基于BM3803處理器的即插即用星載計算機系統(tǒng)設計

詹盼盼 郭廷源 高建軍 孫勇

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

國外衛(wèi)星系列的成功發(fā)射表明，衛(wèi)星從組裝建造到發(fā)射的時間已從傳統(tǒng)模式的數(shù)月縮短至以小時為單位，并且隨著空間技術(shù)的提高和應用需求的擴展，對衛(wèi)星進行在軌維修、硬件更換、功能升級等在軌服務的需求越來越急迫［1］，而實現(xiàn)星載計算機上述在軌服務的關(guān)鍵是設備模塊的通用化和產(chǎn)品化。為了降低成本，實現(xiàn)按需發(fā)射和快速響應的目標，國內(nèi)外在模塊化衛(wèi)星的性能定義和設計復雜性方面進行了積極研究［2-4］，結(jié)果表明，模塊化設計的復雜性主要體現(xiàn)在接口設計［5］和驅(qū)動實現(xiàn)上。

目前，國內(nèi)的星載計算機系統(tǒng)普遍使用基于可擴展處理器體系結(jié)構(gòu)（Scalable Processor Architecture，SPARC）V7 的TSC695F 處理器，其性能較低，如處理器主頻只有11 MHz、無緩存（Cache）支持等，而且長期依賴于進口，無法滿足星載計算機系統(tǒng)日益復雜的需求和實現(xiàn)自主化研制的需要。另一方面，這些星載計算機系統(tǒng)由于硬件結(jié)構(gòu)非標準化和軟件驅(qū)動不通用（無法實現(xiàn)硬件自動配置且地址空間各異）的限制，設備模塊不能在不同計算機之間進行通用替換，難以實現(xiàn)星載計算機的即插即用功能和產(chǎn)品化生產(chǎn)。

為改變這一現(xiàn)狀并且考慮衛(wèi)星對高性能處理器的需求，本文在研究設備模塊通用化和外圍組件互連（PCI）總線驅(qū)動的基礎(chǔ)上，設計了一種即插即用星載計算機系統(tǒng)，采用我國自主研制的基于SPARC V8體系結(jié)構(gòu)的BM3803處理器，能夠適應星載計算機復雜任務處理和在軌服務及快速組裝的需求，可為星載計算機應用BM3803處理器和實現(xiàn)即插即用功能提供借鑒。

2 BM3803處理器簡介

BM3803處理器是基于SPARC V8 體系結(jié)構(gòu)的32 位精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）嵌入式處理器，可用于空間環(huán)境使用的嵌入式實時計算機系統(tǒng)，能夠滿足各種航天應用的功能以及性能指標要求，只要加上存儲器和與應用相關(guān)的外圍電路，就可以構(gòu)成完整的單板計算機系統(tǒng)［6］。

BM3803處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，芯片內(nèi)部包含整數(shù)處理單元、浮點處理單元、獨立的指令和數(shù)據(jù)緩存（Cache）、硬件乘法器和除法器、中斷控制器、帶有跟蹤緩沖器的硬件調(diào)試支持單元、兩個24位定時器、通用輸入輸出（I／O）接口、“看門狗”、能夠支持可編程只讀存儲器（PROM）、靜態(tài)存儲器（SRAM）、動態(tài)存儲器（SDRAM）和I／O 映射空間訪問的存儲器控制器，具有軟件可以控制的省電工作模式，具有可實現(xiàn)PCI主機橋和從屬橋功能的PCI控制器。

本文基于BM3803 處理器支持PCI總線的特性，克服傳統(tǒng)星載計算機非標準化和不能通用的限制，設計了一個采用PCI標準總線作為底板總線的星載計算機硬件結(jié)構(gòu)，各個設備模塊均遵循標準PCI總線的機械、電氣和邏輯規(guī)范；并且設計一種統(tǒng)一的設備識別、地址空間動態(tài)分配和訪問方法，在物理上和軟件驅(qū)動上實現(xiàn)設備模塊的即插即用和通用化功能。

圖1 BM3803處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Inside structure of BM3803processor

3 星載計算機系統(tǒng)硬件設計

3．1 設計原則與目標

本文將一個設備模塊（或稱為硬件模塊、硬件板）作為一個在軌更換單元（ORU）。為了提升通用化程度，針對星載計算機系統(tǒng)硬件設計，遵從以下設計原則。

（1）模塊化設計原則：綜合星載計算機的特點，根據(jù)功能設計相應模塊，通過靈活組合這些功能模塊，構(gòu)成滿足特定功能的星載計算機系統(tǒng)；

（2）采用標準化接口：在星載計算機的設計中采用標準化接口，提高計算機系統(tǒng)的通用化程度，不同的計算機之間可以共用這些標準化功能模塊；

（3）可擴展設計：通過采用PCI標準底板總線，使計算機具備良好的可擴展性。

3．2 硬件結(jié)構(gòu)

