一种商业卫星控制处理器芯片的设计方法
阅读说明：本技术 一种商业卫星控制处理器芯片的设计方法 (Design method of commercial satellite control processor chip ) 是由 朱寅东 刘凯俊 王新元 沈朱泉 高梦淇 于 2021-02-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种商业卫星控制处理器芯片的设计方法,包括确认处理器芯片的规格,如处理能力,对外接口及可编程逻辑的输入输出需求；对芯片的功能管脚进行统计,包含功能名称、电气特性等；对芯片的供电种类进行统计,并依据各类供电的供电电流预估管脚的数量；根据芯片功能管脚、电源管脚和回线管脚的数量,绘制PINMAP完成对芯片布线的初步设计。本发明具有部分管脚逻辑可配置功能,适用性很强。(The invention provides a design method of a commercial satellite control processor chip, which comprises the steps of confirming the specification of the processor chip, such as processing capacity, input and output requirements of an external interface and programmable logic; counting functional pins of the chip, wherein the functional pins comprise functional names, electrical characteristics and the like; counting the power supply types of the chip, and estimating the number of pins according to the power supply current of various types of power supplies; and drawing the PINMAP to finish the initial design of the chip wiring according to the number of the functional pins, the power supply pins and the return pins of the chip. The invention has the function of partial pin logic configuration and strong applicability.)
技术领域
本发明涉及芯片设计领域，具体地，涉及一种卫星控制处理器芯片的设计方法。
背景技术
与传统重达数吨级的卫星相比，商业卫星具有体积小，重量轻，发射成本低的特点。近几年，伴随着人们对导航增强、星地通信、灾害监测等领域需求的不断增长，商业卫星的发射任务呈现了井喷式增长的特点。
控制计算机是商业卫星的控制中枢，是保障发射成功和在轨完成任务非常重要的星上产品。
它一般由应答机、处理器板(主备冗余配置)、信号调理板、GPS接收模块、载荷数据接收与处理模块等模块组成。其中控制处理器芯片是处理器板的核心元器件，它具有处理能力强，对外接口多，设计较复杂，对可靠性要求高的特点。
目前控制处理器芯片大多由国外元器件厂商垄断，少部分由国内院所进行ASIC定制。这两类芯片都有各自的缺点。国外元器件厂商生产的处理器芯片是面向通用工业控制领域或者消费电子领域设计和生产，不是面向国内航天电子产品的最优设计；而由国内院所定制的ASIC器件仅适合某系列的航天器产品使用，平摊后开发成本太高，且没有可编程逻辑输入输出管脚，需要再与FPGA或CPLD产品进行配合使用，成本无法得到进一步的削减。以上两种模式都不是商业卫星控制处理器芯片的最优选择。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种商业卫星控制处理器芯片的设计方法。
根据本发明提供的一种商业卫星控制处理器芯片的设计方法，包括如下步骤：
规格确认步骤：确认处理器芯片的规格；
管脚统计步骤：对处理器芯片的功能管脚进行统计；
供电种类统计步骤：对处理器芯片的供电种类进行统计，并依据各类供电的供电电流预估管脚的数量；
布线设计步骤：根据芯片功能管脚、电源管脚和回线管脚的数量，绘制PINMAP完成对芯片布线的初步设计。
优选地，所述处理器芯片的规格包括处理能力、对外接口以及可编程逻辑的输入输出需求。
优选地，所述功能管脚包括包含功能名称、电气特性、可复用性。
优选地，芯片处理器的处理能力为150～300MIPS，内置ECC功能的RAM 256KB，包含对外的MRAM接口。
优选地，对外接口包括应答机测控通信接口、姿轨控产品控制接口、数据保护模块通信接口、驱动控制模块通信接口及电源控制单元通信接口。
优选地，姿轨控产品包括微惯组、纳型星敏、飞轮及磁强计。
优选地，对外接口包括载荷数据接收接口以及数传数据发送接口。
