Архитектуры МП для космоса

- x86

Разработчик Intel, рабочие места астронавтов на МКС (ПК Dell, теперь Lenovo)

- PowerPC

Разработчик IBM, производитель космических процессоров BAE Systems (Великобритания), RAD 750 и Honeywell (основной для NASA)

- MIPS

Разработчик MIPS Technologies (в 2004 г. поглощена Imagination Technologies), производители Sanova (Mongoose V), в России: НИИСИ РАН (Комдив 32, 64 - половина отечественной военной электроники), Элвис (MC-24R («Сталкер»)), последние реализации - СнК-процессор (получил широкое распространение в России)

- SPARC v8 (v9)

Разработчик SUN (в 2009 г. поглотил ORACLE), архитектура Leon2/3 компании Gaisler, UT 699 Aeroflex, AT AT687F Atmel (сейчас куплен компанией Microchip(PIC)) - СнК-процессор

- ARM

Разработчик Advanced RISC Machines (ARM, Великобритания), Процессор “Спутник” (Цифровые решения, Ангстрем) - СнК-процессор. (самый массово используемый процессор: холодильники, телефоны, телевизоры)

- DEC

Digital Equipment Corporation (поглощена Compaq в 1998 г.) В России К1839 процессор БК Салют 32 (Глонасс М)

Эльбрус и Sparc – процессоры, выпускаемые в Москве (МЦСТ), в основном для военных. В настоящее время известно несколько архитектур, используемых для разработки космических процессоров, космические процессоры позиционируются на разные варианты применения (как для бортового компьютера, так и для отдельных подсистем). В последнее время технология СнК приобретает наибольшее применение для космической электроники.

BAE Systems

Крупнейшая компания в области электроники для космического и военного применения, она разработала линейку разных процессоров, представленных в таблице ниже.

 

	GVSC 1750	RAD6000	RAD750
Архитектура	MIL-STD-1750A	RS\6000 POWER	PowerPC
Год разработки	1991	1996	2001
Технология	Радиационно-стойкий 1,0-кмк КМОП-процесс	Радиационно-стойкий 0,5-мкм КМОП-процесс	Радиационно-стойкий 0,25 - мкм КМОП-процесс
Частота, МГц	20	33	166

RAD750 - Накопленная доза до 1 МРа, отсутствие тиристорного эффекта, значение порога к одиночным сбоям - не менее 45 МэВ, гарантия прогнозная частота сбоев на геостационарной орбите 1,6 * 10^-10 /бит/день.

Совершенствование

1. переработка электрической схемы и топологии ячеек памяти;

2. переработка электрической схемы и топологии усилителей считывания, декодеров и других элементов, входящих в блок памяти, блока PLL и др;

3. замена всех блоков с элементами динамической логики на функционально подобные блоки на основе полностью статической схемотехники;

4. переработка всех триггеров на устойчивые к сбою аналоги;

5. повсеместное внедрение схем обнаружения и коррекции ошибок.

Honeywell

- тактовая частота 80 мГц

- стойкость по накопленной дозе не менее 300 кРад

- гарантируется полное отсутствие тиристорного эффекта

- частота сбоев на орбите 1,5*10^-5/чип/день

 

Базовой технологией является “кремний на изоляторе” с проектными нормами вплоть до 0,15 мкм, что позволяет полностью исключить эффекты тиристорной защелки и существенно уменьшить вероятность одиночных сбоев.

Микропроцессоры с архитектурой MIPS

Процессор Mongoose V - выпускает компания Sanova

- тактовая частота 5 мГц

- стойкость по накопленной дозе 100 кРад

- полное отсутствие тиристорного эффекта

- порог одиночных сбоев не менее 80 мэВ*см^2/мг

Микропроцессоры с архитектурой SPARC

Разрабатывает компания Gaisler, и продает RTL проект, написанный на VHDL.

32- разрядный микропроцессор Mongoose V с архитектурой MIPS-I разработан более 10 лет назад, но все еще применяется в БК КА.

