高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：闡述了32位嵌入式處理器S698體系架構(gòu)、功能，SOC設(shè)計(jì)，著重介紹了S698 IP核在平臺(tái)計(jì)算中的高可靠設(shè)計(jì)及在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：S698 IP核；SOC；高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)；FPGA；航天應(yīng)用

引言

　　隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)控制的要求也越來越高，需要具備更高的反應(yīng)速度和更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。在航天領(lǐng)域，一旦控制發(fā)生錯(cuò)誤，將會(huì)造成難以估計(jì)的損失。因此，如何提高控制的可靠性是長(zhǎng)期以來的一個(gè)重要問題。本文介紹了SOC應(yīng)用方式的一種實(shí)際開發(fā)方案，重點(diǎn)討論了平臺(tái)計(jì)算機(jī)的高可靠性的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)主要任務(wù)

　　本高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)主要完成以下主要任務(wù)：實(shí)時(shí)錄取慣性測(cè)量?jī)x表輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)角增量和視速度增量；接收機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)給出的初始位置、速度以及姿態(tài)數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)接收定位衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)完成制導(dǎo)、姿控方程的運(yùn)算，按照控制律及制導(dǎo)律要求，對(duì)采集的信息進(jìn)行變換、綜合，形成控制/制導(dǎo)指令，控制舵機(jī)；集成1553B總線通信功能，進(jìn)行總線通信與控制；4路D/A輸出姿態(tài)控制指令；具有8級(jí)可屏蔽中斷；通過1553B接口與地面計(jì)算機(jī)通信，進(jìn)行信息交換；提供三個(gè)帶光電隔離的RS422接口。

　　平臺(tái)計(jì)算機(jī)采用FPGA + S698 IP核 的方案（簡(jiǎn)稱SOC），以歐比特公司的S698 IP核做為主CPU，另外再把1553B總線控制器、VME總線控制器、3個(gè)帶FIFO的UART整合在一起。體現(xiàn)了歐比特公司S698 IP核靈活、優(yōu)越性能。并且支持多操作系統(tǒng)。采用SOC設(shè)計(jì)節(jié)省昂貴的流片費(fèi)用、增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、方便修改、大大縮短設(shè)計(jì)開發(fā)的周期。
　　
高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)

　　高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)功能框圖示于圖1。

圖1  高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)功能框圖

　　高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)采用FPGA＋S698 IP核的SOC形式實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA采用ALTERA公司Cyclone系列EP1C20。

　　高性能的S698 IP核作為內(nèi)核，集成了大量的外圍設(shè)備，并將這些所有的模塊全部集成到一個(gè)FPGA器件當(dāng)中，降低了整個(gè)板級(jí)系統(tǒng)的成本，縮小了板級(jí)系統(tǒng)的體積，器件等級(jí)選用工業(yè)級(jí)以上器件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　S698 IP核的功能框圖示于圖2。

圖2  S698 IP核功能框圖

　　S698 IP核特點(diǎn)如下：內(nèi)部使用了5級(jí)流水線，SPARC V8指令集；硬件乘法器和除法器；支持2條DSP指令(MAC & UMAC)；浮點(diǎn)運(yùn)算：雙精度（64位）；具有分開的指令和數(shù)據(jù)cache結(jié)構(gòu)（哈佛結(jié)構(gòu)），可以根據(jù)需求靈活的配置cache的容量，大小范圍是1－64kbyte；片上總線規(guī)范使用了AMBA2.0規(guī)范，支持APB,和AHB標(biāo)準(zhǔn)；外設(shè)可裁減，包括UART，定時(shí)器，中斷控制器，存儲(chǔ)器管理單元，I/O端口,看門狗等；采用AMBA AHB／APB總線結(jié)構(gòu)的用戶設(shè)計(jì)新模塊，可以很容易加入到S698 IP核中，完成用戶的定制應(yīng)用；集成調(diào)試支持單元（DSU），支持硬件調(diào)試功能。

　　高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)板具有如下硬件資源：FPGA(集成S698、1553B、VME IP核)；1553B部分；VME部分；4MB FLASH；4MB SRAM；4路+10V～-10V，12位DA輸出；3路光電隔離RS422，其中2路具有16字節(jié)FIFO，1路1K字節(jié)FIFO；頻標(biāo)頻率可配置；定時(shí)器；8級(jí)中斷；FPGA提供JTAG、AS接口；1路UART；DSU(硬件調(diào)試單元)。

S698 IP核高可靠設(shè)計(jì)

