基于SoC芯片HKS6713的弹载计算机设计

摘要 ：弹载计算机是导弹控制的核心部件。为满足弹载计算机对重量、功耗和可靠性等方面的要求，提出了一种采用SoC芯片HKS6713作为处理器的弹载计算机设计方法。从硬件设计和软件设计两方面进行了说明，并对研制过程中程序分区设计、A/D采集结果修正和隔离保护等关键技术进行了阐述。该计算机具有体积小、功耗低、功能丰富和应用简便等特点，对同类弹载计算机设计具有一定参考价值。文中设计的弹载计算机已经经过各种试验，并在系统中进行了全面测试，达到了系统要求的性能，证明此设计切实可行。

0引言

SoC（System on Chip）是以嵌入式系统为核心，追求产品系统最大包容的集成芯片。SoC固有的单芯片特征可极大提高系统性能，降低系统成本、功耗以及重量和尺寸，随着电子技术的发展，SoC芯片被广泛应用在嵌入式计算机的设计之中。

弹载计算机［1，2］是导弹的核心部件，决定着导弹攻击任务的成败。系统要求某型弹载计算机具备与火控系统配合完成发射流程控制、采集惯性组合及舵机和导引头等部件信息进行制导律计算和对舵机系统进行闭环控制等功能。对外交联接口类型包括GJB289A总线、RS422总线、离散量输入输出和模拟量输入输出等。针对对外交联接口种类多、模拟量采集精度要求高和强实时性等特点，本文介绍了一种以国产SoC芯片HKS6713为处理核心的弹载计算机设计方法，并对设计中的关键技术解决方法进行了重点阐述。

1系统架构

弹载计算机由硬件和软件两部分组成。其中硬件包括处理器模块、离散量模块、模拟量模块和电源模块等4部分。处理器模块用于实现控制律计算、RS422异步串行接口通信、GJB289A总线接口通信等功能，采用SoC芯片+CPLD设计；离散量模块用于实现战斗部类型识别信号、开舱信号和供电指令等信号的采集；模拟量模块用于实现A/D转换及数据锁存、D/A转换等功能；电源模块为任务计算机其他模块和外部舵机伺服供电。软件包括初始化、模拟量输入采集和输出控制、离散量输入采集和输出控制、GJB289A总线收发控制和RS422总线收发控制等。弹载计算机系统架构组成见图1。

2硬件设计

2.1处理器模块设计

处理器模块用于进行制导律计算，实现GJB289A总线和RS422异步串行总线等功能，包括SoC芯片HKS6713处理器及其外围电路、电源转换电路、复位电路、存储器电路、RS232和RS422异步串行接口电路、GJB289A总线接口电路和板间互连总线接口等。

HKS6713是集成了DSP内核［3］、GJB289A协议处理器、429总线控制器、CAN总线控制器、多路UART控制图1弹载计算机系统架构

器、64 KB双口存储器、多路中断控制、舵机计数器、加速度计数器、里程计数器、开关量输入输出和ADC采集等功能的大规模SoC芯片，封装形式为CBGA601，工作温度为-55℃~+125℃。处理器模块使用了HKS6713芯片的DSP内核、GJB289A协议处理器、双口RAM以及多路UART控制器等功能。HKS6713的内核与TI公司TMS320C6713兼容，包含程序存储器、数据存储器、直接存储器访问（DMA）、POWER-DOWN逻辑、外部的图2HKS6713功能结构图存储器接口（EMIF）、MCBSP、MCASP、主机接口、GPIO和TIMER等功能，系统输入时钟频率为40 MHz，在C6713的内部,经倍频后工作时钟最高频率为200 MHz。片内带有256 KB存储器，可作为程序和数据存储器使用，其中64 KB可作为高速CACHE使用，这种结构使得用户程序和数据的容量小于256 KB时，处理器无须频繁访问外部存储器，能够提高系统处理速度。HKS6713功能结构图见图2。