优选地，对外接口包括模拟量采集接口及模数转换芯片通信接口，其中模拟量采集接口的功能为对模拟量进行直接模数转换；与模数转换芯片通信的接口为I2C接口，模数转换芯片对商业卫星的模拟量进行采集后，由控制处理器使用I2C接口与模数转换芯片进行通信。
优选地，电气特性包括了FLASH通信接口、异步422串行接口、同步422串行接口、JTAG加载接口、CAN通信接口、模数转换接口、I2C通信接口、LVDS通信接口、可编程逻辑接口。
优选地，芯片处理器包括不同规格的输入电源规格，用于芯片内核的供电及与外设通信的供电。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明具有部分管脚逻辑可配置功能，无需额外配置FPGA或者CPLD与其配合完成对整星测控数据，控制数据的管理。
2、本发明适用性很强，芯片的指令处理能力为150Mbps或以上,满足大多数的商业卫星任务对处理器的要求，且由于商业卫星控制处理器的功能比较稳定，因此定型生产后可以满足大量不同任务的商业卫星的使用需求。
3、本发明对该器件的国产化可以不再受到元器件禁用的掣肘，来料渠道稳定；其四，由于研发生产的费用可以被平摊到多用户，因此减少了开发成本，而成本控制是商业卫星的竞争力核心。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为商业卫星控制处理器芯片的设计方法的设计图。
图2为设计处理器芯片的功能管脚名称示意图。
图3为设计处理器芯片的功能管脚设计占比统计图。
图4为设计处理器芯片的芯片功能分区设计框图。
图5为设计处理器芯片的芯片PINMAP设计图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图5所示，根据本发明采用的一种商业卫星控制处理器芯片的设计，其具体实施方法分为如下四步：
步骤一：确认处理器芯片的规格，如处理能力，对外接口及可编程逻辑的输入输出需求。经过对部分商业卫星处理器芯片选型的调研，设计处理器的处理能力为 150～300MIPS，内置ECC功能的RAM256KB，包含对外的MRAM接口(设计为SPI接口)；对外接口囊括目前商业卫星上使用的主流测控、姿轨控、数传及载荷接口；通过JTAG 接口进行软件程序的加载，预留从并加载的模式。
处理器设计了专门用于与航天产品通信的对外接口，主要包括应答机测控通信接口、姿轨控产品控制接口、数据保护模块通信接口、驱动控制模块通信接口及电源控制单元通信接口，以上接口均为异步422串行通信接口，码速率为115200bps；姿轨控产品主要包括微惯组、纳型星敏、飞轮及磁强计。
处理器设计了专门用于与航天产品通信的对外接口，主要包括载荷数据接收接口以及数传数据发送接口，以上接口均使用LVDS接口电路进行通信，码速率为 10Mbps～40Mbps。
处理器设计了专门用于与航天产品通信的对外接口，主要包括模拟量采集接口及模数转换芯片通信接口，其中模拟量采集接口的功能为对模拟量进行直接模数转换；与模数转换芯片通信的接口为I2C接口，模数转换芯片对商业卫星的模拟量进行采集后，由控制处理器使用I2C接口与模数转换芯片进行通信。
处理器可使用内部的资源满足一部分可编程逻辑的输入输出需求，从而实现与不同的逻辑控制电路进行通信，应用于不同的场景。
步骤二：对芯片的功能管脚进行统计，包含功能名称、电气特性、是否可复用等。统计需要完整和详细的描述该功能管脚的特性。电气特性包括了FLASH通信接口、异步 422串行接口、同步422串行接口、JTAG加载接口、CAN通信接口、模数转换接口、I2C 通信接口、LVDS通信接口、可编程逻辑接口(GPIO)等。
芯片的主要功能包括软件加载、模拟量采集、I2C协议通信、与FLASH通信、与数传及载荷的高速数据通信、可编程逻辑输入输出实现及多通道同步及异步串行通信等功能。
功能管脚共设计了305个，详细名称见附图2，设计占比统计见附图3。
步骤三：对芯片的供电种类进行统计，并依据功耗和对地阻抗预估管脚的数量。
芯片的内核需要1V供电；LVDS及GPIO接口需要1.8V供电；422串口、CAN通信、 I2C及GPIO接口需要3.3V供电；芯片的辅助供电使用2.5V。可通过各类供电的供电电流与芯片焊接管脚通流能力的比值预估供电管脚的数量。
通过对实现星载计算机所有功能所需的逻辑资源、可配置GPIO、内置RAM、PLL使用情况的分析，预估VCCINT(1V)电流为1A，VCCAUX(2.5V)电流为0.6A,VCCO1(3.3V)电流为0.2A，VCCO2(1.8V)电流为0.05A。设计使用VCCINT管脚50～60个，VCCAUX管脚 20～30个,VCCO每个BANK 3个。
步骤四：使用表格对所有功能信号的分区和信号位置进行设计，根据芯片功能管脚、电源管脚和回线管脚的数量，完成芯片PINMAP的完整设计。根据芯片功能管脚、电源管脚和回线管脚的数量，绘制26×26(行×列)的PINMAP，其中需根据信号的电气特性进行分区布放，信号管脚、供电管脚与回线管脚毗邻布放，高速信号和低速信号尽量分开。
芯片功能区域设计见附图4，PINMAP见附图5，PINLIST见表1。
表1
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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