即插即用星載計算機系統(tǒng)是按照模塊化和標準化的設計思想進行設計，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中供電模塊為整機提供二次電源，將其他模塊按功能劃分，每個功能模塊作為一個ORU，包括中央處理單元（CPU）控制模塊、總線通信模塊、遙測遙控模塊和其他功能擴展模塊等，除CPU 控制模塊外的其他模塊可以自由組合。這些模塊通過PCI標準總線進行通信，每個模塊之間是相互獨立的，不依賴于其他模塊。

圖2 即插即用星載計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Hardware structure of plug-and-play on-board computer system

根據(jù)BM3803處理器手冊［6］和PCI規(guī)范［7-8］，一級PCI 總線上最多可支持7 個PCI 設備模塊。CPU 控制模塊作為PCI總線的主控模塊，其他模塊為從屬模塊，每個模塊板上含有一個PCI橋芯片以支持PCI協(xié)議規(guī)范。下文對每個模塊的功能和實現(xiàn)進行說明。

（1）供電模塊：實現(xiàn)了整機加斷電控制，并且提供其他功能模塊所需的二次電源。星載計算機系統(tǒng)在每一個功能模塊上對二次供電進行分區(qū)，采用限流器對每個電源分區(qū)提供電源并且進行電流檢測和限流保護。

（2）CPU 控制模塊：采用BM3803處理器作為CPU，BM3803 PCI接口配置為主機橋（Host Bridge）模式，在軟件的配合下，配置和訪問總線上的其他PCI設備，并為這些設備提供總線仲裁。CPU 控制模塊是即插即用星載計算機系統(tǒng)的核心，軟件驅(qū)動運行在該模塊上，完成對其他功能模塊的自動化識別和配置。

（3）總線通信模塊：包括一個或者多個1553B總線芯片，實現(xiàn)以1553B總線控制器或遠程終端的方式進行通信?？偩€通信模塊的PCI控制器工作在從模式，由于BM3803支持的從PCI中斷源數(shù)量有限，當有多個總線芯片工作時，采用分立元件實現(xiàn)多路1553B總線中斷源的合并及識別，每個中斷源狀態(tài)可分別清除。

（4）遙測遙控模塊：實現(xiàn)遙控數(shù)據(jù)注入、指令接收和遙測輸出等通用功能，可采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)為一個標準化遙測遙控模塊，在FPGA 中實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。PCI控制器工作在從模式，通過外部先進先出緩沖區(qū)（FIFO）或者內(nèi)部FIFO 與FGPA 進行數(shù)據(jù)交換。

（5）功能擴展模塊：可以根據(jù)計算機的特定功能進行設置，最多可設置3個，比如可以實現(xiàn)為存儲功能模塊、復接功能模塊、飛行控制模塊、SpaceWire總線通信模塊和以太網(wǎng)模塊等。擴展模塊上包括一個工作在從模式的PCI控制器與CPU 控制模塊通信，當有多個中斷信號時，需要對多個中斷源進行合并。

4 即插即用驅(qū)動軟件設計

4．1 設備模塊自動識別方法

即插即用星載計算機系統(tǒng)使用BM3803處理器內(nèi)置的PCI控制器與PCI底板總線上的其他設備模塊進行通信。即插即用驅(qū)動軟件是一個通用驅(qū)動軟件，運行于處理器上，通過控制BM3803處理器的PCI接口，實現(xiàn)其他設備模塊的自動識別和數(shù)據(jù)交互，多個設備模塊的自動識別過程如下。

（1）設備模塊的發(fā)現(xiàn)和標識。驅(qū)動軟件通過設置處理器的映射寄存器，分別讀取各個設備模塊的PCI配置頭信息，包括設備標識和廠商標識信息，作為設備的唯一標識。每個設備模塊物理上均有一個卡槽地址，驅(qū)動軟件通過遍歷卡槽地址讀取設備模塊的配置信息，并且記錄到一張設備配置表中，以后對設備的每次訪問均對該表進行操作，從而屏蔽了不同設備模塊的差異，使得對設備模塊的訪問統(tǒng)一為對設備配置表的讀寫。設備配置表是實現(xiàn)自動識別和即插即用功能的關(guān)鍵，主要包括設備識別（ID）、設備狀態(tài)、卡槽地址、基地址、基地址類型和基地址長度等元素。