设计中，为SoC芯片配置了外部的Flash和SDRAM存储器，SoC芯片DSP内核与外部存储器通过EMIF总线直接连接， EMIF总线直接支持非同步存储器、SBSRAM和SDRAM等存储器类型无需外部专用控制器，通过配置EMIF寄存器即可实现对这些存储器的支持。DSP内核有多个外部存储器空间［4］，每个空间均可独立配置，可支持不同类型存储器，并可通过寄存器设置读写信号的建立、选通、保持时间，以适应各种速度的存储器。本设计中为SoC芯片配置了16 MB Flash芯片作为非易失存储器，用以存储程序及下电后需要保留的数据信息，SoC芯片外部地址空间最多只能直接访问2 MB，因此采用GPIO信号作为Flash芯片的高位地址线，将Flash空间划分为8个页面，程序区与数据区存放在不同页面以提高存储安全性。考虑到DSP内核内部RAM空间较小（256 KB），有一部分还有可能需要划分为CACHE使用，为SoC芯片配置了16 MB SDRAM。

处理器模块使用SoC芯片HKS6713大大简化了电路的设计，仅需在HKS6713芯片外围增加相应的收发器、变压器等芯片，即可完成GJB289A总线、RS422总线接口的设计；通过EMIF总线与SDRAM存储器、Flash存储器完成数据交互功能。

2.2离散量模块设计

离散量模块包括离散量输入和离散量输出两部分，选用CPLD芯片作为模块的控制器，负责与处理器模块间的互联控制，读取输入离散量的状态，确定输出离散量的状态。

为了防止与其他交联设备接口之间相互影响［5］，弹载计算机对离散量输入输出电路、RS422串口电路采取了隔离保护设计。离散量输入输出电路的信号属于28 V电源系统，采用光耦隔离；RS422总线收发节点间对共模电压有限制要求，需要进行共地处理，设计时采用五线制，使用隔离型DC/DC电源转换芯片输出为总线电平转换器供电，总线电平转换器与RS422总线上的其他节点共地，总线收发器与协议控制之间使用光耦进行隔离，隔离总线通路对外部的干扰。RS422串口保护电路设计见图3。

2.3模拟量模块设计

模拟量模块在处理器模块控制下，采集来自舵机系统和压力传感器等的模拟量信号，输出模拟量控制舵机舵面［6］。本设计中选用的A/D转换器使用简单、可靠性高，但存在满量程误差较大（典型值±0.38%）的缺点。为了提高A/D转换精度，确保系统性能，采用软件方法对A/D转换结果进行修正。

A/D转换芯片输入与输出的理想状态转换斜率为1，如图4实线所示，但由于增益误差和偏移误差的客观存在，输入输出实际转换斜率与1存在偏差，如图4中虚线所示。图4中斜率k可通过实际测量的A/D转换结果计算获得，如式（1）：

k=(y1-y2)/20（1）

图4A/D转换结果修正原理示意调整后的结果由式（2）计算得到：

Ua=(Uts/k)-y0（2）

其中Ua为调整后的结果，Uts为实际测量的A/D转换结果，k为A/D转换结果斜率，y0为输入为0时的误差，即转换偏移。

因A/D芯片中各转换通路相互独立，因此转换斜率k值不相同，设计中将每一路的k值计算出后保存到Flash存储器中的指定位置，采集模拟量时由软件调用该路对应的转换斜率和偏移误差y0，得到修正后的A/D转换结果。经实测，修正后A/D采集误差范围由-50 mV~+50 mV缩小到-10 mV~+10 mV，精度得到大幅提高，满足系统设计要求。

3软件设计

弹载计算机的软件用于实现对系统的控制和自身的测试等功能［7］。包括采集载机火控系统、惯性组件、舵机和导引头的信息，进行制导率结算，发出控制信息，完成对导弹飞行姿态的控制等。设计中针对应用程序代码量大的特点，将应用程序代码分为两类：一类是非时间关键代码，如地面测试、流程控制等函数代码，上电后搬移至SDRAM存储器中执行；另一类是时间关键代码，如飞行控制周期任务等函数，上电后搬移至内部SRAM存储器中执行。解决了代码全部搬至内部SRAM存储器中空间不足的问题和全搬至外部SDRAM存储器中速度不满足控制周期要求的问题。

