芯片

全球领先的信息技术研究和顾问公司Gartner预测,全球半导体供应短缺将在整个2021持续并在2022年第二季度恢复至正常水平。

Gartner首席研究分析师Kanishka Chauhan表示:“半导体供应短缺将严重扰乱供应链并将在2021年制约多种电子设备的生产。芯片代工厂正在提高芯片的价格,而芯片公司也因此提高设备的价格。”

最初出现芯片供应短缺问题的设备主要包括电源管理、显示设备和微控制器等,这些设备在8英寸芯片代工厂的传统节点上制造,其供应量有限。现在,供应短缺问题已扩展至其他设备,而且基板、焊线、无源器件、材料和测试等芯片代工厂以外的供应链环节都出现产能受限和供应短缺问题。这些产业均已高度商品化,因此在短时间内几乎不具备积极投资的灵活性/能力。

大多数类别的设备供应短缺预计将持续到2022年第二季度(见图一),而基板产能限制可能会延长到2022年第四季度。

图一、Gartner库存指数半导体供应链追踪——2021年至2022年全球半导体库存指数变动预测

“Gartner库存指数半导体供应链追踪——2021年至2022年全球半导体库存指数变动预测"

注:2021年第一季度为模型预估,具体数据可能会根据厂商在2021年第二季度报告的实际财务状况而发生变化。2021年第二季度至2022年第四季度指数条仅代表方向性预估。

来源:Gartner(2021年5月)

Gartner分析师建议直接或间接依赖半导体的原始设备制造商可采取四项关键行动来缓解全球芯片供应短缺期间的风险和收入损失。

扩展供应链的可见性 ——由于芯片供应短缺,供应链领导者需要将供应链可见性从供应商扩展至芯片层面,这对于预测供应限制和瓶颈以及最终预测这一危机情况何时能够改善至关重要。

通过联合模式和/或提前投资来保证供应 ——需要较小和关键器件的原始设备制造商必须寻求与类似的实体开展合作并与芯片代工厂和/或封测代工厂(OSAT)组成联合实体,这样才能获得一些优势。此外,如果规模允许,提前投资于芯片供应链的商品化环节和/或芯片代工厂可以保证公司的长期供应。

追踪领先指标 ——虽然单凭任何一项相关参数无法预测供应短缺情况将如何演变,但可以通过多项相关参数的组合帮助指导企业机构朝着正确的方向发展。

Gartner公司研究副总裁Gaurav Gupta表示:“由于目前芯片供应短缺情况在不断发生变化,因此我们必须持续了解它的变化。”通过追踪资本投资、库存指数及作为库存情况早期指标的半导体行业收入增长预测等领先指标,可以帮助企业机构了解这一问题的最新进展和整个行业的发展情况。

建立多样化的供应商体系 ——虽然验证不同芯片来源和/或封测代工厂的资质需要付出更多的精力和投资,但这对降低风险大有帮助。此外,与经销商、转售商和贸易商建立密切的战略关系有助于企业机构找到小批量的急用器件。

关于Gartner

Gartner, Inc.(纽约证券交易所:IT)是全球领先的信息技术研究和顾问公司,也是标准普尔500指数包含的上市公司之一。Gartner为企业领导者提供必不可少的见解、建议和工具,以帮助他们达成在当前需优先处理的关键事项及建设在未来能够取得成功的企业机构。

Gartner完美结合了专家主导、来源于从业者的资源和数据驱动的研究,使客户能够在最重要的问题上做出正确的决策。Gartner的客户遍及100多个国家的14,000个企业机构,覆盖各行各业、各种企业规模的主要职能部门。这些客户都深信Gartner是值得信赖的顾问和客观的资源提供者。

欲了解更多Gartner如何帮助决策者推动企业未来发展,请访问http://www.gartner.com/cn

围观 10

近期,各大科技公司纷纷入局智能座舱领域,从华为、高通、NXP智能座舱解决方案,到大陆、博世、哈曼国际、电装,再到北汽、WEY、蔚来、小鹏、理想、吉利、领克、福特、凯迪拉克等车厂,整条产业链几乎处于ALL-IN的状态,预计至 2025 年全球智能座舱规模将超461亿美元。

智能座舱是什么?

