基于SM750的嵌入式星載計算機(jī)設(shè)計

高宗彥 王志國 蘇嘉瑋 彭飛 金松日

（上海航天電子技術(shù)研究所/八院智能計算技術(shù)重點實驗室，上海，201109）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的航天事業(yè)日新月異、發(fā)展迅速，不僅各種民用衛(wèi)星、軍用衛(wèi)星需求和任務(wù)迅猛增長，商用衛(wèi)星的需求也與日俱增，航天器的任務(wù)要求日益復(fù)雜，功能和性能要求也越來越高[1-2]。

星載計算機(jī)的發(fā)展與工業(yè)用計算機(jī)的發(fā)展類似，已從16位計算機(jī)發(fā)展到32位計算機(jī)。結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展情況，星載計算機(jī)CPU應(yīng)用的發(fā)展趨勢如圖1所示。

圖1 星載計算機(jī)的發(fā)展趨勢

與商用計算機(jī)不同，星載計算機(jī)均采用了航天專用的CPU芯片，如 P1750、TSC695、TSC697、PowerPC等。這些芯片內(nèi)部都設(shè)計了EDAC校驗、冗余設(shè)計、錯誤處理、地址保護(hù)等高可靠性措施。1750系列星載計算機(jī)和基于SPARC V7系列星載計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，并得到成功應(yīng)用。SPARC V8、V9體系和PowerPC體系星載計算機(jī)是后續(xù)高性能星載計算機(jī)的發(fā)展方向。

1 星載計算機(jī)系統(tǒng)集成設(shè)計

1.1 典型設(shè)計方案

典型的星載計算機(jī)單機(jī)設(shè)計以板級電路為主，通過不同功能的分立元器件進(jìn)行搭建[3-4]。衛(wèi)星平臺星載計算機(jī)主要由平臺管理計算機(jī)和控制計算機(jī)作為獨立的單機(jī)設(shè)備組成，每個單機(jī)設(shè)備包含了電源模塊、處理器模塊、通信模塊、指令模塊、采集模塊、大功率通用驅(qū)動模塊、信道關(guān)口模塊等子模塊。這樣的系統(tǒng)框架會使整個系統(tǒng)接口復(fù)雜繁多、硬件資源浪費嚴(yán)重，同時整個系統(tǒng)設(shè)備體積龐大、功耗高，大大降低了整個衛(wèi)星的承重比。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

星載計算機(jī)工作原理如圖2所示。星載計算機(jī)是整星的信息處理和調(diào)度的核心設(shè)備，具備遙測、遙控、程控、姿軌控、GPS/BD定位、熱控、時統(tǒng)、載荷業(yè)務(wù)作業(yè)等功能。由綜合電子計算機(jī)硬件、整星數(shù)據(jù)管理軟件、姿軌控軟件等協(xié)同實現(xiàn)。

圖2 星載計算機(jī)原理示意圖

作為某衛(wèi)星核心單機(jī)的星載計算機(jī)，要求實現(xiàn)接收并處理上行遙控信息、處理并發(fā)送下行遙測數(shù)據(jù)、上行遙控數(shù)據(jù)解密與下行遙測數(shù)據(jù)加密、星務(wù)管理、平臺控制、數(shù)據(jù)存儲、CAN總線管理與維護(hù)、時基管理與廣播、指令脈沖發(fā)送、模擬量遙測采集、磁控電流發(fā)送、主備份模塊控制及切換、地面測試等功能。

該星載計算機(jī)由二次電源模塊、信道關(guān)口模塊、2塊處理器模塊、綜合接口模塊、導(dǎo)航及短報文收發(fā)模塊、1塊星間加解密模塊通過母板連接組成，采用綜合電子機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范，使用插板式連接模式，對外接插件全部設(shè)計在單機(jī)頂部，通過電纜與其他單機(jī)連接[5]。

2 SM750處理器模塊

2.1 處理器選型

SM750是一款高性能32位超標(biāo)量低功耗微處理器，采用PowerPC精簡指令集，且功能兼容Motorola公司的MPC750芯片，最高工作主頻達(dá)到266MHz，工作電壓分為內(nèi)核2.0V和IO 3.3V，功耗不大于6W@266MHz，采用CBGA360的封裝形式[6]。

SM750由一個處理器核、一個L2cache接口和60×總線組成。它定義了32位有效地址，8位、16位、32位的整數(shù)數(shù)據(jù)類型，以及32位和64位的浮點數(shù)據(jù)類型，可同時執(zhí)行兩條指令。SM750包括以下6個執(zhí)行單元：①浮點單元（FPU）；②分支處理單元 （BPU）；③系統(tǒng)寄存器單元（SRU）；④讀/寫單元 （LSU）；⑤整數(shù)單元1（IU1）：執(zhí)行所有的整數(shù)指令；⑥整數(shù)單元2（IU2）：執(zhí)行除了乘和除指令的所有整數(shù)指令。

