基于自主可控SoC的航天控制系統(tǒng)集成應(yīng)用研究

王曉東 張 磊 江思榮 劉 江 李 慧

1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076 2.北京航天自動控制研究所，北京100854

0 引言

隨著航天控制領(lǐng)域?qū)τ陔姎庠O(shè)備集成化、小型化、高可靠、自主可控的要求，以及對元器件功能、性能、體積、功耗等方面的要求越來越高，SoC技術(shù)在重量、體積、性能方面的突出優(yōu)勢，是滿足這一需求的重要途徑。隨著國際形勢的變化，核心元器件自主可控是支撐航天事業(yè)發(fā)展的基石，是我國從航天大國發(fā)展為航天強(qiáng)國的必經(jīng)之路。本文介紹了SoC技術(shù)特點(diǎn)與航天SoC的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了以系統(tǒng)需求為牽引、以SoC芯片實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)、以自主可控為目標(biāo)的航天控制系統(tǒng)集成技術(shù)是航天控制技術(shù)的發(fā)展方向，并給出了系統(tǒng)集成架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)途徑，以期為未來航天控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供應(yīng)用借鑒。

1 SoC技術(shù)特點(diǎn)

SoC(System on Chip)片上系統(tǒng)是在一個(gè)單芯片上集成微處理器、模擬電路、存儲器、各類輸入輸出通訊接口以及專用算法、協(xié)議的片上控制系統(tǒng)。在一些專用領(lǐng)域，還可能包括射頻器件甚至MEMS傳感器等。

SoC設(shè)計(jì)技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計(jì)能夠?qū)?fù)雜的功能集成到單硅片上，單位面積芯片可集成的晶體管數(shù)量成倍增長。電子設(shè)備電路設(shè)計(jì)從追求集成電路性能向系統(tǒng)性能優(yōu)化轉(zhuǎn)變，SoC正是在這種轉(zhuǎn)變潮流下產(chǎn)生的。SoC芯片的研制相對傳統(tǒng)的芯片，具有以下不同的特點(diǎn)：

1)SoC芯片設(shè)計(jì)規(guī)模大，具有數(shù)百萬門乃至上億個(gè)元器件的規(guī)模，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求設(shè)計(jì)起點(diǎn)比普通的ASIC高，驗(yàn)證方法上必須采用數(shù)?；旌向?yàn)證方法；

2)SoC 工作頻率高，模塊之間時(shí)序關(guān)系復(fù)雜，加上高頻效應(yīng)下的電磁干擾和信號串?dāng)_現(xiàn)象，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證難度大；

3)SoC芯片的設(shè)計(jì)不僅僅是硬件電路的設(shè)計(jì)，還是硬件平臺和軟件支持系統(tǒng)的并行設(shè)計(jì)，是一個(gè)包含軟硬件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程。

2 航天SoC應(yīng)用特點(diǎn)

SoC技術(shù)能夠帶來產(chǎn)品性能、體積、功耗方面的巨大優(yōu)勢，在國內(nèi)外都得到了高度重視。國外NASA和ESA在X2000、深空計(jì)劃等多項(xiàng)航天任務(wù)中廣泛應(yīng)用了SoC技術(shù)[1-3]。從國外發(fā)達(dá)國家的SoC發(fā)展規(guī)劃可以清晰地看到，航天及武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)認(rèn)識到SoC技術(shù)的重要性，組織了相應(yīng)的SoC技術(shù)研究，并且已經(jīng)逐步應(yīng)用到工程中。國內(nèi)航天運(yùn)載、軍事武器裝備等對于系統(tǒng)集成化、小型化、高性能、高可靠的要求越來越高，特別對于自主可控核心元器件的需求非常迫切。采用中國獨(dú)立自主設(shè)計(jì)的SoC芯片，擁有全部獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)，可以避免核心技術(shù)受制于人，能夠有效提升航天產(chǎn)品的保障性。