　　為了適用于航空航天的高可靠性應(yīng)用，S698 IP核采用多層次的容錯(cuò)策略；奇偶校驗(yàn)、TMR(三模冗余)寄存器、片上EDAC(檢錯(cuò)和糾錯(cuò))、流水線重啟、強(qiáng)迫Cache不命中等。盡管現(xiàn)在幾乎所有CPU都有一些常規(guī)的容錯(cuò)措施，如奇偶校驗(yàn)、流水線重啟等，像IBM S／390 G5還采用了寫階段以前的全部流水線復(fù)制技術(shù)。IntelItanium采用的混合ECC和校驗(yàn)編碼等技術(shù)；但遠(yuǎn)沒有S698 IP核那樣，采用如此全面的容錯(cuò)措施。

　　S698 IP核將時(shí)序(存儲(chǔ))單元的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)作為數(shù)字容錯(cuò)的主要內(nèi)容，根據(jù)時(shí)序邏輯的不同特點(diǎn)和性質(zhì)，采用了不同的容錯(cuò)技術(shù)和手段。

　　1） Cache的容錯(cuò)。大的Cache對(duì)高性能CPU來說是至關(guān)重要的，而且位于處理器的關(guān)鍵(時(shí)間)通路上。為了減少復(fù)雜性和時(shí)間開銷，錯(cuò)誤檢測(cè)的方法采用2位的奇偶校驗(yàn)位，l位用作奇校驗(yàn)，l位偶校驗(yàn)，因此可以檢查所有的錯(cuò)誤情況，在讀Cache的同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)校驗(yàn)出錯(cuò)誤，強(qiáng)制Cache丟失，并從外部存儲(chǔ)去獲取數(shù)據(jù)。

　　2） 處理器寄存器文件的錯(cuò)誤保護(hù)。寄存器文件是處理器內(nèi)部的寄存器堆，內(nèi)部的寄存器對(duì)于指令的運(yùn)行速度和用戶程序設(shè)計(jì)的靈活程度都是很重要的。內(nèi)部寄存器的使用頻率很大，其狀態(tài)的正確性是也很關(guān)鍵。S698 IP核采用1、2奇偶校驗(yàn)位和(32.7)BCH校驗(yàn)和進(jìn)行容錯(cuò)。

　　3） 觸發(fā)器的錯(cuò)誤保護(hù)。處理器的2500個(gè)觸發(fā)器均采用三模冗余的方式進(jìn)行容錯(cuò)，通過表決器來決出正確的輸出。

硬件高可靠設(shè)計(jì)

　　3個(gè)RS422接口和1553B接口是系統(tǒng)對(duì)外接口，RS422采用光電隔離，工作時(shí)以光作為媒介來傳遞信息，無觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，響應(yīng)速度快，輸入和輸出在電氣上是完全隔離的，采用了高等級(jí)隔離電源，給光耦單獨(dú)供電，抗干擾能力強(qiáng)。

　　1553B是一種具有可確定性的、傳輸可靠的數(shù)據(jù)總線，為雙冗余設(shè)計(jì)，廣泛地應(yīng)用于不同的軍事平臺(tái)(航空系統(tǒng)、地面車輛系統(tǒng)、艦艇系統(tǒng)) 系統(tǒng),已經(jīng)發(fā)展成國(guó)際公認(rèn)的數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)。

　　底板數(shù)據(jù)總線為VME（VersaModule Eurocard），VME總線是一種通用的計(jì)算機(jī)總線它定義了一個(gè)在緊密耦合（closely coupled）硬件構(gòu)架中可進(jìn)行互連數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和連接外圍控制器件的系統(tǒng)。經(jīng)過多年的改造升級(jí)，VME系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的非常完善，圍繞其開發(fā)的產(chǎn)品遍及了工業(yè)控制、軍用系統(tǒng)、航空航天、交通運(yùn)輸和醫(yī)療等領(lǐng)域。

整體的可靠性設(shè)計(jì)

　　SPARC 微處理器最突出的特點(diǎn)就是它的可擴(kuò)展性，這是業(yè)界出現(xiàn)的第一款有可擴(kuò)展性功能的微處理器，它的無窮擴(kuò)展能力能夠應(yīng)付各種變化的數(shù)據(jù)處理要求。具有高結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，容錯(cuò)及程序保護(hù)等設(shè)計(jì)。由于其獨(dú)到的性能，在航天領(lǐng)域得到了青睞。由于采用SOC方式，內(nèi)部集成度高，外部擴(kuò)展工作少，此本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力；同時(shí)通過外部硬件電路以及軟件的抗干擾設(shè)計(jì)，平臺(tái)計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)非常高的可靠性。