简单来说,如果把汽车比作手机,智能座舱就相当于手机通过硬件(如摄像头)、软件升级的方式,让手机使用起来更便捷。

智能座舱是传统汽车中控屏的升级,与传统驾驶舱对比,智能座舱可提升近80%单车价值量。传统驾驶舱通常只有一个中控屏(普遍十英寸以内),单车价值量在1500元左右;智能座舱可添加更多功能,如更大的屏(价格可以达到2500元)、液晶仪表盘、HUD、后座娱乐系统、流媒体后视镜以及车联网模块。整体来看,这些硬件的单车价值量将很可能增加至9000元以上。

座舱芯片厂商汇总

目前智能座舱芯片主要有传统电子和消费电子两类厂商。

传统电子:恩智浦(i.MX系列)、瑞萨(R系列)、德州仪器(Jacinto系列)和意法半导体(Accordo系列)。

消费电子:高通、英特尔、谷歌、三星、华为、联发科。

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各厂商竞争格局:一芯多屏的未来趋势对芯片算力提出更高要求,目前以高通芯片的算力及出货遥遥领先,其次是英特尔及瑞萨。

其中2020年是高通座舱出货大年,核心出货量比较大的车型包括奥迪改款A4L、本田雅阁十代等,并且大部分新能源车型都选择高通820A作为座舱芯片。

“(图片来源:东方证券)"
(图片来源:东方证券)

附:智能座舱部件及厂商图谱

智能座舱主要部件有中控液晶屏、仪表盘、HUD、中控娱乐系统等等。当前新车型上全液晶仪表盘的渗透率约28%,HUD渗透率约10%。

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本文转载自:安芯商城
免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理(联系邮箱:
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苏州纳芯微电子股份有限公司(以下简称“纳芯微”)宣布推出高性价比三通道数字隔离器NIRS31及RS-485接口隔离芯片NIRS485。NIRS31/485采用创新的Adaptive OOK®电容隔离技术,具有低辐射噪声、高抗干扰性,适用于各类对成本敏感的应用场合,如电力电表、工业BMS、楼宇自动化等。

小体积,高耐压

NIRS31/NIRS485具有典型值150kV/μs的瞬态抗扰度、6KV的浪涌耐压,更易通过系统级浪涌测试,并减少外围保护器件。4.9mm×3.9mm的SSOP16小封装,使其更适用于高集成度方案,帮助工程师大幅节省PCB尺寸和布板空间。NIRS31/NIRS485现已通过CQC及UL认证,隔离耐压达3kVrms,可满足各种系统安规需求。此外,纳芯微从芯片设计、晶圆制作到封装测试全部国产化,保证了供应的稳定性。

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更简易,更节能

与分立高速光耦隔离方案相比,NIRS31集成度更高,数据速率达1Mbps,在满足性能指标的同时节省了更多成本。与485接收器加光耦的分立方案相比,NIRS485简单易用,使其不仅节省了电路板尺寸,也大幅节省了客户的物料管理成本。

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NIRS31产品特性

  • 高达3000Vrms的绝缘耐压
  • 数据速率DC到1Mbps
  • 供电电源电压:2.5V至5.5V
  • 高CMTI(典型值): ±150kV/us
  • 芯片级EMC性能: HBM:±6kV
  • 浪涌耐压 >6kV
  • 低功耗:1.5mA/ch (1 Mbps)
  • 低传输延时 <500ns
  • 工作温度,-40℃~125℃

NIRS485产品特性

  • 高达3000Vrms的绝缘耐压
  • 总线侧电源电压: 3.0V至5.5V
  • VDD1电源电压:2.5V至5.5V
  • 高CMTI(典型值):±150kV/us
  • 较高的系统级EMC性能:总线引脚符合IEC61000-4-2±8kV ESD
  • 浪涌耐压 >6kV
  • 故障安全保护接收器
  • 支持256个收发器
  • 工作温度:-40℃~105℃

关于纳芯微

苏州纳芯微电子股份有限公司是国内领先的信号链芯片及其解决方案提供商,聚焦传感器与数字隔离两大产品方向。纳芯微电子专注于高性能集成电路芯片的设计、开发、生产和销售,为客户提供一站式系统解决方案。如需了解更多信息,敬请访问www.novosns.com

围观 61

作为一名电源研发工程师,自然经常与各种芯片打交道,可能有的工程师对芯片的内部并不是很了解,不少同学在应用新的芯片时直接翻到Datasheet的应用页面,按照推荐设计搭建外围完事。如此一来即使应用没有问题,却也忽略了更多的技术细节,对于自身的技术成长并没有积累到更好的经验。今天以一颗DC/DC降压电源芯片LM2675为例,尽量详细讲解下一颗芯片的内部设计原理和结构,IC行业的同学随便看看就好,欢迎指教!

