目前,，基于開放標準指令集架構RISC-V的解決方案在市場上的占有率越來越高,。今天我們?yōu)榇蠹医榻B一款俄羅斯初創(chuàng)公司Milandr剛剛推出的RISC-V處理器,。處理器型號為K1986BK025，被用于電表控制,。

　　基于RISC-V內(nèi)核的K1986BK025微控制器是Milandr的第二代電表微控制器,。第一代K1986BK2x芯片已經(jīng)在ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核上開發(fā)，并且已經(jīng)生產(chǎn)了5年以上,。在此基礎上,，已經(jīng)設計了Milur儀表。

　　然而,，時間不會停滯,，技術需要不斷發(fā)展，新的市場規(guī)則規(guī)定了對新芯片的新要求,。需要引入符合俄羅斯計量設備的“最低功能”標準更多功能需求,。還需要合適的價格，可以與TI和NXP等巨頭的競爭,。新的智能電表可以關閉和限制用電量,。這意味著新系統(tǒng)也應提供信息安全性，以使入侵者無法自行決定關閉或打開電源,?；谶@些需求Milandr研制了些都產(chǎn)一款新的基于RISC-V處理器：K1986BK025，接下來做詳細介紹,。

　　1. 主要功能

　　處理器核心：RISC-V（BМ-310SCloudBEAR）

　　主頻：60 MHz電源電壓（主）2.2 … 3.6 V電源電壓（ADC使用）3.0 … 3.6 V電源電壓：1.8 … 3.6 V

　　閃存程序存儲器容量：256 + 8 KB

　　存儲器容量RAM：112 KB

　　一次性可編程ROM的容量：16 KB

　　計量用電測量ADC ：24位sigma delta,，7通道

　　用于計算功耗的ADC：10位帶溫度傳感器

　　接口：5xUART，3xSPI,，1xI2C

　　用戶IO：55

　　具有實時時鐘和篡改檢測的512字節(jié)電池域

　　4個32位定時器模塊,，具有4個事件捕獲通道和PWM

　　4個32位定時器塊，4個事件捕獲通道和PWM

　　看門狗定時器

　　具有變量多項式的CRC計數(shù)塊

　　對稱密碼算法計算支持塊

　　隨機數(shù)產(chǎn)生裝置

　　頻率變化檢波器

　　電源電壓檢測單元（主,、電池）

　　光檢測器塊

　　電力供應鏈中的噪聲產(chǎn)生裝置

　　調(diào)試接口：JTAG

　　封裝類型：QFN88 （10 x 10 mm）

　　工作溫度：50°C…+85°C

　　系統(tǒng)結構：

　　2. 處理器核心

　　如前所述,，芯片的核心是帶有BM-310標記的32位RISC-V處理器內(nèi)核（采用RV32 IMC配置），它是由CloudBEAR設計的,。這不是他們唯一的處理器核心,。他們提供了一系列的核心，從小型微控制器核心到高性能的64位多處理器集群,。

　　Milandr正在開發(fā)基于CloudBEAR組合中不同復雜程度的內(nèi)核的新產(chǎn)品?，F(xiàn)在只有基于BM310內(nèi)核的K1986VK025已上市。不過，其他產(chǎn)品,，包括基于64位內(nèi)核的產(chǎn)品將很快面世,。BM-310內(nèi)核是一個32位的RISC-V內(nèi)核，采用三段式匯編,，能夠在兩個周期內(nèi)完成一次乘法運算,。在這個版本的芯片中還沒有實現(xiàn)對浮點運算的支持（雖然內(nèi)核允許設置浮點運算）。

　　BM-310內(nèi)核在CoreMark測試中的性能為3.0 CoreMark/MHz,。因此,，它可以與ARM Cortex-M3相媲美。同時,，新芯片中的核心面積只有0.3m㎡,，考慮到大部分計算功耗參數(shù)的任務都是由計量ADC的硬件控制器來完成的，因此主要處理能力的核心可以用于計量裝置的通信任務,。