 

- Atmel → Leon2ft SPARС V8 количество ступеней процессора - 5

- Aeroflex → Leon3ft SPARС V9; количество ступеней процессора - 7, поддержка многопроцессорности.

a. Atmel выпускает AT 697F [стойкость к накопленной дозе не менее 300 кРад, порог не менее 70 МэВ*см^2/мг, тактовая частота 100 МГц, прогнозная частота сбоев - 10^-5 чип/день]

b. Aeroflex выпускает UT 699 [тактовая частота 66 МГц, стойкость по накопленной дозе не менее 300 кРад, отсутствие тиристорного эффекта до уровня не менее 108 МэВ, порог и частота одиночных сбоев - не приводятся]

Отечественные микропроцессоры

 

- Микроконтроллер 1874BE05T - разработчик - НИИ электронной техники; 16-ти разрядный, 20 МГц; технология КнИ; характеристики радстойкости не приводятся.

- Микропроцессор 5890BE1T - из семейства Комдив-32, технология КнИ, система на кристалле, MIPS архитектура, радстойкость 200 кРад, тактовая частота 33 МГц, остальные характеристики по стойкости не приводятся. Комдив имеет серию микросхем, 32-разрядных порядка шести, столько же 64-х разрядных. В большинстве случаев это MIPS и системы на кристалле.

- Микропроцессор MC-24R (“Сталкер”) - выпускает фирма Elvis (Зеленоград). Это MIPS-32, тактовая частота 100 МГц, численные значения по стойкости не приводятся. Позиционируется, как радстойкий.

 

Процессор LEON

Создан по заказу европейского космического агентства, все версии записаны на языке VHDL. Все версии свободно распространяемы - GNU. Ядро процессора имеет много параметров конфигурации.

 

Характеристики:

- 32-битное микропроцессорное ядро, созданное на базе архитектуры SPARC V8

- ОС, поддерживающие LEON: RTLinux, eCos, RTEMS, Nucleus, THreadX, VxWorks и LynxOs

 

AMBA AHB - внутри кристальная шина компании ARM. Имеет два типа: AMBA AHB и AMBA APB, AHB - это скоростная шина, APB - низкоскоростная шина. Это определяется теми устройствами, которые к ней подключены.

К скоростной шине подключено ядро процессора, подключены контроллер памяти и периферийные интерфейсы типа SpaceWire, CAN до 1 Мбит/сек; Debug support (отладчик), Ethernet, PCI, IRq (контроллер аппаратных прерываний), PROM (постоянное запоминающее устройство), системный таймер. Внутренняя и внешняя шина связаны мостом

Ядро включает в себя кэш данных и кэш инструкций, интерфейс к шине AMBA, сопроцессор с плавающей точкой, аппаратный умножитель и делитель, ММУ (для организации виртуальной памяти), сложно-функциональные блоки.

LEON3 имеет библиотеку элементов GRLIB, для отладки используется GRMON.

GRMON включает следующие функции: доступ для чтения и записи ко всем системным регистрам и памяти, встроенный дизассемблер и управление буфером трассировки, загрузку и выполнение приложений LEON, управление точками останова, удаленное подключение к программному отладчику через JTAG, RS232, SpaceWire и т.д.

Для определения данного процесса используется FARM-модель

- F – набор сбоев

- А – набор выполняемых действий

- R –  набор результатов

- М –  набор изменений

 

Инъектирование сбоев

 

Инъектирование – способ оценки сбоеустойчивости системы путем преднамеренного введения сбоев в нее.

Использование:

- Тестирование системы:

1. имеется модель системы, и нам нужно предсказать, как же поведет себя в последующем реально созданная система;

2. система уже реализована, и нам нужно оценить ее механизмы детектирования сбоев и отказоустойчивость.

- Совершенствование системы.

 

Виды сбоев

Классификация методов инъектирования сбоев (физический эксперимент проводится после моделирования (simulation based))

Физические способы – реально воздействуют на аппаратуру. Бывают:

Неинвазивные:

- Radiation

- EMI and power supply

Инвазивные:

- Pin level

- OCD Debug

SWIFI эмулирует сбои с помощью ПО. Имеется два направления:

- Когда ПО вносит сбои в момент работы системы

- Когда сбой подготавливается в момент разработки исходного кода программы