LM2675-5.0的典型应用电路

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打开LM2675的DataSheet,首先看看框图

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这个图包含了电源芯片的内部全部单元模块,BUCK结构我们已经很理解了,这个芯片的主要功能是实现对MOS管的驱动,并通过FB脚检测输出状态来形成环路控制PWM驱动功率MOS管,实现稳压或者恒流输出。这是一个非同步模式电源,即续流器件为外部二极管,而不是内部MOS管。

下面咱们一起来分析各个功能是怎么实现的

01、基准电压

类似于板级电路设计的基准电源,芯片内部基准电压为芯片其他电路提供稳定的参考电压。这个基准电压要求高精度、稳定性好、温漂小。芯片内部的参考电压又被称为带隙基准电压,因为这个电压值和硅的带隙电压相近,因此被称为带隙基准。这个值为1.2V左右,如下图的一种结构:

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这里要回到课本讲公式,PN结的电流和电压公式:

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可以看出是指数关系,Is是反向饱和漏电流(即PN结因为少子漂移造成的漏电流)。这个电流和PN结的面积成正比!即Is->S。

如此就可以推导出Vbe=VT*ln(Ic/Is) !

回到上图,由运放分析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,这样可得:I1=△Vbe/R1,而且因为M3和M4的栅极电压相同,因此电流I1=I2,所以推导出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN结面积之比。

回到上图,由运放分析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,这样可得:I1=△Vbe/R1,而且因为M3和M4的栅极电压相同,因此电流I1=I2,所以推导出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN结面积之比。

这样我们最后得到基准Vref=I2*R2+Vbe2,关键点:I1是正温度系数的,而Vbe是负温度系数的,再通过N值调节一下,可是实现很好的温度补偿!得到稳定的基准电压。N一般业界按照8设计,要想实现零温度系 数,根据公式推算出Vref=Vbe2+17.2*VT,所以大概在1.2V左右的,目前在低压领域可以实现小于1V的基准,而且除了温度系数还有电源纹波抑制PSRR等问题,限于水平没法深入了。最后的简图就是这样,运放的设计当然也非常讲究:

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如图温度特性仿真:

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02、振荡器OSC和PWM

我们知道开关电源的基本原理是利用PWM方波来驱动功率MOS管,那么自然需要产生振荡的模块,原理很简单,就是利用电容的充放电形成锯齿波和比较器来生成占空比可调的方波。

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最后详细的电路设计图是这样的:

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这里有个技术难点是在电流模式下的斜坡补偿,针对的是占空比大于50%时为了稳定斜坡,额外增加了补偿斜坡,我也是粗浅了解,有兴趣同学可详细学习。

03.误差放大器

误差放大器的作用是为了保证输出恒流或者恒压,对反馈电压进行采样处理。从而来调节驱动MOS管的PWM,如简图:

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04.驱动电路

最后的驱动部分结构很简单,就是很大面积的MOS管,电流能力强。

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05.其他模块电路

这里的其他模块电路是为了保证芯片能够正常和可靠的工作,虽然不是原理的核心,却实实在在的在芯片的设计中占据重要位置。

具体说来有几种功能:

1、启动模块

启动模块的作用自然是来启动芯片工作的,因为上电瞬间有可能所有晶体管电流为0并维持不变,这样没法工作。启动电路的作用就是相当于“点个火”,然后再关闭。如图:

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上电瞬间,S3自然是打开的,然后S2打开可以打开M4 Q1等,就打开了M1 M2,右边恒流源电路正常工作,S1也打开了,就把S2给关闭了,完成启动。如果没有S1 S2 S3,瞬间所有晶体管电流为0。

2、过压保护模块OVP

很好理解,输入电压太高时,通过开关管来关断输出,避免损坏,通过比较器可以设置一个保护点。

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3、过温保护模块OTP

温度保护是为了防止芯片异常高温损坏,原理比较简单,利用晶体管的温度特性然后通过比较器设置保护点来关断输出。

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4、过流保护模块OCP

在譬如输出短路的情况下,通过检测输出电流来反馈控制输出管的状态,可以关断或者限流。如图的电流采样,利用晶体管的电流和面积成正比来采样,一般采样管Q2的面积会是输出管面积的千分之一,然后通过电压比较器来控制MOS管的驱动。