（2）確定設備空間類別和容量要求。PCI配置頭中包括6個基地址寄存器，驅(qū)動軟件通過讀取基地址寄存器查明各設備模塊需要的空間類別，并向該基地址寄存器全部寫1，然后讀取基地址寄存器的值。由于硬件接地，在讀回的值中包括的零的個數(shù)反映了設備所需要的空間。

（3）分配基地址。基地址的容量確定后，驅(qū)動軟件在存儲空間中為這片空間分配一個基地址，即設備的訪問地址，并且將分配的起始地址寫回PCI空間的基地址寄存器。

驅(qū)動軟件通過上述方法可以識別各個設備模塊的類別，并且通過訪問本地存儲空間即可訪問到其他設備模塊，包括發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)。驅(qū)動軟件定時每20ms遍歷所有設備模塊和更新設備配置表，保證設備模塊的動態(tài)添加和刪除。通過這種方式，所有設備模塊均可作為本地存儲空間進行統(tǒng)一訪問，當計算機系統(tǒng)增加或者更換新的設備模塊時，無需更改處理程序，而且各個設備模塊在機箱內(nèi)的位置可以不固定，提高了設備的通用性和靈活性，在硬件和軟件上支持設備模塊的自動識別和即插即用特性。

4．2 中斷復用方案

由于BM3803處理器只提供了4個外部中斷和一個PCI中斷，對于應用比較復雜的系統(tǒng)，中斷接口數(shù)量不能滿足要求，需要對中斷進行復用。即插即用星載計算機系統(tǒng)由于采用PCI總線作為底板總線，掛接在PCI總線上的設備模塊上的中斷源均可掛接在處理器的PCI中斷上，因此多個設備模塊要實現(xiàn)中斷復用需要在軟件上進行設計。驅(qū)動軟件設計的中斷復用處理方式分為兩個方面，一是單一設備模塊的中斷復用，二是多設備模塊的中斷復用。

驅(qū)動軟件處理單一設備的中斷復用由設備模塊自身的中斷服務程序完成。單一設備復用中斷，驅(qū)動程序?qū)旖釉谥付ǖ闹袛嗵柹希梢栽谥袛喾粘绦蛑袡z查所有該類型的設備或者由硬件給出中斷狀態(tài)，以確定中斷的來源并對產(chǎn)生中斷的設備服務。

對于多個設備模塊復用一個PCI中斷的情況，本文的方案是為PCI中斷掛接一個中斷服務管理程序，并且設計一個保存復用中斷服務程序入口地址的中斷服務鏈表，當產(chǎn)生中斷后，中斷服務管理程序依次遍歷該鏈表，檢查設備模塊的中斷狀態(tài)，如果某設備模塊有中斷，則進入該設備模塊的中斷處理。

星載計算機中有多個設備模塊，每個設備模塊存在多個中斷源，通用星載計算機系統(tǒng)分兩個層面對這些中斷進行復用，避免了將所有設備模塊的多個中斷源都掛接在一個中斷服務程序的處理方式，使得各個設備模塊的中斷處理程序保持獨立。本方案實現(xiàn)了一種統(tǒng)一的鏈式中斷處理方法，具有較強的靈活性和可擴展性，當設備模塊加入新的中斷源時，新的中斷服務程序被自動加入到中斷鏈中，支持中斷服務程序的即插即用能力。

4．3 設備模塊訪問方法

系統(tǒng)識別設備模塊后，應用軟件與設備模塊的數(shù)據(jù)交互方式有兩種：一種是通過內(nèi)存映射的方式進行訪問，即通過讀寫設備配置表中的基地址的方式來訪問，這種方式與內(nèi)存訪問方式類似，一次可以讀寫一個字節(jié)、一個字或者一個雙字；另一種是通過直接存儲器訪問（DMA）方式進行訪問，通過調(diào)用驅(qū)動軟件提供的接口，應用軟件可以一次性地將大塊數(shù)據(jù)從設備模塊讀出或者寫入。DMA 方式分為同步方式和異步方式：同步方式是啟動DMA 發(fā)送后將自己阻塞，等待DMA 中斷返回數(shù)據(jù)傳輸完成后才能進行下一步操作；異步方式是啟動DMA 發(fā)送后立即進行后續(xù)操作，不必等待數(shù)據(jù)傳輸完成。