隨著航天控制領(lǐng)域?qū)τ陔姎庠O(shè)備集成化、小型化、高可靠、自主可控的要求越來越高，系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)是航天控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向之一，而國產(chǎn)SoC應(yīng)用正是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的一個(gè)重要途徑。航天控制系統(tǒng)探索出以系統(tǒng)集成需求為核心和芯片實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)的研發(fā)思路，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與芯片的高度結(jié)合，牽引了控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，開創(chuàng)了新的技術(shù)領(lǐng)域。常見的航天用SoC芯片設(shè)計(jì)流程如圖1所示。通常由控制系統(tǒng)系統(tǒng)方根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)功能梳理、軟硬件功能劃分，提煉SoC功能和性能指標(biāo)需求，比如處理器速度和精度、總線控制器、硬件實(shí)現(xiàn)專用算法、外設(shè)接口集成等需求，完成控制系統(tǒng)基于SoC的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)[4]。由于SoC芯片屬于系統(tǒng)定義的一部分，與系統(tǒng)呈緊耦合關(guān)系，因此在芯片成形后除開展芯片級的測試驗(yàn)證工作外，由系統(tǒng)牽頭開展系統(tǒng)級應(yīng)用驗(yàn)證工作是必不可少的。通常通過單機(jī)級、系統(tǒng)級各項(xiàng)功能性能測試、環(huán)境及可靠性試驗(yàn)來驗(yàn)證其在系統(tǒng)中工作的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 航天用SoC芯片設(shè)計(jì)流程

3 航天SoC系統(tǒng)集成技術(shù)

3.1 基于SoC的系統(tǒng)集成架構(gòu)技術(shù)

SoC技術(shù)的核心是通過梳理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)需求，提煉出研制SoC的功能、性能需求，這是研制SoC的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。為了達(dá)到高度集成化的設(shè)計(jì)要求，首先從系統(tǒng)的角度深入分析、合理規(guī)劃，通過對控制系統(tǒng)構(gòu)成、電路實(shí)現(xiàn)方案、功能需求、性能需求等方面進(jìn)行分析研究，改變以前傳統(tǒng)項(xiàng)目中基于大量離散器件和中小規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的模式，通過SoC技術(shù)將電路功能和電路實(shí)現(xiàn)形式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

以某項(xiàng)目為例，項(xiàng)目研制從系統(tǒng)頂層規(guī)劃，以SoC技術(shù)為基礎(chǔ)，采用1553B總線架構(gòu)(SoC芯片內(nèi)嵌1553B總線控制器)進(jìn)行系統(tǒng)集成架構(gòu)設(shè)計(jì)，其典型系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示。控制系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)中“減少設(shè)備數(shù)量、縮小設(shè)備體積、減輕系統(tǒng)重量”的研制需求，將系統(tǒng)各組成單機(jī)功能的需求進(jìn)行整合，將系統(tǒng)部分功能通過SoC芯片實(shí)現(xiàn)。并對控制系統(tǒng)各重要單機(jī)提出基于SoC芯片和1553B總線的智能單機(jī)設(shè)計(jì)要求，完成控制系統(tǒng)集成架構(gòu)的設(shè)計(jì)。為降低系統(tǒng)研制難度、減小研制成本，系統(tǒng)控制SoC應(yīng)用的品種，以提高系統(tǒng)可靠性。

圖2 典型控制系統(tǒng)架構(gòu)框圖

3.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)的先硬件后軟件的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式需要反復(fù)修改、試驗(yàn)，設(shè)計(jì)周期長、開發(fā)成本高。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)為解決此問題提出一種全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，其設(shè)計(jì)流程如圖3所示。根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)目標(biāo)，通過綜合分析系統(tǒng)軟硬件功能和現(xiàn)有資源，從系統(tǒng)集成優(yōu)化角度，將兩者綜合權(quán)衡分配，最大限度地挖掘軟硬件之間的并發(fā)性和交互性，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高系統(tǒng)性能，避免由于獨(dú)立設(shè)計(jì)軟硬件體系結(jié)構(gòu)帶來的弊端[5-6]。例如為實(shí)現(xiàn)航天飛行器的制導(dǎo)、姿態(tài)控制、圖像處理等運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)功能，由控制系統(tǒng)系統(tǒng)方對功能實(shí)現(xiàn)形成的經(jīng)驗(yàn)積累固化，提出專用算法集成需求，由芯片設(shè)計(jì)方將其對應(yīng)功能集成到SoC芯片中，將軟件實(shí)現(xiàn)硬件化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解算與系統(tǒng)控制并行，滿足系統(tǒng)強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求。

圖3 軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)流程

3.3 系統(tǒng)集成SoC的驗(yàn)證技術(shù)

