Особенности применения микросхем 1645РУ3/1645РУ4 в системах управления научной аппаратурой при проведении космических экспериментов
Введение
Использование отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) для реализации проектов различного назначения является достаточно актуальной задачей в условиях различного рода недружественных, антирыночных действий ряда иностранных государств. Особую роль ЭКБ российского производства играет при создании аппаратуры космического назначения, которая должна удовлетворять целому ряду специфических требований. В ходе создания комплексов научной аппаратуры для проведения экспериментов в космосе в ИЗМИРАН накоплен значительный опыт по применению целого ряда современных изделий российской микроэлектроники специального назначения [1–3].
В ходе создания аппаратуры для спутников геофизического мониторинга ионосферы Земли в системе управления проведением эксперимента по исследованию низкочастотных вариаций электромагнитного поля была применена децентрализованная система управления [3], в составе которой присутствовало статическое оперативное запоминающее устройство (СОЗУ) на базе микросхем 1645РУ3У. Микросхема представляет собой СОЗУ с произвольной выборкой с информационной емкостью 4 М и организацией 256 К слов по 16 бит. Микросхема разработана по КМОП-технологии с минимальными проектными нормами 0,18 мкм, с одним уровнем поликремния и четырьмя уровнями металла. В качестве запоминающего элемента использована шеститранзисторная ячейка памяти [4].
В ходе отработки системы были выявлены особенности функционирования данной микросхемы, связанные с методом подачи сигналов адреса от управляющей ПЛИС, рассмотрению которых посвящена данная статья.
Структура и задачи системы управления
Блок-схема системы управления проведением эксперимента на борту космического аппарата (КА) приведена в [3], ее фрагмент воспроизводится на рис. 1. Вычислительная система имеет три функционально специ-фических ядра: сигнальный процессор (обработка сигналов внешних и внутренних датчиков), телеметрический процессор (поддержка протокола обмена с бортовой телеметрической системой КА) и ряд вспомогательных вычислительных элементов, расположенных в ПЛИС, которая выступает в качестве интегрирующей информационной среды системы.
В реализованных вариантах системы в роли ПЛИС использовалась микросхема FPGA серии А42МХ от фирмы, ранее известной как Actel (в настоящий момент входит в корпорацию Microsemi). Данная серия в исполнении Industrial успешно применялась в течение многих лет в ходе реализованных ИЗМИРАН крупных космических проектов, в частности в системе управления комплексом научной аппаратуры орбитальной солнечной обсерватории КОРОНАС-Ф [5]. В настоящий момент существует ряд разработок стран СНГ, например 5577ХС1Т («Интеграл», г. Минск), ряд разработок АО «КТЦ «Электроника» (г. Воронеж) и т. д.
Сигнальный и телеметрический процессоры системы реализованы на базе микросхемы 1886ВЕ2У (ПКК «Миландр»). Для организации непрерывной обработки и передачи информации каждый процессор действует со своим ОЗУ, обозначенным на рис. 1 как ОЗУ‑1 и ОЗУ‑2. Эти ОЗУ полностью симметричны, и доступ к ним коммутируется со стороны ПЛИС, которая вырабатывает все необходимые для функционирования ОЗУ сигналы управления. Цикл заполнения одного банка ОЗУ занимает время порядка 1 с, после чего происходит перекоммутация банков — сигнальный процессор получает доступ к банку ОЗУ телеметрического процессора и наоборот. С точки зрения процессоров каждый из них монопольно работает со своим индивидуальным банком ОЗУ объемом 256 К слов разрядностью 16 бит.
Схема управления банками ОЗУ
На рис. 2 представлена структурная схема управления одним из банков ОЗУ. К особенностям данной схемы нужно отнести следующее: основной режим адресации памяти со стороны активного процессора или иного вычислительного ядра — автоинкрементный, что вызвано необходимостью обеспечивать предельные скорости обработки информации в системе. Поэтому сигналы шины адреса для ОЗУ поступают не непосредственно с системной шины процессора, а с выходов 18‑разрядного счетчика адреса, аппаратно осуществляющего автоинкремент адреса после каждого обращения к ячейке памяти.
Режим автоинкремента используется как при записи, так и при чтении данных из ОЗУ. Для диагностических целей в системе также реализован режим непосредственного задания адреса из выходного порта процессора.
Обнаруженный эффект
В ходе отработки технологического образца системы, при проведении испытаний подсистемы работы с ОЗУ, был обнаружен эффект искажения содержимого памяти в процессе многократных считываний. Испытания проводились следующим образом: в банк ОЗУ записывался тестовый массив, содержащий уникальные 8-, 16‑ и 32‑битовые слова, банк переводился в режим чтения и производилось многократное считывание на предельной скорости всего банка с одновременным контролем правильности последовательности и фиксацией обнаруженных отклонений — разница в данных и соответствующий адрес.
Необходимо отметить, что все требования, изложенные в технических условиях на применяемые микросхемы, были тщательнейшим образом соблюдены и перепроверены — напряжения питания, развязки/пульсации питающих шин, наличие в схеме паразитных «иголок», времена выборки с трехкратным запасом и т. д. Также был исключен эффект возможной дефективности применяемых микросхем — полученный эффект наблюдался на нескольких образцах разрабатываемой системы с использованием нескольких микросхем ОЗУ из двух разных партий, в том числе несколько различных типов (1645РУ3 и 1645РУ4).