4总结

本文介绍了一种采用SoC芯片HKS6713作为处理器的弹载计算机，发挥了国产SoC芯片HKS6713功耗低、接口丰富和可靠性高的优点，满足了弹载计算机在性能、体积和处理性能等方面的要求，简化了系统设计难度。根据该设计方案生产的弹载计算机已经随系统进行了各种试验，试验证明，弹载计算机能够有效完成弹上采集、控制的计算任务。目前，弹载控制系统应用广泛，文中设计的弹载计算机具有很高的通用性，能够以很低的成本移植到其他类似的弹载控制系统中。

参考文献

［1］ 李方慧，王飞，何佩琨. TMS320C6000系列DSP原理与应用［M］. 北京：电子工业出版社，2005.

［2］ 梁晓庚,王伯荣,余志峰,等.空空导弹制导与控制系统设计［M］.北京:国防工业出版社,2006.

［3］ 左清清，梁争争，范秀峰. 低成本火箭弹弹载计算机的设计［J］. 电子技术，2015，44（1）：5759.

［4］ 许少尉，刘硕，景德胜. 基于TMS320C6713B的远程软件加载设计与实现［J］. 航空计算技术，2013，43（4）：122123.

［5］ 谭志宏，景德胜，缑丽敏. 基于DSP的高速AD采集系统设计与实现［J］. 电子技术，2014，42（4）：4144.

［6］ 于剑超,于相斌,李清亮,等.基于嵌入式计算机的大气数据计算机检查仪的设计［J］.微型机与应用,2014,33(17):9294.

［7］ 林盈盈,高红,张明珊,等.嵌入式二维码数据无线多点传输系统设计［J］.微型机与应用,2014,33(21):4850,53.

中国台湾的芯片制造，究竟什么水平？

最近世界各国都在加强本土化的制造能力，因此掀起了社会对于芯片制造“去台化”的争辩。究竟是怎样的制造能力，才能让世界各国引以忌惮。

根据TendForce的调查，2021年中国中国台湾半导体市值在全球排名第二，晶圆代工以64%的市占率高居全球第一；2022年中国台湾12英寸的约当产能大约占据全球晶圆代工的48%。

那么中国台湾到底有哪些半导体制造企业呢？我们统计了中国台湾主要的11家半导体制造企业，如下图所示，其中台积电、联电、力积电、世界先进、稳懋、茂硅及元隆等7家企业是专业晶圆代工企业，升阳半导体是非典型专业代工厂，其余4家是兼做晶圆代工生意。据我们的不完全统计，整个中国台湾的半导体晶圆厂的产能高达210万片多，而且还在不断扩产中，足见中国台湾半导体产业的重要性。

台积电（TSMC）

台积电目前在中国台湾拥有四座12英寸超大晶圆厂、四座8英寸晶圆厂和一座6英寸晶圆厂，还有一座台积电（南京）有限公司的12英寸晶圆厂，同时，还有2家100%持股的WaferTech美国子公司、台积电（中国）有限公司的8英寸晶圆厂产能支援。2021年，台积电及其子公司所拥有及管理的年产能超过1,300万片十二英寸晶圆约当量。

联电（UMC）

联电在亚洲拥有12家晶圆厂。其中包括4家12英寸晶圆厂，分别是Fab 12A、Fab 12i、Fab 12X、Fab 12M；7家8英寸晶圆厂，Fab 8A、Fab 8C、Fab 8D、Fab 8E、Fab 8F、Fab 8S、Fab 8N；1座6英寸晶圆厂，子公司联颖光电（Wavetek）六英寸砷化镓晶圆厂。

12英寸晶圆厂的分布情况为：位于中国台湾台南Fab 12A目前正在生产0.13μm- 14nm的产品，月产能为87,000片。Fab 12i位于新加坡，该工厂是公司的专业技术中心，生产工艺在0.13μm-40nm，月产能45,000片。Fab 12X 位于厦门，是华南地区第一家12英寸晶圆代工厂，于2016年开始量产，主要生产工艺为40nm - 22nm的晶圆，月产能5万片。Fab 12M位于日本，是联电从日本富士通半导体公司收购而来，2019年10月被联电完全收购，生产0.13μm-40nm的产品，月产能33,000片。

