирования СБИС. Наиболее перспективным направлением сегодня представляется методология проектирования СБИС типа "система на кристалле" (СнК) с использованием платформенного принципа организации.
В современной российской электронике нет четкого определения понятию "аппаратная платформа". В общем случае, в платформах СБИС типа "система на кристалле" должны содержаться, как минимум, процессорное ядро, контроллер памяти, универсальный асинхронный приемопередатчик, таймер, схема обеспечения безопасности, универсальные средства ввода/вывода с открытой шинной архитектурой для связывания всех элементов между собой, например, на базе шины AMBA или Wishbone
Платформенный подход к проектированию означает применение единой среды проектирования "комплекс-аппаратура-компоненты" на основе перспективных микроэлектронных технологий. Он предполагает систематическое повторное использование стандартных высокоинтегрированных сертифицированных СФ-блоков. В результате достигается высокая степень унификации проектных решений и нормативной базы, а также возможность контроля качества на любом этапе разработки, производства и эксплуатации.
Основными преимуществами такого подхода являются:
значительное сокращение сроков и стоимости разработки сложных систем при сохранении высокой функциональности;
гибкость при решении нестандартных задач за счет возможности наращивания физических интерфейсов и программного обеспечения;
улучшение массогабаритных характеристик аппаратуры, построенной на базе СБИС аппаратных платформ;
аппаратная верификация алгоритмов на всех стадиях разработки проекта.
Предлагаемая методика проектирования предусматривает инвариантность к технологическим библиотекам элементов конкретных производителей ЭКБ, обеспечивая возможность миграции проекта.
Средства аппаратной верификации
Одной из основных задач при платформенном подходе к проектированию СнК становится совместная верификация программного и аппаратного обеспечения, а также отработка функционирования СнК в составе прибора, комплекса. Для этих целей применяются специализированные аппаратурные решения – платформы для верификации.
На мировом рынке аппаратных платформ для верификации уже наметилось несколько лидеров. Одной из первых разработок является персональный эмулятор ZeBu-ZV компании EVE (рис.1). Архитектура ZeBu-ZV позволяет использовать эту платформу как разработчиками аппаратуры, так и разработчиками ПО.
Эмулятор обладает логической емкостью до 1,5 млн. эквивалентных вентилей, системной памятью объемом 128 Mбит и тактовой частотой до 12 МГц. Данная модель идеальна для верификации отдельных логических блоков, СФ-блоков, небольших проектов, реализуемых в FPGA или ASIC. Эмулятор реализован в виде стандартной PCI-платы, вставляемой непосредственно в настольный ПК, с возможностью интеграции с популярными логическими симуляторами и средствами синтеза. Интерфейс внутрисхемной эмуляции ICEPod позволяет подключить эмулятор к целевой системе или СФ-ядру с использованием 744 портов ввода/вывода. Эмулятор можно сопрягать с популярными программными отладчиками через 16-контактный интерфейс SmartICE или виртуальный JTAG-транзактор.
Для аппаратной верификации систем на базе процессорного ядра LEON (синтезабельное 32-разрядное процессорное RISC-ядро с архитектурой SPARC V8 компании Aeroflex Gaisler) существуют аппаратные платформы компаний Surrey Space Centre и Astrium SAS (рис.2)
Рис.1. Персональный эмулятор ZeBu-ZV компании EVE
Рис.3. Структурная схема аппаратной платформы "DS-E-4000"
Начинает формироваться и отечественный сегмент средств аппаратной верификации. В частности, для полной верификации и прототипирования СБИС и аппаратной верификации СФ-блоков компания НПП “Цифровые решения" производит аппаратную платформу "DS-E-4000" (рис.3, 4).
Для программно-аппаратной верификации СБИС и СФ-блоков РЭА высокоскоростной обработки и передачи потоков данных в Отраслевом центре проектирования СБИС при ОАО "Российские космические системы" разработан специализированный унифицированный электронный модуль (УЭМ). В его состав входят (рис.5) четыре электронных узла сбора и обработки данных (УЭСОД), вторичный источник питания (ВИП) и электронный узел коммутации (УЭК). УЭСОД связаны между собой шиной LVDS, а также шинами MIL‑STD‑1553 и CAN, имеющими один основной и один резервный каналы. Внешние устройства подключаются к УЭМ по шинам MIL‑STD‑1553, CAN и по одному из трех возможных интерфейсов: LVDS, RS-485 и дискретные порты ввода/вывода общего назначения (DIO) (в зависимости от выбранной конфигурации). Питание на УЭСОД подается с ВИП через УЭК.
УЭСОД исполнен по типоразмеру 6U (233,35×160 мм) стандарта МЭК 60297 (Евромеханика 19") (рис.6, 7). Он непосредственно обеспечивает программно-аппаратную верификацию СБИС и СФ-блоков, а также обработку и передачу потоков данных. УЭСОД поддерживает ряд наиболее популярных интерфейсов, включая видеовыход в формате DVI Single Link (см. табл.).
Применение аппаратных средств верификации позволяет сократить число итераций при проектировании СБИС, что особенно важно при работе в режиме заказного производства.
Рис.3. Структурная схема аппаратной платформы "DS-E-4000"
Рис.4. Конструкция аппаратной платформы "DS-E-4000"
Платформенный метод при создании СБИС
С использованием платформенного принципа проектирования в Отраслевом центре проектирования специализированных СБИС ОАО "Российские космические системы" разработан ряд СФ‑блоков, в частности – процессорные ядра, АЦП, контроллеры памяти, интерфейсов и видеоконтроллеры. В качестве примера СнК, разработанной в Центре на основе платформенных принципов, рассмотрим СБИС контроллера наземной и бортовой аппаратуры с проектными нормами 0,18 мкм (рис.8). Сейчас опытные образцы этой СБИС проходят испытания.
СБИС содержит набор СФ-блоков:
32-разрядное процессорное ядро с архитектурой SPARC V8;
модуль отладки;
контроллеры интерфейсов: MIL-STD-1553, CAN, USB 2.0, Ethernet (MAC-уровень); UART (с функцией отладки);
SVGA-видеоконтроллер;
контроллер памяти;
контроллер шины AMBA, мост AMBA – AHB/APB;
таймеры, контроллер прерываний, контроллер портов общего назначения;
цифровой блок сигма-дельта АЦП;
системный контроллер.
СФ-блоки взаимодействуют через шину AMBA.
На базе разработанной базовой СБИС контроллера планируется создать модельный ряд специализированных СБИС для применения в унифицированных узлах служебной аппаратуры КА. При этом планируется использование отработанных технологических решений в виде протестированных в кремнии СФ-блоков и отработанного встроенного ПО. Подобные решения позволяют заместить СБИС импортного производства, упростить весь цикл производства за счет сокращения номенклатуры применяемых компонентов, повысить надежность и срок службы приборов и систем.
Рис.5. Структурная схема УЭМ
Рис.6. Структурная схема УЭСОД
Литература
1. Бумагин А. и др. Специализированные СБИС для космических применений: проблемы разработки и производства. – ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2010, №1, с.50–56.
2. Бухтеев А.В. Методы и средства проектирования систем на кристалле. – Chip news, 2003, №4, с. 4–14.
Отзывы читателей