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还有一些其他辅助模块设计。

六、恒流源和电流镜

在IC内部,如何来设置每一个晶体管的工作状态,就是通过偏置电流,恒流源电路可以说是所有电路的基石,带隙基准也是因此产生的,然后通过电流镜来为每一个功能模块提供电流,电流镜就是通过晶体管的面积来设置需要的电流大小,类似镜像。

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七、小结

以上大概就是一颗DC/DC电源芯片LM2675的内部全部结构,也算是把以前的皮毛知识复习了一下。当然,这只是原理上的基本架构,具体设计时还要考虑非常多的参数特性,需要作大量的分析和仿真,而且必须要对半导体工艺参数有很深的理解,因为制造工艺决定了晶体管的很多参数和性能,一不小心出来的芯片就有缺陷甚至根本没法应用。整个芯片设计也是一个比较复杂的系统工程,要求很好的理论知识和实践经验。最后,学而时习之,不亦说乎!

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围观 67

随着5G技术的发展,射频前端(RFFE)设计变得越来越复杂,而系统级封装(SiP)技术因其可集成多颗裸芯片与无源器件的特点,开始被广泛用于射频前端的设计中。

芯片设计与封装设计传统上是由各自工程团队独立完成,这样做的缺陷是增加了迭代时间和沟通成本。如果能够实现芯片和封装协同设计,不仅可大幅减少迭代次数,提高设计成功率,而且使能芯片工程师在设计流程中随时评估封装性能。

目前在市场上,要实现快速的芯片和封装协同仿真的方法并不多。芯和半导体独创的这套联合仿真流程中,三维建模简单易用,并配有专门针对联合仿真的优化求解器,能够提供更高的仿真加速和仿真效率。

三维建模和仿真流程

1.导入芯片和封装版图文件

在Metis工具中,可直接导入Cadence的设计文件(.mcm/.sip/.brd)、ODB++文件、以及DXF和GDS文件。本案例中芯片和封装版图均为GDS格式,同时还需要layermap文件和仿真工艺信息lyr文件。依次导入芯片和封装版图后,在Metis 3D视图中自动生成了它们的三维结构(图2),此时它们的相对位置是任意,需要通过Bump将它们连接在一起。

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图1 导入版图界面

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图2 导入芯片和封装文件

2.模型堆叠

在左侧的项目管理栏,选择Assemblies,进入堆叠设置界面。在上侧Model栏,我们将芯片设置为Upper Model,将封装设置为Lower Model(图3)。

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图3 切割后的模型 左:Serdes; 右:DDR

接着我们使用拖拽功能,将Upper Model拖拽至正确的封装焊点位置(图4)。

“图4
图4 移动upper Model至正确位置(右图)

最后创建合适的Bump模型,通过在芯片pad上点击增加Bump模型,将芯片和封装结构连接在一起(图5)。

“图5
图5 Bump建模及添加

3.端口添加

模型堆叠完毕后,用户可以直接在3D视图中添加集总端口,其中信号类型,金属层次,端口阻抗可任意配置。在本案例中,我们选择封装焊盘的一边作为信号端口。

“图6
图6 叠层及端口管理

“图7
图7 生成的最终仿真模型

4.仿真环境设置

Metis的网格划分、金属和过孔模型可以根据不同的结构进行分开设置,从而达到仿真精度与效率的双重提升。本案例中芯片的金属设置为Thick,过孔为Lumped,网格大小为50um,而封装的金属设置为3D,过孔为3D,网格大小为200um。最后点击Run Solver进行联合仿真。

“图8
图8 芯片的仿真设置

5.仿真结果比对

我们分别仿真了不带封装和带封装两种应用场景,来分析封装对芯片滤波特性的影响。绿色曲线是不带封装的芯片仿真数据,红色曲线是带封装的芯片仿真数据。通过对比RL和IL两个指标,我们发现在通带内滤波器特性并没有明显恶化,但是由于封装的容性寄生,导致带外的抑制性能急剧下降。这将对射频系统接收信号和本征信号带来干扰,从而导致信号的阻塞。由此我们得出结论,封装效应是芯片设计不得不考虑的重要因素,同时Metis能很好的解决联合仿真建模困难,优化设计效率低的问题。