為滿足星載計算機(jī)接口應(yīng)用需求，同時更高的提升系統(tǒng)集成度，處理器模塊利用大容量FPGA實現(xiàn)橋芯片實現(xiàn)簡化。

“SM750+FPGA”的處理器模塊核心組成，將為星載計算機(jī)乃至整星平臺提供運算資源，同時也為實時操作系統(tǒng)提供高性能硬件平臺。

2.2 處理器模塊設(shè)計

2.2.1 主要功能

星載計算機(jī)處理器模塊 （或稱為計算模塊）是星載計算機(jī)的關(guān)鍵模塊之一，處理器模塊主要提供星上公共計算資源，具備整型和浮點型計算能力，可用于星載數(shù)據(jù)的接收、處理、計算、分發(fā)、解析等。處理器模塊需實現(xiàn)以下功能：

● 為系統(tǒng)軟件提供必要的硬件運算資源，包括處理器、存儲器、I/O、其他硬件連接電路等；

● 實現(xiàn)對兩套CAN總線的管理和維護(hù)，完成總線信息交換；

●具備管理單機(jī)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)總線通信的功能，可實現(xiàn)對內(nèi)部總線的時序控制和數(shù)據(jù)通信；

● 接收并為軟件提供星箭分離狀態(tài)和主/備機(jī)標(biāo)識等；

● 具備響應(yīng)多個外部的能力，中斷優(yōu)先級根據(jù)系統(tǒng)需求確定；

● 提供一個軟件不可屏蔽的硬件看門狗，看門狗動作時間為6s，硬件兼容設(shè)計，并為軟件提供相應(yīng)的看門狗操作端口和看門狗復(fù)位次數(shù)；

● 采用冷/熱備份工作方式；

● 具備自主開備機(jī)功能，主機(jī)檢測1h內(nèi)超過2次看門狗復(fù)位時，且準(zhǔn)自主開B機(jī)狀態(tài)下自主對備機(jī)加電；

● 提供地測接口便于地面軟件調(diào)試；

● 根據(jù)需要，收集單機(jī)自身工程遙測數(shù)據(jù)，具備不少于64Gbits的固存存儲能力，數(shù)據(jù)組幀、打包后通過網(wǎng)口輸出至數(shù)據(jù)服務(wù)器；

● 具備多路RS422；

● 接收GPS秒脈沖后對48位時鐘計數(shù)進(jìn)行鎖存。

2.2.2 組成

處理器模塊的組織結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成參照了現(xiàn)有處理器平臺的典型設(shè)計方式，如圖3所示。按片選線和地址線擴(kuò)展系統(tǒng)，將系統(tǒng)存儲空間、I/O空間、擴(kuò)展空間統(tǒng)一編址、其中處理器模塊使用國產(chǎn)SM750完成運算、控制、存儲單元的管理操作，外部配置SRAM空間作為數(shù)據(jù)空間，配置Flash空間作為程序空間，進(jìn)行了存儲器的統(tǒng)一映射。

處理器模塊中設(shè)計的PROM/Flash存儲器用于引導(dǎo)程序和主程序空間，容量為32K×8bit/16M×8bit，未設(shè)置 EDAC，通過 ROMCSb信號和地址信號譯碼進(jìn)行尋址。

SDRAM為運行處理器程序的數(shù)據(jù)空間，設(shè)計為32M×40bit，提供獨立的8bit EDAC校驗空間，通過RAMCSb信號進(jìn)行尋址。

CAN總線地址空間映射在了IO空間區(qū)間，對應(yīng)于CAN空間設(shè)計為8K×16bit。

處理器模塊接收3個外部中斷信號輸入，中斷設(shè)置和優(yōu)先級由高到低依次為遙控注數(shù)中斷、下行遙測中斷、CAN總線通訊中斷。由于SM750僅有一個外部中斷引腳，多個外部中斷由FPGA程序?qū)崿F(xiàn)。

處理器模塊帶有固態(tài)存儲和復(fù)接功能，收集單機(jī)自身和整星平臺的工程遙測數(shù)據(jù)，完成存儲、復(fù)接和組幀數(shù)據(jù)處理，通過網(wǎng)口將存儲的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)服務(wù)器。

處理器模塊是單板單機(jī)工作模式，通過內(nèi)總線接受+5V二次電源供電，模塊內(nèi)部設(shè)計三端穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)為2.0V和3.3V等電壓，供CPU、FPGA等核心芯片工作。

3 AIC-OS操作系統(tǒng)

圖3 處理器模塊框圖

星載嵌入式操作系統(tǒng)AIC-OS是衛(wèi)星平臺的基本系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件在操作系統(tǒng)的支持下運行。

實際應(yīng)用時，AIC-OS提供基于多線程的任務(wù)框架代碼，優(yōu)先級從高到底分別為GNC應(yīng)用任務(wù)、測控及綜合管理任務(wù)、電源控制任務(wù)、熱控任務(wù)、背景維護(hù)任務(wù)。

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，對星載計算機(jī)的性能要求越來越高，而處理器是計算機(jī)的核心所在。SM750是一款高性能、低功耗微處理器。本文提出一種基于SM750的星載計算機(jī)設(shè)計方案，闡述了芯片SM750的特點、處理器模塊的設(shè)計方案以及星載計算機(jī)搭載的嵌入式系統(tǒng)AIC-OS，為高性能嵌入式星載計算機(jī)設(shè)計提供了一個方向，同時也響應(yīng)了航天元器件國產(chǎn)化的號召。