Очень многие устройства, построенные на основе микропроцессоров серии 1801 содержат помимо собственно микропроцессора вспомогательные микросхемы той же самой 1801-ой серии. А именно - микросхемы 1801ВП1, и на них всех после обозначения ВП1 следует таинственное трехзначное число. Очень много лет назад мне пришлось работать с машиной ДВК, на центральной плате которой стояло несколько таких разноциферных 1801ВП1 и разобраться подробно с электрической схемой не было никакой возможности - потому что абсолютно не было доступной документации именно на эти микросхемы. При системном программировании на ДВК было большой загадкой как же именно отображается ПЗУ и ОЗУ в верхней области адресов, как определяется начальный адрес пуска процессора, как работает "секретный" пультовый режим и так далее. Нельзя сказать чтобы до сегодняшнего мне совсем уж плохо спалось без полного решения всех этих загадок, но решить их было бы все равно приятно. И вот, спустя почти 25 лет, время пришло - попался в интернете такой любопытный сайт c подробными фотографиями различных микросхем и стало ясно что сегодня черный ящик вполне возможно открыть даже "простому смертному".

Итак, краткое введение - микросхема 1801ВП1 представляет собой так называемым БМК - Базовый Матричный Кристалл. Изготавливается по n-МОП технологии по проектным нормам 3 микрона с одним слоем металла. Сначала изготавливают базовые пластины, которые содержат собственно транзисторы - представляют собой легированные области кремния и отдельный изолированный окислом слой поликремниевых затворов. Затем это все покрывается слоем оксида кремния и базовая пластина готова. В таком виде базовые пластины можно долго хранить или даже передать на другой завод, возможно с менее точным и простым оборудованием для выполнения финальных операций. Все микросхемы 1801ВП1, независимо от номера имеют одинаковую структуру и расположение транзисторов и изготавливаются на одних и теж же базовых пластинах. Различия между микросхемами появляются уже на последнем финишном этапе изготовления - в верхнем слое окисла методом фотолитографии вытравливают окна для доступа к нужным транзисторам и далее еще одной фотолитографией формируют металлический рисунок из алюминия. Вид этого рисунка и определяет электрическую схему. Понятно что эти рисунки пронумерованы и номер на микросхеме служит для точной идентификации типа. Такое вот банальное значение имеют три таинственных цифры после букв ВП1.

Вот так выглядит вскрытый кристалл 1801ВП1 под микроскопом - хорошо видно верхний алюминиевый слой.



Эта фотография взята с форума Радиокартинки. Скорее всего данный кристалл находился в керамическом корпусе под отдельной крышкой и не подвергался действию концентрированной кислоты при растворении пластика. Обратите внимание, что это не версия кристалла 030, это просто наиболее наглядная фотография слоя алюминия.

На фотографии отлично видно что транзисторы сформированы в мелкие группы - такие себе характерные прямоугольники, составляющие так называемую Базовую Ячейку. А сами ячейки упорядочены в большую матрицу - в столбцы и ряды. Некоторые подробности о базовых матричных кристаллах серии 1801 удалось найти в книге П.П.Мальцева - "Цифровые интегральные схемы", информации не очень много - всего лишь скудные пара страниц:



Но Приложение содержит исключительно полезные данные - типы и цоколевку базовых ячеек. Зная эту информацию уже можно попытаться осмысленно посмотреть на микрофотографию кристалла. А табличка с данными о быстродействии вентилей поможет построить достаточно точную модель.



Мы (Voland тоже участвовал в слегка безумном мероприятии которое тут описывается) связались с BarsMonster (довольно известный декапер - это его коллекция микрофотографий высокого разрешения навела на мысли попробовать разобраться вплотную с 1801ВП1) и в итоге он любезно согласился сделать нам декап и фотографию кристалла. В качестве первого кандидата была выбрана версия -030. Она легко доставаемая и служит основой различных плат на микропроцессоре 1801ВМ1. Такой себе чип-компаньон для этого микропроцессора. Очень хотелось разобрать более сложную и таинственную 1801ВП1-128, но они на сегодня в реальном дефиците и это не самый удачный кандидат на апробацию технологии реверса.