　　3. 價格

　　芯片尺寸是芯片成本的主要因素,。它的面積越大，價格越貴,，生產(chǎn)技術越復雜,，價格也就越高。同時,，使用的技術越復雜,，實現(xiàn)所需功能所需的面積就越小，因此價格會更便宜,?？傮w而言，技術的選擇并不明顯,。第一代K1986BK2x芯片開發(fā)于180 nm,。大約三分之一的芯片屬于模擬部分（實際上是sigma-delta ADC、電源,、IO），當切換到更精細的工藝時,，當切換到更細微的工藝時,，這部分實際上不會減少。但按照新的要求,，功能量要增加近4倍,。

　　新的芯片實現(xiàn)了256KB Flash對64K，RAM 112KB對16K,，5個UART,， 3個SP，還有更多的加密技術……所以，經(jīng)過全面的估計和計算,，決定如果特別在意成本,，那么用90nm的技術是可以進入要求的成本范圍的，當然采用用65nm或更低的技術會更好,，但一般來說,，開發(fā)成本也將會提高高，會使項目在融資方面的風險更大,。

　　4. 計量ADC

　　如果處理器核心是微控制器的心臟,，那么計量ADC就是其大腦，因為它是用于指定微電路分配,。微控制器實現(xiàn)了一個包含7個通道的24位Σ,？ ADC的模塊。

　　對于三相網(wǎng)絡,，所有通道分為三對F0-F2（電壓通道和電流通道）和一個獨立的電流通道（稱為F0）,。7個通道中的每個通道都以高達16 kHz的輸出采樣率數(shù)字化輸入信號。

　　此外,，在每對通道F0-F2中,，都有機會計算電流/電壓的均方根值，計算有功和無功功率,，計算消耗的有功和無功電能,，電壓中的信號頻率通道，峰值超出部分以及信號下降到低于設定水平,。

　　這些額外的功能塊降低了處理器的負載,，從而減少了整個芯片的功耗。此外,，每個ADC都有一個獨立的DMA通道,，無需處理器參與即可將數(shù)據(jù)保存到RAM。

　　ΣADC單元的主要參數(shù)和功能列表：

　　7個獨立的ADC,，輸出采樣率為4/8/16 kHz（4個電流通道和3個電壓通道）,。這些通道組成3個塊，用于測量每個相F0-F2的參數(shù),。

　　在通道F0的塊中,，實現(xiàn)了當前通道（具有最大值）的自動選擇，用于功率特性的后續(xù)計算,。如果電流差超過6％,，則會產(chǎn)生中斷。除此功能外,，其余的塊F0-F2是相同的,。

　　所有ADC通道均具有獨立的斜率校準系數(shù)特性,。

　　每個當前通道都有一個獨立的積分器。

　　每個ADC模塊（F0-F2）通過電壓通道獨立計算信號周期,。計算此值的周期數(shù)可以設置為等于1/2/4/8/16/32/64/128個周期,。

　　每個模塊都可以驗證電壓通道中周期性信號的損耗。

　　每個模塊都可以驗證電壓“下降”到指定水平以下,，以及電流和電壓通道中的信號是否超出指定限制,。

　　允許以0.02％的精度校正電壓通道中信號的相位。

　　允許計算均方根值,，電流和電壓的均方根平方值以及它們的獨立校準,。

　　在計算有功和無功能量時，該期間的累計能量值存儲在單獨的寄存器中（用于正和負能量）,。

　　全功率和能量計算,。

　　相對于相位0計算相移。

　　因此,，計算所消耗的功耗是在處理器的最小參與下執(zhí)行的,。

　　5. 保護

　　5.1 密碼保護

　　該微電路實現(xiàn)了信息保護的所有功能，包括：

　　支持塊密碼AES的協(xié)處理器塊,；

　　隨機數(shù)發(fā)生器,；

　　用于計算任意多項式的CRC的塊；

　　帶電池的關鍵信息專用易失性存儲

　　一次性可編程引導加載程序ROM,，可實現(xiàn)每個芯片的唯一標識,。

　　對稱加密是在協(xié)處理器的基礎上實現(xiàn)的，協(xié)處理器可以加快最困難的操作,。這樣可以以最高10 Mbps的最高性能來加速加密速度,。如有必要，可在軟件中實現(xiàn)非對稱密碼算法,。