8英寸晶圆厂的分布情况：Fab 8A位于中国台湾新竹，生产工艺为0.6μm - 0.18μm，月产能为7万片。Fab 8C的生产工艺为0.35μm-0.11μm，月产能29,000片。Fab 8D主要生产工艺0.18μm - 90nm，月产能32,000片。Fab 8E为0.6μm-0.15μm，月产能35,000片。Fab 8F生产工艺为0.18μm - 0.11μm，月产能32,000片。Fab 8S的生产工艺为0.25μm - 0.11μm，月产能25,000片。Fab 8N是联电旗下子公司苏州和舰的厂区，工艺为0.5μm - 0.11μm，月产能5万片。

联电子公司联颖光电座落于中国台湾新竹科学园区，是一座六英寸砷化镓纯晶圆代工服务公司。提供III-V族及CMOS specialty业界最完整广泛产品组合的6英寸晶圆代工服务，月产能5万片，生产工艺为5μm - 0.25μm。

力积电（PowerChip）

目前拥有2座8英寸及3座12英寸晶圆厂，主要进行先进存储、客制化逻辑IC电路与分离式元件的三大晶圆代工服务。2008年巨晶电子股份有限公司成立，取得母公司力晶科技的8英寸晶圆厂8A，2015年8英寸晶圆厂8AD厂量产。2016年巨晶电子在竹南科学园区建立八英寸晶圆功率元件产线，此为8B厂。2018年巨晶电子更名为力晶积成电子制造股份有限公司(简称力积电)，这一年8B厂量产。

2019年5月，力积电增资收购母公司力晶科技的12英寸晶圆P1、P2、P3厂及相关营业资产。力晶P1厂是当时中国台湾第一座为制造先进存储器而量身打造的十二英寸晶圆厂，于2002年10月进入量产。2003年10月力晶兴建第二座12英寸晶圆厂（P2厂），2006年2月兴建第三座12英寸晶圆厂（P3厂）。

世界先进（VLS)

世界先进于1994年12月5日在新竹科学园区设立。1999 年世界先进在台积电协助下，成功导人逻辑产品代工技术。2000年世界先进正式宣布由DRAM厂转型为晶圆代工公司。2004年7月世界先进正式结束 DRAM 生产制造，成功转型为百分之百的晶圆代工公司。主要代工逻辑、混合信号、高压、超高压、BCD、SOI、eNVM等标准化和定制化制程。

世界先进拥有共五座8英寸晶圆厂，其中四座位于中国台湾、一座位于新加坡，2020年年产能约为290万片8英寸晶圆。2008年世界先进购入华邦电子的8英寸晶圆厂，为世界先进晶圆二厂；2004年世界先进公司购入南亚科技的8英寸晶圆厂房并承接胜普电子之机器设备，为世界先进晶圆三厂；2020年世界先进公司购入格芯公司新加坡Fab 3E8英寸晶圆厂，为世界先进新加坡晶圆厂；2022年世界先进购入友达光电L3B厂厂房及厂务设施，为世界先进晶圆五厂。

稳懋半导体（WIN）

稳懋半导体成立于1999年，位于林口华亚科技园区，是全球首座以6英寸晶圆生产砷化镓微波集成电路（GaAs MMIC）的专业晶圆代工服务公司。1999年12月，稳懋的晶圆A厂建厂开始，2000年成功的产出全球第一片6英寸的0.15微米pHEMT MMIC 晶圆。2007年4月，稳懋购置晶圆B厂土地及厂房，2008年4月，晶圆B厂正式量产启用。2015年4月，晶圆C厂正式量产启用。2018年稳懋的年产能已超过三十四万片以上。