SoC芯片研制成功與否，除芯片本身的研制外，應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)也是至關(guān)重要的一環(huán)。為了更好地對SoC功能和性能進(jìn)行全面的測試和驗(yàn)證，從芯片級、單機(jī)級、系統(tǒng)級3個(gè)方面對SoC的驗(yàn)證技術(shù)開展攻關(guān)，通過設(shè)計(jì)SoC應(yīng)用驗(yàn)證通用硬件支持平臺，覆蓋SoC的各種接口要求，并開展SoC應(yīng)用驗(yàn)證的測試用例研究，覆蓋項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的各種應(yīng)用需求，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測試手段無法對SoC全面測試的不足。

3.3.1 芯片級驗(yàn)證技術(shù)

引入SoC設(shè)計(jì)技術(shù)以后，控制系統(tǒng)的研制不再是從接收到成熟的芯片開始，而是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分工作提前到了SoC芯片研制階段，即SoC需求分析、系統(tǒng)級設(shè)計(jì)、IP核設(shè)計(jì)與選型、SoC集成等均成為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)。其中，作為SoC基本組成單元，IP核的成熟度和可靠性是關(guān)系到SoC研制質(zhì)量的關(guān)鍵[7]。

在航天項(xiàng)目研制過程中開展IP核及SoC元器件質(zhì)量保證與檢驗(yàn)方法研究，從IP核文檔清單、代碼質(zhì)量、系統(tǒng)質(zhì)量、邏輯設(shè)計(jì)、測試和制造質(zhì)量、功能驗(yàn)證、時(shí)序和功耗質(zhì)量等幾個(gè)方面開展IP核評估測試，重點(diǎn)開展指令集處理器的應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)研究，確保項(xiàng)目應(yīng)用的成功。

3.3.2 單機(jī)級驗(yàn)證技術(shù)

為充分驗(yàn)證單機(jī)SoC應(yīng)用，搭建通用的SoC硬件支持平臺。利用該平臺完成SoC芯片的各項(xiàng)功能，如：I2C協(xié)議、負(fù)載特性測試驗(yàn)證，A/D靜態(tài)、動態(tài)測試驗(yàn)證，1533B總線協(xié)議測試驗(yàn)證，芯片全負(fù)載功耗、溫升測試驗(yàn)證，中斷系統(tǒng)測試驗(yàn)證，I/O空間擴(kuò)展功能測試驗(yàn)證以及事件管理單元測試驗(yàn)證等。通用驗(yàn)證平臺框圖如圖4所示。

圖4 SoC單機(jī)應(yīng)用通用驗(yàn)證平臺

3.3.3 系統(tǒng)級驗(yàn)證技術(shù)

3.3.3.1 系統(tǒng)集成應(yīng)用驗(yàn)證測試平臺設(shè)計(jì)

在完成單機(jī)測試驗(yàn)證和應(yīng)用軟件開發(fā)驗(yàn)證后，需要在系統(tǒng)級對SoC芯片應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。構(gòu)建系統(tǒng)級應(yīng)用驗(yàn)證測試平臺的基本思路是以單機(jī)通用應(yīng)用驗(yàn)證軟硬件平臺為基本組成，以總線為系統(tǒng)傳輸紐帶，組建可覆蓋系統(tǒng)級應(yīng)用和SoC功能、性能的可配置、開放型的系統(tǒng)級軟硬件集成測試平臺，其組成示意如圖5所示。

圖5 SoC系統(tǒng)集成應(yīng)用驗(yàn)證平臺示意圖

該系統(tǒng)集成應(yīng)用驗(yàn)證平臺由若干SoC應(yīng)用驗(yàn)證單機(jī)組成，通過1553B、以太網(wǎng)和CAN總線連接在一起，通過接口模擬和故障注入設(shè)備模擬各個(gè)單機(jī)需要的外部接口信號，可根據(jù)需求編程設(shè)置接口信號，模擬各種外設(shè)故障；數(shù)據(jù)處理監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)視信息流量，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

3.3.3.2 系統(tǒng)集成應(yīng)用驗(yàn)證測試用例集研究

根據(jù)SoC不同的應(yīng)用場合，構(gòu)建系統(tǒng)集成應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)平臺，結(jié)合項(xiàng)目具體系統(tǒng)級應(yīng)用和SoC的功能、性能驗(yàn)證的需求，設(shè)計(jì)軟硬件測試用例集，完成系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證，主要包括：