這兩種訪問方式的區(qū)別在于：內(nèi)存映射方式將設備模塊當作本地內(nèi)存進行多次訪問，每次訪問均占用CPU 的運行時間；而DMA 方式是一次性數(shù)據(jù)通信，通信過程不占用CPU 的運行時間。兩種訪問方式具有不同的應用場景，DMA 方式具有較高的傳輸性能，當需要大量數(shù)據(jù)傳輸而且對性能要求較高時可以使用DMA 方式；當數(shù)據(jù)量較小，比如對設備模塊進行配置時可以使用內(nèi)存映射方式。

5 設計應用及性能分析

通過使用BM3803 處理器和實現(xiàn)通用PCI總線驅(qū)動，該設計可以適應星載計算機應用需求不確定和設備模塊不確定的情況。如表1所示，以衛(wèi)星上的中央處理單元、高速數(shù)據(jù)復接器、大容量存儲器、星載網(wǎng)絡路由器為例，說明該設計各功能模塊的通用性和快速組裝能力。

表1 通用設備模塊在星載計算機系統(tǒng)中的復用關(guān)系Table 1 Reuse relationship between general equipment modules and on-board computer systems

表1列出了通用設備模塊與星載計算機之間的復用關(guān)系，“√”表示此設備模塊可以在該星載計算機中使用，“×”表示此設備模塊不能在該星載計算機中使用。其中CPU 控制模塊、總線通信模塊、存儲模塊和以太網(wǎng)模塊均可以在這4 類計算機中復用，而復接模塊和SpaceWire通信模塊的復用程度也很高，表明在不修改硬件設計和軟件驅(qū)動的情況下，不同的星載計算機可以復用相同的設備模塊；通過自由選擇和組裝不同的設備模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)星載計算機系統(tǒng)的快速組裝能力。

在當前星載應用中，處理器訪問1553B 總線的效率是星載計算機系統(tǒng)的一個重要指標，計算機系統(tǒng)除了完成總線數(shù)據(jù)的收發(fā)外，還需要實現(xiàn)其他復雜計算和處理過程。如果總線流量較大，占用處理器的時間過多，必然會對其他任務造成影響。本文將即插即用星載計算機系統(tǒng)訪問總線通信模塊的性能與傳統(tǒng)計算機進行了對比，如圖3所示。

圖3 總線訪問時間對比Fig．3 Comparison of bus access time

圖3是對不同總線通信流量下，分別使用本文設計的設備模塊訪問方式和傳統(tǒng)訪問方式時，總線消息從內(nèi)存搬移至總線芯片到發(fā)送完成的時間進行了對比，從圖3中可以看出，本文設計的系統(tǒng)向總線通信模塊讀寫數(shù)據(jù)的時間遠遠小于傳統(tǒng)方式，向總線通信模塊讀寫數(shù)據(jù)和發(fā)送完成的時間也小于傳統(tǒng)方式。測試結(jié)果表明，使用本文的設備模塊訪問方式具有更高的性能，對設備模塊的訪問時間遠遠小于傳統(tǒng)訪問方式。

從上文的分析可以看出，基于BM3803處理器的即插即用星載計算機系統(tǒng)，通過采用標準PCI總線將星載計算機硬件模塊化、標準化，并且實現(xiàn)一種設備自動識別和支持DMA 方式訪問的通用軟件驅(qū)動，不僅大大降低了外部硬件設備的訪問時間，而且實現(xiàn)了星載計算機的即插即用特性，新的設備模塊可以自由增加或者替換到計算機系統(tǒng)中，而無需對硬件和驅(qū)動軟件做任何修改。本設計支持多個設備模塊在不同計算機之間復用，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件板級的產(chǎn)品化生產(chǎn)，使得復雜星載計算機系統(tǒng)具備快速組裝能力。

6 結(jié)束語

隨著空間技術(shù)的發(fā)展和未來大量衛(wèi)星建設的需要，對星載計算機設計構(gòu)成了挑戰(zhàn)，而模塊化和即插即用技術(shù)能夠確保星載計算機各設備模塊隨時取用，一旦有需求，可以將它們快速組裝起來，并發(fā)射升空。本文在研究BM3803 處理器和PCI驅(qū)動軟件的基礎(chǔ)上，設計了一種即插即用星載計算機系統(tǒng)，支持設備模塊在多個衛(wèi)星內(nèi)部甚至衛(wèi)星之間的復用。本文的方法具有較強的模塊化、通用化特點，不僅提高了設備模塊的訪問性能，而且可以實現(xiàn)設備模塊的產(chǎn)品化生產(chǎn)和即插即用功能，更好地滿足未來衛(wèi)星研制的要求。

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