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图9 RL与IL比对结果

总结

本文介绍了一种采用芯和半导体的Metis工具实现芯片和封装联合仿真的方法。通过Metis分别导入芯片和封装的版图文件,将芯片倒装焊在封装基板上,建立三维堆叠模型。最后使用Metis进行快速的电磁仿真分析,我们考察了封装对芯片性能指标的影响。此案例可以帮助设计人员进行芯片和封装协同设计可大幅减少迭代次数,提高设计成功率,使能芯片工程师在设计流程中随时评估封装性能。

来源:芯和半导体
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围观 207

近日,联想商用正式发布了智能物联新产品——基于瑞芯微RK3568芯片研发的联想边缘增强计算板卡ECB-PR51,以及采用此主板开发的联想边缘增强智能网关。瑞芯微与联想商用携手为商用智能物联解决方案赋能,可广泛应用于智能制造、智慧零售、智慧城市等诸多行业场景。

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RK3568芯片是瑞芯微全新推出的新一代AIoT计算平台,除具有高性能CPU和GPU外,还搭载第三代AI处理器,有效拓展安防、工控、物联网网关应用的性能需求。其具备五大技术特性:

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1. 高性能处理器。采用四核A55架构CPU,G52 GPU;内置NPU,可提供0.8T算力

2. 高可靠性设计。支持DDR及CPU Cache全链路ECC

3. 内置安防级ISP图像处理器。8M@30fps处理能力,强大的HDR功能,支持畸变矫正、去雾、噪点消除等功能

4. 丰富的显示、外设及拓展接口。内置HDMI/eDP/LVDS/MIPI/RGB/T-CON显示接口,支持多显;支持10x UART, 6x I2C, 16x PWM, 4x SPI, 3x CAN, 8xADC;支持PCIe 3.0及PCIe2.0、双千兆以太网、SATA3.0及USB3.0等灵活高速扩展接口

5. 强大的视频编解码能力。支持4K H.264/H.265/VP9等多种格式高清解码,支持1080p 60fps的H.264及H.265格式编码

搭载RK3568的联想边缘增强计算板卡ECB-PR51主板,遵循Leez家族的标准化设计,可全面兼容Leez丰富的功能模块及高防护外壳。可快速响应客户的个性化需求, 进行定制化产品开发。基于ECB-PR51主板的强大性能,以及开源、开放的Leez开发平台,联想智能网关在商业智慧应用落地中极具市场优势。

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基于RK3568的联想边缘增强智能网关ECG-AR51P系列,使用Leez标准化设计。采用无风扇散热、工业级防护、防尘静音,更可靠。该设备具有超强的兼容性和扩展性,专业接口模块,客户可灵活选择RS232、RS485以及CAN等数据接口。网络通信方面,可选扩展4G、5G移动数据网络,双路千兆以太网、Wifi 5、蓝牙5.0等一应俱全。外置HDMI高清显示接口,可流畅支持4K显示。同时,可扩展AI加速模块,提供3-12Tops的增强算力。0.8L的超小紧凑机身与强大性能的组合,让智能网关ECG-AR51P系列可应用于丰富的行业场景。

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瑞芯微RK3568芯片以高性能、高可靠性持续赋能智能物联产品落地。此次,与联想商用的携手,凭借其深厚的智能化转型经验及领先的商用物联网边缘计算产品实践经验,将共同探索及拓展更多智能物联的应用场景,助力行业客户提升产品市场竞争优势。

*图三、图四产品宣传图由联想商用提供,版权归其所有

围观 223

STM32芯片主要由内核和片上外设组成,STM32F103采用的是Cortex-M3内核,内核由ARM公司设计。STM32的芯片生产厂商ST,负责在内核之外设计部件并生产整个芯片。这些内核之外的部件被称为核外外设或片上外设,如 GPIO、USART(串口)、I2C、SPI 等。

“芯片内部架构示意图"
芯片内部架构示意图

芯片内核与外设之间通过各种总线连接,其中驱动单元有 4 个,被动单元也有 4 个,具体如上图所示。可以把驱动单元理解成是内核部分,被动单元都理解成外设。

ICode 总线

ICode总线是专门用来取指令的,其中的I表示Instruction(指令),指令的意思。写好的程序编译之后都是一条条指令,存放在 FLASH中,内核通过ICode总线读取这些指令来执行程序。