И тут буквально началась "золотая лихорадка" - дыхание старой тайны захватило полностью и не отпускало. Фотография была положена как фоновое изображение в программу SprintLayout. Это несложная программка со скромным набором возможностей для разработки собственно печатных плат, но как векторный редактор она великолепна. Имеет развитый набор макросредств и отличные возможности Copy-Paste. Буквально за несколько вечеров удалось векторизовать картинку до состояния из которого уже возможно извлечь принципиальную схему. Далее данные в векторном формате (гербер - древний формат фотоплоттеров) были импортированы в PCAD-2004 и используя средства обратной аннотации была быстренько получена в нем же принципиальная схема. На этом "лафа" закончилась - дальше уже пришлось поработать головой чтобы привести эту схему в "человеческую" форму. При этом чувствовалось что схемотехника реально прошлого века - я очень давно не слышал о таких схемах как ripple counter. Так вот - в 1801ВП1-030 они встречаются. Собственно других счетчиков там и нет (smile).

При наличии полноценной схемы в электронном формате несложно написать программку для получения списка цепей и трансляции его в Verilog HDL. Что и было немедленно сделано. Пришлось немного повозиться с написанием библиотечки функциональных ячеек и, гип-гип-ура, получили полноценную функциональную модель 1801ВП1-030 на Verilog HDL.

На всех этапах экстракции структуры производится непрерывный контроль. При начальной векторизации было допущено в общей сложности около сотни ошибок. Потом они все по мере продвижения проекта исправлялись. Например, PCAD имеет простенькие средства ERC (Electronic Rules Check). Грубо говоря, можно указать что вот этот вывод компонента является выходом, а вот этот - входом. Когда они объединяются в цепи ERC довольно быстро показывает цепи где конфликтуют два выхода, и какие цепи вообще не имеют выходов или входов. На этом этапе удалось выловить более 90 процентов ошибок векторизации и экстракции схемы. Далее при перерисовывании схемы в "человеческую" форму выявилось несколько смысловых ошибок, пришлось откатиться назад к фотографии и тщательно поизучать возможные варианты. К сожалению, фотографии разрешения 10К на 10К точек не всегда позволяют однозначно определить рисунок (а это и так склеено около 200 фотографий, огромный труд, еще раз спасибо BarsMonster), но в итоге все эти проблемы удалось решить. На этапе моделирования схемы средствами Verilog-симулятора ошибок восстановления схемы уже выявлено не было.

Ну и в завершение "вкусняшка" - несколько слов об алгоритме запуска цикла регенерации динамической оперативной памяти. 1801ВП1-030 поддерживает управление микросхемами типа 565РУ6, период регенерации которых должен составлять не более двух миллисекунд. 565РУ6 содержит 128 страниц, значит циклы регенерации должны осуществляться с периодом не более 2мс/128 = порядка 16 мкс. Микросхема -030 внутри содержит шестиразрядный счетчик. Цикл регенерации запускается каждые 64 такта входной частоты (кстати, из этого следует что сама входная частота не может быть менее 4МГц, иначе мы превысим период регенерации микросхем памяти). Каждые 64 такта счетчик выставляет запрос на регенерацию. Если в течение 32 тактов после момента выставления запроса выполняется цикл доступа к памяти со стороны внешних устройств (обычно это микропроцессор), то после окончания этого внешнего цикла будет немедленно запущен цикл регенерации. Это оправдано, так как после обращения к памяти процессор обычно тратит несколько тактов на обработку данных/команд внутри себя и следующее обращение к памяти, как правило, не будет следовать немедленно. Если же в течение 32 тактов после выставления запроса на регенерацию никто к динамической памяти не обращается, то микросхема 030 просто ждет. По истечении интервала в 32 такта запрос на регенерацию переводится на агрессивный уровень - регенерация будет запущена немедленно.

Подытоживая - в ходе "цифровых раскопок" было получено море удовольствия. Практический результат - можно сделать на FPGA полную функцинальную копию, например, платы МС1201.01. Весело наработана методика, скромный инструментарий и библиотеки для дальнейшего реверса других 1801ВП1 - это можно сделать очень быстро.