　　5.2 工程防護

　　為了防止各種工程方法對電能表和獨立芯片的沖擊,，采用了特殊的工程保護方法：

　　3個用于篡改檢測器的引腳（電子密封件）

　　頻率變化檢測器模塊

　　電源電壓變化檢測器單元

　　光學探測器單元

　　防止未經(jīng)授權的內(nèi)存讀取

　　針夯探測器的引腳是微控制器的三個單獨的引腳，即使在沒有主電源（僅電池）且所有時鐘關閉的情況下,，也可以通過它們記錄來自外部電子密封件的信號,。因此，將檢測并記錄對儀表的任何機械沖擊嘗試,。除了設備外殼的保護機制外,，還實現(xiàn)了保護微電路自身免受更復雜攻擊的方法。

　　為了消除處理器頻率 “加速 ”或反之 “減速 ”的情況,，實現(xiàn)了頻率變化檢測器，它不斷地將外部頻率源與內(nèi)部RC發(fā)生器進行比較,，當偏差發(fā)生在規(guī)定的范圍之外時,，它就會產(chǎn)生事件或?qū)⑿酒袚Q到內(nèi)部（在芯片上實現(xiàn)的）應急頻率源,。

　　頻率信號的 “突變 ”由輸入信號的濾波系統(tǒng)來抵消。為了在打開主電源時正確啟動微電路,，以及檢測電源超出可接受范圍的事實,，實現(xiàn)了一個電壓檢測單元。該單元還監(jiān)測在沒有主電源的情況下,，芯片賴以工作的電池電量,。因此，已經(jīng)消除了任何通過電源電壓破壞微電路運行的操作或企圖,。

　　為了避免關鍵信息通過 “后側(cè) ”通道（例如電源電路）泄漏,，已經(jīng)在微電路中使用偽隨機數(shù)發(fā)生器實現(xiàn)了主電源噪聲掩蔽模塊。該模塊會產(chǎn)生一個隨機變化的附加消耗,，用量掩蓋主消耗,。為了防止更嚴重的半侵入式和侵入式攻擊（當訪問微電路的裸片甚至裸片的單個電路時對微電路的攻擊），實現(xiàn)了光學檢測器,。由于通常是微電路的裸片,，因此不可能有光進入。萬一微電路斷開并且光線接觸芯片,，光學傳感器將發(fā)出警報,。

　　如果入侵者走得更遠，那么為了限制對微電路內(nèi)部電路的訪問,，在裸片布局的上層實施保護堆棧,，其中接地電路和功率電路交織在一起，以及沿信息電路傳輸隨機多項式,。順便說一句,，這就是為什么上面的圖片顯示的是CAD的布局圖，而不是裸片的真實照片,。

　　至于裸片的真實圖片,，看起來像這樣。

　　對比一下,，ST卡芯片（ST23系列）的防盜網(wǎng)是這樣的,。

　　如果網(wǎng)狀物完整性受到物理侵犯，也會產(chǎn)生報警,。軟件必須監(jiān)控所有報警事件,，如果發(fā)生，則記錄攻擊的事實,。更為重要的是,，可以配置微電路，當檢測到攻擊時,，密碼密鑰信息會自動刪除,。這一切都需要軟件的保證,。

　　對于用戶程序，該芯片包含16 KB的一次性可編程ROM和256 + 8 KB的可重新編程閃存,。該芯片是從內(nèi)置的一次性可編程存儲器啟動的,。最初，在芯片制造時,，這個存儲器是干凈的,，對于系列化產(chǎn)品，在測試和剔除過程中要加載一個啟動可信的bootloader,。這樣就可以為每個芯片提供唯一的標識,，保證計量和加密軟件的完整性，同時也保證了閃存中用戶程序的保護,。

　　結論

　　盡管很多人對俄羅斯芯片持懷疑態(tài)度,，但我們確信Milandr已經(jīng)可以與外國公司競爭。