DCode总线

DCode这条总线是用来取数的,其中的D表示Data(数据)。在写程序的时候,数据有常量和变量两种。常量就是固定不变的,用C语言中的const关键字修饰,放到内部FLASH当中。变量是可变的,不管是全局变量还是局部变量都放在内部的SRAM。

系统System总线

我们通常说的寄存器编程,即读写寄存器都是通过系统总线来完成的,系统总线主要是用来访问外设的寄存器。

DMA总线

DMA总线也主要是用来传输数据,这个数据可以是在某个外设的数据寄存器,可以在SRAM,可以在内部FLASH。

因为数据可以被Dcode总线,也可以被DMA总线访问,为了避免访问冲突,在取数的时候需要经过一个总线矩阵来仲裁,决定哪个总线在取数。

内部的闪存存储器Flash

内部的闪存存储器即FLASH,编写好的程序就放在这个地方。内核通过ICode总线来取里面的指令。

内部的SRAM

内部的SRAM,是通常所说的内存,程序中的变量、堆栈等的开销都是基于内部SRAM,内核通过DCode总线来访问它。

FSMC

FSMC的英文全称是Flexible static memory controller(灵活的静态的存储器控制器)。通过FSMC可以扩展内存,如外部的SRAM、NAND-FLASH和NORFLASH。但FSMC只能扩展静态的内存,不能是动态的内存,比如就不能用来扩展SDRAM。

AHB

从AHB总线延伸出来的两条APB2和APB1总线是最常见的总线,GPIO、串口、I2C、SPI 这些外设就挂载在这两条总线上。这个是学习STM32的重点,要学会对这些外设编程,去驱动外部的各种设备。

本文转载自:STM32嵌入式开发
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围观 241

自从上世纪七十年代 MCU 诞生以来,芯片的破解技术与防止芯片被破解方案就在不断在上演着“道高一尺,魔高一丈”,一山更比一山高的追逐。本文将单片机在安全保护方面的发展历程与大家分享。并在文章的最后,总结了现阶段安全级别最高的智能卡芯片的优点及其缺点。

一、单板机时代

上世纪 70 年代初期,嵌入式系统是由分离部件如:CPU、ROM、RAM、I/O 缓存、串口和其他通信与控制接口组成的控制板。这一时期除法律外,几乎没有保护措施来防止侵入者复制单板机上 ROM 区的数据。

二、单片机时代

随着大规模集成电路技术的发展,中央处理单元(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)及其他 I/O 通信口都集成在一块单片机芯片上了,微控制器 MCU 取代了单板机。如图:

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这一时期,内部存储器 EEPROM 和 MCU 是分开封在同一封装内部。侵入者可用微探针来获取数据。

三、安全熔断丝(Security Fuse)

随着入侵者的增加,MCU 为了自身的安全,后来增加了安全熔断丝(Security Fuse)来禁止访问数据。如图:

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优点:很容易做到,不需要完全重新设计 MCU 构架,仅用熔断丝来控制数据的访问。

缺点:熔断丝容易被定位、攻击。例如:熔丝的状态可以通过直接把位输出连到电源或地线上来进行修改。有些仅用激光或聚焦离子束来切断熔丝的感应电路就可以了。用非侵入式攻击也一样成功,因为一个分离的熔丝版图异于正常存储阵列,可以用组合外部信号来使位处与不能被正确读出的状态,那样就可以访问存在内部芯片上信息了。用半侵入式攻击可以使破解者快速取得成功,但需要打开芯片的封装来接近晶粒。一个众所周知方法就是用紫外线擦掉安全熔断丝。

四、安全熔丝变成存储器阵列的一部分

再后来 MCU 制造商将安全熔丝做成存储器阵列的一部分,如图:

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一般的熔丝与主存储器离得很近,或干脆共享些控制线,与主存储器用相同的工艺来制造,熔断丝很难被定位。非入侵试攻击仍然可以用,可以用组合外部信号来使熔断位处于不被正确读出的状态。同样,半侵入式攻击也可用。当然破解者需要更多的时间去寻找安全熔丝或控制电路负责安全监视的部分,但这些可以自动完成。进行侵入式攻击将是很困难需要手工操作,那将花费更多的成本来破解。

