基于某PowerPC處理器的機載顯示平臺設計與實現(xiàn)

張光輝 竇愛萍 航空工業(yè)西安航空計算技術研究所 李駿 陸裝駐西安地區(qū)航空軍代室

引言

機載顯示系統(tǒng)可以為飛行員提供作戰(zhàn)環(huán)境、機身狀態(tài)等重要信息，對順利完成作戰(zhàn)任務具有重要意義。本文基于可視化導航信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了機載顯示平臺的設計與驗證。顯示平臺以PowerPC7xxx作為核心處理器，VME作為總線標準，其設計符合通用化與系列化的思想，并具有良好的通用性、可重構性和擴展性。實驗表明該顯示平臺的性能能夠滿足當前系統(tǒng)的需求。

1 顯示平臺系統(tǒng)設計方法

作為機載座艙的顯示設備，顯示平臺是領航員或飛行員獲取三維地圖、導航信息、地圖漫游、控制指令、近地告警和進近著陸等信息的重要來源，可為飛機導航提供有力數(shù)據(jù)支持。

1.1 顯示平臺系統(tǒng)需求分析

為滿足可視化導航系統(tǒng)的需求，顯示平臺要同時實現(xiàn)導航數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)綜合處理、三維導航參數(shù)實時顯示、航線圖以及飛機位置顯示等功能。

1.2 系統(tǒng)架構設計

根據(jù)可視化系統(tǒng)的設計要求，顯示平臺的設計需實現(xiàn)高性能顯示處理，大容量存儲，高速信號處理等技術。顯示平臺按照模塊化的理念進行設計，劃分為CPU模塊、圖形加速器模塊、存儲器模塊、電源模塊以及接口模塊等。系統(tǒng)構成如圖1所示：

圖1 顯示平臺系統(tǒng)構成

2 顯示平臺的硬件設計

CPU模塊主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。CPU模塊通過PMC背板形式連接存儲器模塊、圖形加速模塊，通過VME總線與多功能接口模塊進行通訊。

2.1 CPU模塊設計

2.1.1 CPU 模塊組成

CPU模塊主要由以下幾個單元組成，分別是：PowerPC7xxx處理器、主橋單元、PMC單元、時鐘單元、PCI單元、以太網(wǎng)單元、存儲單元、接口單元、時鐘單元、USB接口單元、供電單元等。

2.1.2 技術難點

通過對系統(tǒng)需求進行分析，顯示平臺CPU模塊設計研制過程所涉及的關鍵技術如下：

1) CPU橋接解決處理器與其他外設的互聯(lián)；

2) PCI總線解決系統(tǒng)內模塊間的通信問題，提高各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸速率，降低研制成本與研制周期；

3) PMC標準的多功能子板的擴展，解決視頻、存儲與接口等多種功能的擴展問題；

4)以太網(wǎng)解決系統(tǒng)調試和接口通信問題；

2.1.2.1 處理器選擇

PowerPC處理器具有RISC體系架構，其優(yōu)點是低功耗、高速度、強算力。

考慮其在成本、功耗、運算速度等方面具有的優(yōu)勢和廣泛的第三方軟件支持率，本文選擇了PowerPC G4系列主機處理器中的MPC7xxx作為顯示平臺的核心處理器。

2.1.2.2 處理器橋接器

處理器橋接器采用某橋接器。其功能有：一個高性能存儲控制器（支持雙處理器），兩通道的DMA控制器，I/O消息控制器，中斷控制器等。

2.1.2.3 存儲單元

本單元由NVRAM、SDRAM、Flash存儲器組成，主要完成動態(tài)與靜態(tài)數(shù)據(jù)的存儲，F(xiàn)lash用于存儲驅動和應用程序，完成系統(tǒng)的啟動；SDRAM存儲系統(tǒng)運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；NVRAM存儲系統(tǒng)BOOT等數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^橋接器對存儲器進行訪問。

2.1.2.4 千兆以太網(wǎng)接口

該橋接器內部集成有10MB/100MB/1000MB的MAC接口，采用某PHY接口芯片，實現(xiàn)物理層通訊。本設計在接口復位時將其配置為RGMII模式，支持IEEE802.3標準。兩個接口由1.5V電源和2.5V電源獨立供電，上拉電阻缺省值均為30Ω。

2.1.2.5 USB 接口

為了方便地面加載地圖數(shù)據(jù)，CPU模塊中設計了USB接口用于地面加載數(shù)據(jù)，大大簡化了地面加載設備的復雜度。USB控制器采用某公司的某型號USB控制器。該USB控制芯片提供了用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜CI總線接口。

2.1.2.6 復位

CPU模塊采用單個5V電源進行供電，電源轉換器可以提供+5V到1.8V、1.2V、1.1V、2.5V、3.3V 的電源轉換。復位包括軟件復位和硬件復位。

2.1.2.7 CPU 電源設計

CPU模塊輸入電源為+5V；處理器PC7xxx核心電壓為1.1V，接口電壓為1.8V；DDR2電壓為1.8V，其他器件電壓為3.3V；橋接器的核心電壓為1.2V，接口電壓為1.8V；FPGA 芯片電壓為2.5V。

2.1.2.8 中斷控制器

CPU模塊采用某橋接器內的中斷控制器來實現(xiàn)獨立的中斷，中斷可以根據(jù)中斷源的特點設置中斷的優(yōu)先級、電平有效方式及中斷向量。中斷的優(yōu)先級可以通過軟件進行設置。

2.1.2.9 VME 總線接口

VME總線橋接器采用某公司的某總線橋接芯片，支持66MHz的PCI總線或133MHz的PCI-X總線，數(shù)據(jù)寬度可以為32位，實現(xiàn)VME空間到PCI空間的映射。

2.1.2.1 0 可編程控制邏輯

模塊中采用某FPGA芯片作為可編程控制芯片，可實現(xiàn)復位、中斷、寄存器、計數(shù)器、串口、看門狗、外設的片選和譯碼等功能。

2.2 存儲器模塊設計

2.2.1 基本硬件配置

存儲器模塊主要完成地圖數(shù)據(jù)的存儲。模塊由存儲陣列、PCI接口電路與FPGA邏輯控制組成。存儲區(qū)單元是由16片NAND Flash組成的64GB存儲陣列。

2.2.2 FPGA 控制邏輯

采用某公司的某可編程邏輯芯片來完成存儲器模塊的控制以及存儲陣列的地址、數(shù)據(jù)和命令的處理。FPGA內部邏輯的主要功能是實現(xiàn)NAND Flash的讀寫功能的操作控制。

2.3 GPU顯示模塊設計

圖形顯示中的顯示速度和圖形質量是需要關注的兩個主要方面。圖像實時顯示需要處理器有著很高的運算速度。顯示卡為西安航空工業(yè)計算所自行開發(fā)，圖形處理器采用某公司研制開發(fā)的某顯示芯片，其處理速度高，并支持OpenGL圖形接口標準，顯存空間大。

2.4 IO模塊設計

IO模塊及模塊內的 I/O 接口由DSP處理器進行控制與管理。I/O模塊與CPU模塊之間通過雙口存儲器進行數(shù)據(jù)與命令交換。

3 顯示平臺軟件設計與實現(xiàn)

顯示平臺系統(tǒng)的軟件由地面支持軟件、應用軟件以及系統(tǒng)軟件組成。

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是用來運行、開發(fā)和調試相關的應用程序。其中包含引導程序、BIT程序、驅動程序以及操作系統(tǒng)。

3.1.1 引導程序

系統(tǒng)上電后先根據(jù)離散量的不同狀態(tài)執(zhí)行相關分支的引導程序，以此來進行地面維護、進行地面調試以及空中運行。

3.1.2 操作系統(tǒng)軟件

操作系統(tǒng)軟件主要功能模塊有：任務管理、中斷管理、通信管理、存儲管理、周期任務管理等。

3.1.3 驅動程序

驅動程序是硬件的驅動軟件，以庫的形式供用戶調用，包括網(wǎng)口驅動、FLASH驅動、顯卡初始化驅動、OpenGL驅動、看門狗驅動、中斷管理驅動、PCI驅動、電子盤驅動和VME驅動程序等。

3.2 地面支持軟件

地面支持軟件包括集成開發(fā)環(huán)境和在線編程軟件。

3.3 應用軟件

應用軟件實現(xiàn)空間導航、控制飛行、處理存儲、數(shù)據(jù)管理、地圖漫游等功能。

4 結語

基于PowerPC7xxx處理器的顯示平臺系統(tǒng)具有強實時性，高吞吐率，強擴展性的特點。其豐富而全面的接口設計方便用戶的開發(fā)和應用，且功能及性能均可滿足用戶的要求，使用過程中具有高可靠性和高穩(wěn)定性。機載顯示平臺的設計和實現(xiàn)具有非常重要的應用價值。