1)覆蓋項(xiàng)目應(yīng)用軟件需求和SoC功能、性能的系統(tǒng)軟件應(yīng)用用例集；

2)覆蓋項(xiàng)目應(yīng)用軟件需求和SoC功能、性能的系統(tǒng)軟件測試用例集；

3)覆蓋項(xiàng)目應(yīng)用需求和SoC功能、性能的硬件接口設(shè)計(jì)及其測試用例；

4)故障模擬測試用例集等。

3.3.4 系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

航天項(xiàng)目研制過程除開展針對基于SoC芯片的整機(jī)功能驗(yàn)證工作外，還需開展基于SoC整機(jī)的各類可靠性試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、抗強(qiáng)電磁脈沖試驗(yàn)和系統(tǒng)級綜合環(huán)境試驗(yàn)考核，以驗(yàn)證其在系統(tǒng)中工作的可靠性和穩(wěn)定性。

3.4 集成開發(fā)系統(tǒng)統(tǒng)型

基于SoC芯片的軟件設(shè)計(jì)工作一般采用集成開發(fā)系統(tǒng)(簡稱“IDE”)進(jìn)行軟件代碼設(shè)計(jì)。集成開發(fā)系統(tǒng)主要完成處理器初始化和中斷管理工作、源代碼優(yōu)化工作、檢查源代碼的語法錯誤，并提供通用功能函數(shù)庫和易于用戶使用的集成開發(fā)環(huán)境供用戶使用。在項(xiàng)目研制過程中約束各單機(jī)單位采用統(tǒng)一集成開發(fā)系統(tǒng)，有利于規(guī)范設(shè)計(jì)過程，便于開展橫向一致管理，快速提高產(chǎn)品成熟度，提高項(xiàng)目產(chǎn)品應(yīng)用的可靠性。各單機(jī)單位專注于系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)，可加速項(xiàng)目研制進(jìn)程。

4 SoC在航天領(lǐng)域的系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 飛控系統(tǒng)應(yīng)用

由于控制系統(tǒng)彈/箭上飛控系統(tǒng)對于控制運(yùn)算性能、實(shí)時(shí)性、可靠性及小型化要求較高，飛控計(jì)算機(jī)需要運(yùn)行復(fù)雜的控制算法，所以對SoC芯片處理速度提出了較高的要求。某項(xiàng)目研制飛控系統(tǒng)選用2款SoC芯片，分別用于飛控計(jì)算和彈載測試功能。SoC芯片基于SPARC體系架構(gòu)開發(fā)，芯片在-55℃～125℃軍溫范圍可正常工作。內(nèi)核電壓為1.8V，I/O電壓為3.3V，最大工作頻率為100MHz。SoC芯片功能框圖如圖6所示。

4.2 測發(fā)控系統(tǒng)應(yīng)用

測發(fā)控系統(tǒng)測控計(jì)算機(jī)作為地面設(shè)備控制中樞，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)監(jiān)控、導(dǎo)航定位及故障診斷等操作。同時(shí)還需要有豐富的人機(jī)接口以滿足用戶使用需求。某項(xiàng)目測發(fā)控系統(tǒng)采用基于龍芯SoC的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，該款SoC芯片是基于64位超標(biāo)量微處理器核的SoC型微處理器，整體架構(gòu)基于兩級互連實(shí)現(xiàn)，芯片在-55℃～125℃軍溫范圍可正常工作，龍芯SoC芯片功能框圖如圖7所示。

圖6 飛控SoC功能框圖

圖7 龍芯SoC芯片功能框圖

5 結(jié)論

航天運(yùn)載和導(dǎo)彈武器控制系統(tǒng)設(shè)備一方面必須嚴(yán)格控制重量、體積，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化、小型化、集成化，另一方面必須提高性能，加強(qiáng)自測試功能，縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間。另外，基于軍事裝備發(fā)展對于核心技術(shù)、產(chǎn)品堅(jiān)持國產(chǎn)化的迫切需求，在航天控制系統(tǒng)研制中逐步形成了基于國產(chǎn)化SoC的控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)，使控制系統(tǒng)具有集成化、小型化、高可靠、自主可控的特點(diǎn)。航天領(lǐng)域的國產(chǎn)化SoC應(yīng)用為我國獨(dú)立研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心芯片起到了牽引作用，對于我國國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。