Эффект проявляется следующим образом: в процессе циклического считывания полного содержимого обоих банков в считываемых массивах спорадически возникают искажения отдельных слов (конкретнее — нескольких битов 16‑разрядных слов), причем было установлено, что искажения появляются не при считывании данных, а изменяются именно в самой микросхеме ОЗУ, так как однажды возникшее искажение фиксировалось впоследствии в процессе каждого считывания банка без исключений. Период чтения банков ограничивался быстродействием применяемых микро-ЭВМ и составлял порядка 4 Гц, тогда как время выборки по адресу 20 нс, указанное в ТУ на микросхемы ОЗУ, позволяет производить чтение банка на частоте около 38 Гц. Сбои возникают в матрице элементов памяти со случайными интервалами по времени, средняя величина между сбоями достигает нескольких секунд. За один проход, как правило, фиксируется один сбой в одной ячейке. Адреса ячеек при этом не спорадические, а имеют явно выраженную группировку к определенным граничным значениям, закономерности которых установить, к сожалению, не удалось.
Также следует отметить, что тщательным образом была исключена малейшая вероятность возникновения в системе ложных импульсов записи в ОЗУ, в том числе «иголок», для чего был предпринят ряд мер, вплоть до физического отключения вывода WE микросхемы от ПЛИС после осуществления записи тестового массива с переключением его на подтягивающий резистор шины питания с контролем его состояния быстродействующим цифровым осциллографом, работающим в ждущем режиме. Все шины питания применяемых цифровых миросхем (ОЗУ, процессоров, ПЛИС) при исследовании эффекта были реализованы как врубные (соединение по схеме «звезда» индивидуальными проводниками сечением 0,35 мм2 к каждому выводу питания и «земли»).
Отмеченный эффект наблюдался только при адресации ОЗУ от счетчика адреса в режиме автоинкеремента, при установке адреса напрямую с выходных регистров порта микро-ЭВМ эффект полностью отсутствует, микросхемы ОЗУ работают безупречно во всем исследованном диапазоне температур +20…+125 °C.
Результаты исследований
В ходе проведения длительной серии исследований данного эффекта было установлено следующее. Эффект искажения содержимого при чтении из матрицы элементов ОЗУ возникает в случае, когда между отдельными битами шины адреса, выходящими с системного счетчика адреса, имеются значительные временные сдвиги, что характерно для выходов счетчиков, построенных на последовательных триггерах (рис. 3). Величина tуст.адр на этом рисунке соответствует задержке распространения сигнала на одном триггере ПЛИС (в применяемых нами ПЛИС она составляла 10–20 нс). Общее время установки адреса в нашей системе не превышало 360 нс, что подтверждалось результатами моделирования и прямыми измерениями. Время выборки при чтении слова данных со стороны микропроцессора составляло величину порядка 1 мкс, моменты установки адреса со счетчика и моменты выборки данных фиксировались осциллографом, поэтому возможность считывания ошибочного слова из-за невыполнения условия по длительности цикла выборки/чтения можно исключить. Да и повторяющийся после однократного сбоя в этой же ячейке тот же самый сбой однозначно свидетельствовал: в процессе чтения данные в ОЗУ были несанкционированно перезаписаны.
Следует отметить, что в руководстве по эксплуатации данной микросхемы регламентируется только время выборки по сигналу адреса 20 нс, а к одновременности поступления значений шины адреса требований не предъявляется [4].
В процессе исследования данного эффекта было установлено, что применение синхронного счетчика (эквивалентного параллельному регистру с одновременным занесением всех 18 бит адреса) полностью устраняет эффект (рис. 4).
Выводы
При использовании микросхем ОЗУ 1645РУ3/РУ4 следует обеспечивать строго синхронное переключение всех битов шины адреса, в противном случае (например, при применении асинхронных счетчиков адреса) возможно появление эффекта искажения содержимого ОЗУ в процессе чтения. При использовании синхронных счетчиков адреса микросхема показывает все заявленные в ТУ характеристики без замечаний.
- Лисин Д., Лебедев Н., Смерек В. Применение современных российских СБИС повышенной стойкости в системах управления солнечными космическими экспериментами в дальнем космосе // Компоненты и технологии.
2016. № 5. - Лисин Д. В., Лебедев Н. И. К вопросу создания прецизионных ключей разряда интегратора заряда для применения в спектрометрических приборах наблюдений в условиях дальнего космоса // Научное приборостроение. 2016. Т. 26. № 2.
- Лисин Д. В. Система децентрализованного управления ионосферным космическим экспериментом // Приборы и техника эксперимента. 2017. № 6.
- АО «ПКК «Миландр». Официальный сайт.
- Степанов А. И., Лисин Д. В., Кузнецо в В. Д., Афанасьев А. Н., Осин А. И., Шварц Й. Бортовой и наземный комплексы управления научной аппаратурой спутника КОРОНАС-Ф. В кн. Солнечно-земная физика: результаты экспериментов на спутнике КОРОНАС-Ф. / Под ред. Кузнецова В. Д. М.: Физматлит, 2009.