五、用主存储器的一部分来控制外部对数据访问

利用上电时锁定特定区域地址的信息,将它作为安全熔丝。或用密码来控制对存储器访问。例如德州仪器的 MSP430F112 只有输入正确的 32 字节密码后才能进行回读操作。如果没输入,只有擦字节密码后才能进行回读操作。尽管这个保护方法看上去比先前的更有效,但它有一些缺点可以用低成本的非侵入式攻击,如时序分析和功耗来破解。如果安全熔丝状态是上电或复位后存储器的一部分,这就给破解者用电源噪声来破解的机会,强制路进入存储中错误状态。

六、使用顶层金属网络

使用顶层金属网络设计,提升入侵难度。所有的网格都用来监控短路和开路,一旦触发,会导致存储器复位或清零。如图:

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普通的 MCU 不会使用这种保护方法,因为设计较难,且在异常运行条件下也会触发,如:高强度电磁场噪声,低温或高温,异常的时钟信号或供电不良。故有些普通的 MCU 使用更廉价的伪顶层金属网格,会被非常高效的光学分析进行微探测而被攻击。另外,这些网格不能防范非侵入式攻击。同样不能有效防范半侵入式攻击,因为导线之间有电容,并且光线可以通过导线抵达电路的有效区域。在智能卡中,电源和地之间也铺了一些这样的网格线。部分可编程的智能卡走的更远,干脆砍掉了标准的编程接口,甚至干掉了读取EEPROM 接口,取而代之的是启动模块,可以在代码装入后擦掉或者屏蔽自己,之后只能响应使用者的嵌入软件所支持的功能。有效的防范了非侵入式攻击。

七、智能卡芯片安全设计

近些年,一些智能卡使用存储器总线加密(Bus Encryption)技术来防止探测攻击。如图:

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数据以密文方式存储在存储器中。即使入侵者获得数据总线的数据,也不可能知道密钥或者别的敏感信息(如数据还原方法)。这种保护措施有效的防范了侵入式和半侵入式攻击。有些智能卡甚至能够做到每张卡片总线加密密钥不同,这样即使入侵者完全破解了,也无法生产出相同功能的芯片来,因为每个智能卡芯片有唯一的 ID 号,无法买到相同 ID 号的智能卡。另外值得一提的是,有些智能卡将标准的模块结构如解码器,寄存器文件,ALU 和 I/O 电路用类似 ASIC 逻辑来设计。这些设计成为混合逻辑(Gle Logic)设计。混合逻辑使得实际上不可能通过手工寻找信号或节点来获得卡的信息进行物理攻击。大大提高了 CPU 内核的性能和安全性。混合逻辑设计几乎不可能知道总线的物理位置,有效的防范了反向工程和微探测攻击。

智能卡芯片加密方案优缺点

对于开发者来讲,选择更为安全设计的微控制器或可以得到更好的保护。与大多数微控制器相比,即使是十年前设计的智能卡也能提供更好的保护。现代的智能卡提供了更多的防攻击保护,内部电压传感器保护免受电源噪声攻击(Power Glitch attacks)、过压和欠压保护。时钟频率传感器防止受到静态分析(Static analysis)的降低时钟频率攻击。同时也可以防止时钟噪声(Clock glitch attacks)进行提高时钟频率的攻击。顶层金属网格和内部总线硬件加密使可以防止微探测攻击。但是与微控制器相比,智能卡芯片也有劣势,如:芯片价格昂贵,小批量的很难买到货。开发工具昂贵,需要和制造商签署保密协议,即使是说明书也要这样。很多制造商仅向特定客户销售大批量的智能卡。另一个不足是 I/O 的功能受限,普通智能卡芯片通常只有ISO7816 接口,极少有单独的 I/O 口。这使得多数应用中不能取代微控制器,而只能用于安全要求非常高的行业,如:付费机顶盒,银行卡,SIM 卡,二代身份证,高端加密芯片等领域。智能卡芯片在加密芯片领域的应用,将是个不错的方向。因为智能卡芯片安全等级高,IO 资源少。而普通 MCU 的硬件资源非常丰富,安全程度却不高,可以将 MCU 中一些关键算法及运行参数,以特殊形式存放在智能卡芯片中,从而实现高安全强度的强大功能。

后记

坚持不懈的尝试突破保护机制的破解团体和不断引入新的安全防范方案的制造商之间的斗争是没有尽头的。“道高一尺,魔高一丈”,又或是“邪不压正”,将不停的在两派之间上演!

来源:IoVSecurity(作者: 武者)
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