河?xùn)|低功耗MCU制造
發(fā)布時(shí)間：2023-05-11 01:54:48
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芯片介紹 RJGT102是一顆自帶SHA256加密算法的芯片，其存儲(chǔ)容量為176Byte，包含指令寄存器、源地址寄存器、目的地址寄存器等，該芯片根據(jù)指令寄存器的值進(jìn)行譯碼，進(jìn)行SHA-256運(yùn)算和搬移等操作，完成認(rèn)證加密工作。 芯片具有一次可編程單元、對(duì)應(yīng)的用戶ID，并且內(nèi)部設(shè)有POR電路和LDO模塊，可提供可配置的看門(mén)狗定時(shí)器和對(duì)外復(fù)位功能，與MCU可通過(guò)IIC串行接口通信，支持低功耗模式。 該芯片存儲(chǔ)主要分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、密鑰存儲(chǔ)區(qū)和控制存儲(chǔ)區(qū)等三個(gè)區(qū)域，數(shù)據(jù)區(qū)中的一個(gè)PAGE數(shù)據(jù)和密鑰區(qū)的數(shù)據(jù)將會(huì)參與到SHA256的加密算法。 SHA-256加密模式輸入包括8Byte的密鑰，32Byte的PAGE數(shù)據(jù)（任意一個(gè)PAGE區(qū)），8Byte的UID，8Byte的隨機(jī)數(shù)，8Byte的關(guān)鍵常數(shù)（芯片內(nèi)部固化了）。輸出32Byte的報(bào)文摘要（MAC）。由于SHA-256具有不可以從消息摘要中復(fù)原信息、兩個(gè)不同的消息不會(huì)產(chǎn)生同樣的消息摘要、修改消息中的一個(gè)比特即會(huì)引起雪崩效應(yīng)等特點(diǎn)，因此SHA-256電路能以很高的安全性提供認(rèn)證功能。
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按鈕或鍵盤(pán)應(yīng)用可以證明外部中斷的優(yōu)勢(shì)。如果不具備中斷功能，MCU必須頻繁輪詢鍵盤(pán)或按鈕，以確定其是否被按下。不僅輪詢自身會(huì)消耗功率，而且控制輪詢間隔也需要定時(shí)器，其會(huì)消耗附加電流。相比而言，在具備中斷情況下，CPU 可以在整個(gè)過(guò)程中保持睡眠狀態(tài)，只有按下按鈕時(shí)才激活。 在選擇低功率 MCU時(shí)，還需要考慮外設(shè)功耗與電源管理。某些低功率 MCU僅僅是設(shè)計(jì)時(shí)不具備低利率功能的舊架構(gòu)的改進(jìn)版本。而有些 MCU在設(shè)計(jì)時(shí)即具備低功耗特性，并在其外設(shè)中內(nèi)置了低功耗功能。一種特性是在需要時(shí)單獨(dú)啟動(dòng)或關(guān)閉外設(shè)的能力，換言之，更重要的是自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉外設(shè)的能力。A/D 轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)例子，其在完成一次轉(zhuǎn)換后可以自動(dòng)關(guān)閉。另外，某些 MCU 正在引入直接存儲(chǔ)器存取功能，其可以在無(wú)需 CPU 干預(yù)情況下自動(dòng)處理數(shù)據(jù)。 最后，我們常常會(huì)誤解 mcu 處理效率。大家通常會(huì)認(rèn)為 16 位 MCU需要兩倍于 8 位 MCU的內(nèi)存，但是一個(gè) 16 位架構(gòu)實(shí)際上需要比 8 位架構(gòu)要少一些的代碼，而 16 位 MCU 一般會(huì)更快速地執(zhí)行任務(wù)。例如，8 位 MCU 需要 CPU 開(kāi)銷(xiāo)來(lái)管理具有 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或需要 16 位計(jì)算的應(yīng)用中的數(shù)據(jù)。而且當(dāng)今許多MCU 產(chǎn)品都具有單個(gè)工作文件或累加器，其數(shù)據(jù)必須進(jìn)行傳輸，以便處理，因此，與基于寄存器的架構(gòu)相比需要額外的 CPU 開(kāi)銷(xiāo)。表 1 說(shuō)明在 16 位現(xiàn)代架構(gòu)與8 位 8051 架構(gòu)上傳輸 10 位 A/D 數(shù)據(jù)的指令。在采用 1Mhz 時(shí)鐘情況下，16 位器件需要 6us 進(jìn)行傳輸，而 8 位器件則需要 24us。 選擇低功率 MCU是一項(xiàng)耗時(shí)、棘手的工作。如果花費(fèi)一些時(shí)間來(lái)了解可用產(chǎn)品選項(xiàng)的架構(gòu)特性，我們就能夠開(kāi)發(fā)出能滿足最苛刻功率預(yù)算的設(shè)計(jì)。