茂硅（MOSEL VITELIC Inc.）

中国台湾茂硅电子成立于1987年1月8日，早期为DRAM制造厂商，于2003年退出DRAM市场，转型为专业的晶圆代工公司，其晶圆代工服务主要聚焦在功率半导体元件及电源管理IC领域。根据茂硅2021年财报，其2021年的晶圆制造营收约为6713万美元，在全球半导体的市占率为万分之一，在中国台湾晶圆代工的市占率则约为万分之十。其晶圆厂位于中国台湾新竹，6英寸晶圆厂月产能约5.1万片，2021年代工厂的总产能为62.4万片，硅晶圆出货总量达14,165百万平方英寸。

图源：中国台湾茂硅电子

元隆（AMPI）

元隆成立于1987年，主要是以6英寸晶圆制程技术生产分离式功率半导体元件，产品包括功率晶体管、二极管、高压CMOS等。晶圆厂位于新竹市科学园区，目前晶圆月产能65000片。2021年元隆的营收为16亿新台币。

升阳半导体（PSI）

升阳国际半导体成立于1997年，以晶圆再生起家，进而发展晶圆薄化部及晶圆整合部。目前是全球最大晶圆薄化代工厂，提供6英寸、8英寸及12英寸晶圆再生和12英寸测试用薄晶圆。升阳半导体也是中国台湾最大晶圆再生代工厂，有九成以上的产能提供给台积电、联电、力积电等大厂。

据升阳半导体的介绍，晶圆再生技术是指采用专业的剥膜制程，可快速且不影响芯片特性的前提下，处理IC Fab制程的各式薄膜，如光阻膜、氧化膜、金属膜等；且有效运用抛光技术来确保客户来料硅晶圆的最小移除率和电物性要求；且以清洗方式达到最佳洁净度，可大幅提高客户回货率及增加档控片之使用次数。

旺宏电子（MXIC）

旺宏电子的主营业务主要为集成电路、存储器芯片之设计、制造、销售及晶圆代工服务，晶圆代工只占公司很小的比重，晶圆代工服务主要包括次微米逻辑制程/高压CMOS及BCD制程，嵌入式非挥发性存储器的BCD及逻辑制程，2021年其晶圆代工占公司营收的6.92%。公司的主要产品是Nor Flash，是全球少数能够提供从512Kbit 至2Gbit完整NOR Flash系列产品的公司。目前拥有 1 座 12 英寸(晶圆五厂)、1 座 8 英寸(晶圆二厂)。

旺宏电子晶圆代工服务

（图源：旺宏电子）

汉磊科技（Episil）

汉磊科技于1985年设立于新竹科学园区，为全球第一家Linear Bipolar IC专业代工厂，也是全球第一家俱备化合物半导体氮化镓 (GaN) 及碳化硅 (SiC )专业代工厂，主要提供6英寸晶圆代工。目前拥有1座 4/5英寸及 2座 6英寸晶圆厂，4英寸的月产能为2000 pcs、5英寸的月产能为10,000 pcs，6英寸的月产能分别为17,000pcs和33,000pcs。2021年汉磊科技的营收为26.74亿新台币。

新唐科技（Nuvoton）

新唐科技于2008年从存储器大厂华邦电子中分立出来，新唐是以自有逻辑 IC 产品制造、销售为主，晶圆代工服务为辅的公司。新唐以 6 英寸晶圆厂提供晶圆代工服务，晶圆代工源自于华邦电子六英寸晶圆厂，座落中国台湾新竹科学园区内，月产能为45,000片。新唐晶圆代工厂目前提供0.35um以上制程，包括一般逻辑、混合信号、高压、超高压、电源管理、Mask ROM (Flat Cell)、嵌入式存储器与客制化制程(如: IGBT, MOSFET, TVS, Sensor)等。

写在最后

半导体产业是一个绵密且复杂的产业，如今半导体行业全球化分工的供应链不是一朝一夕可成，是经过市场机制考验过后的结果。中国台湾半导体产业能有今天，是各公司自己的拼打。全球半导体离不开中国中国台湾的芯片制造，更离不开中国广阔的半导体市场。

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