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一系列國(guó)密算法中每個(gè)算法都有其獨(dú)特的用途，有些用于大量數(shù)據(jù)的加解密，有些用于身份的認(rèn)證，有些用于防止數(shù)據(jù)被篡改。這些算法的安全性經(jīng)過(guò)大量的論證，并基于現(xiàn)代密碼學(xué)的原理，逐步公開(kāi)算法的具體實(shí)現(xiàn)，任何單位和個(gè)人都可以使用國(guó)密算法來(lái)保護(hù)自己的信息安全，其中應(yīng)用多廣的是SM2、SM3、SM4算法。 SM2算法是一種基于橢圓曲線的非對(duì)稱密碼算法，即使用私鑰加密后的密文只能用對(duì)應(yīng)公鑰進(jìn)行解密，反之使用公鑰加密的密文也只能用對(duì)應(yīng)的私鑰進(jìn)行解密。通過(guò)對(duì)私鑰進(jìn)行橢圓曲線運(yùn)算可以生成公鑰，而由于橢圓曲線的特點(diǎn)，知道公鑰卻很難反推出私鑰，這就決定了SM2算法的安全性。SM2算法常見(jiàn)的應(yīng)用是進(jìn)行身份認(rèn)證，也就是我們熟知的數(shù)字簽名與驗(yàn)簽，通過(guò)私鑰的私密性來(lái)實(shí)現(xiàn)身份的性和合法性。
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RJM8L151有4個(gè)時(shí)鐘源：內(nèi)部高速時(shí)鐘、內(nèi)部低速時(shí)鐘、外部高速時(shí)鐘和外部低速時(shí)鐘。RJM8L151的時(shí)鐘控制模塊將這幾個(gè)時(shí)鐘源通過(guò)靈活的配置分頻實(shí)現(xiàn)不同的功耗和性能需求。輔助系統(tǒng)時(shí)鐘可以使用內(nèi)部低速時(shí)鐘或外部低速時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)低功耗的要求，主系統(tǒng)時(shí)鐘提供給RJM8L151的CPU，子系統(tǒng)時(shí)鐘為外設(shè)提供給時(shí)鐘源。多樣的時(shí)鐘資源可以降低系統(tǒng)消耗，輔助系統(tǒng)時(shí)鐘在保持低功耗的同時(shí)也可以接受外部中斷，響應(yīng)外部環(huán)境的變化。使用內(nèi)部高速RC振蕩器作為主系統(tǒng)時(shí)鐘，不僅可以省去一個(gè)外部的高速晶振，同時(shí)可以快速喚醒MCU來(lái)降低功耗。 模擬電路方面，RJM8L151有7通道12位逐次逼近型ADC，采樣轉(zhuǎn)換速率高達(dá)1MSPS，支持外部參考電壓輸入。 RJM8L151設(shè)計(jì)了豐富的定時(shí)模塊，包括2個(gè)16位基本定時(shí)器，1個(gè)16位通用定時(shí)器支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能。2個(gè)16位高級(jí)定時(shí)器除了支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能，還支持12對(duì)互補(bǔ)PWM輸出。1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC模塊，產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒，并有自動(dòng)閏年補(bǔ)償功能，采用外部32.768kHz晶振提供時(shí)鐘可使計(jì)時(shí)誤差更小。RJM8L151內(nèi)嵌15位窗口看門(mén)狗定時(shí)器，采用系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，溢出時(shí)可產(chǎn)生中斷或復(fù)位信號(hào)，待機(jī)模式下停止計(jì)數(shù)。
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TM8L151/152、051、052系列MCU是意法半導(dǎo)體（簡(jiǎn)稱ST）2010年推出的8位超低功耗系列微控制器。該系列MCU經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)推廣，已滲透到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，深受廣大工程師和用戶的喜愛(ài)。其在便攜式消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品上的年需求量已超5000萬(wàn)顆，并以20%以上的年增長(zhǎng)率不斷增長(zhǎng)。然而ST的工廠產(chǎn)能有限，幾年擴(kuò)充的MCU產(chǎn)能主要針對(duì)STM32系列，面對(duì)客戶端對(duì)STM8L不斷增長(zhǎng)的旺盛需求，ST給出的解決方案是升級(jí)采用高成本的32位MCU方案！更改方案既給客戶增加了技術(shù)升級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)，又額外增加了研發(fā)成本和BOM成本。同時(shí)STM8L系列交期越拉越長(zhǎng)，從過(guò)去三年一遇的缺貨周期演變成現(xiàn)在的年年缺貨。尤其是新冠肺炎（COVID-19）在ST的大本營(yíng)意大利和法國(guó)爆發(fā)后，導(dǎo)致工廠大面積停工停產(chǎn)。再加日本、馬來(lái)西亞等地區(qū)疫情的蔓延，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料和晶圓供應(yīng)也受到嚴(yán)重影響，ST全線產(chǎn)品的交期至少12周以上。