RS422

　　3個(gè)UART控制器在SOC 中實(shí)現(xiàn)，通過RS422收發(fā)芯片將LVTTL電平轉(zhuǎn)換為RS422電平，其中1路RS422帶接收/發(fā)送中斷。

　　UART1 具有16 byte的FIFO,可產(chǎn)生中斷，取數(shù)后，清中斷，并同時(shí)清空FIFO。UART2 具有1K byte的FIFO,數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)由獨(dú)立管理器管理，不占用CPU時(shí)間。UART3 具有16 byte的FIFO，可產(chǎn)生中斷。

　　采用RS422總線接口，最大傳輸距離：1000m。為了提高抗干擾能力和較高的EMI防護(hù)性能，采用了光電隔離方式，提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

頻標(biāo)和5ms中斷

　　頻標(biāo)和5ms中斷功能在SOC中實(shí)現(xiàn)。頻標(biāo)默認(rèn)頻率1ms，兼容TTL電平，50％占空比。在SOC中可通過配置不同的值輸出不同頻率的頻標(biāo)，其啟動(dòng)和關(guān)閉均可由軟件操作相應(yīng)寄存器來控制。

　　5ms定時(shí)器模塊用于產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求，默認(rèn)周期為5ms，其啟動(dòng)和關(guān)閉均可由軟件操作相應(yīng)寄存器來控制。

1553B部分

　　1553B總線與S698 IP核集成在一起，在SOC中實(shí)現(xiàn)。傳輸速度為每秒1M比特，字的長(zhǎng)度為20個(gè)比特，數(shù)據(jù)有效長(zhǎng)度為16個(gè)比特，信息量最大長(zhǎng)度為32個(gè)字，傳輸方式為半雙工方式，傳輸協(xié)議為命令/響應(yīng)方式，故障容錯(cuò)有典型的雙冗余方式，第二條總線處于熱備份狀態(tài)；可通過軟件配置實(shí)現(xiàn)3個(gè)不同的終端，有總線控制器（BC）、遠(yuǎn)置終端（RT）和總線監(jiān)聽器（BM）；信息格式有BC到RT、RT到BC、RT到RT、廣播方式和系統(tǒng)控制方式；能掛31個(gè)遠(yuǎn)置終端，傳輸媒介為屏蔽雙絞線，總線耦合方式采用直接耦合方式。平臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了完整的1553B總線的通訊，其包括BC、RT、BM，其功能、通信以及操作方式同BU－6158X芯片基本一致。一片能實(shí)現(xiàn)1553B功能的專用芯片DDC61580價(jià)格不菲，而且全面依賴進(jìn)口。全面依賴進(jìn)口的產(chǎn)品用在特殊領(lǐng)域也不適合，而我們?cè)谝豢钚詢r(jià)比很高的FPGA里就實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)DDC61580同樣的功能。

　　1553B總線控制器的主機(jī)接口有兩種：APB和AHB。主機(jī)（即SPARC V8處理器）通過APB接口（包括輸入總線APBI和輸出總線APBO）訪問寄存器，通過AHB接口（包括輸入總線AHBI和輸出總線AHBO）訪問存儲(chǔ)器。Manchester CODEC 的輸出/輸入為互補(bǔ)曼徹斯特碼，碼速率為1Mbps。信號(hào)RXA、RXAN、TXA、TXAN、TXAEN、RXB、RXBN、TXB、TXBN和TXBEN為1553B總線控制器同外置收發(fā)器芯片的接口信號(hào)。

　　本計(jì)算機(jī)平臺(tái)可以通過對(duì)1553B控制器寄存器進(jìn)行配置，可以分別實(shí)現(xiàn)BC、RT、BM的功能?？梢造`活應(yīng)用在不同的場(chǎng)合。

VME部分

　　VME總線是一種應(yīng)用較為普遍的計(jì)算機(jī)接口總線，技術(shù)成熟。目前國(guó)內(nèi)外很大一部分的星載計(jì)算機(jī)并行總線都采用VME總線結(jié)構(gòu)。VME總線是一種高速、異步并行數(shù)據(jù)傳輸總線，可在非多路、32位數(shù)據(jù)和地址通路上支持八位、十六位和三十二位的傳輸，通訊協(xié)議是異步和全掛鉤方式的。它包括的功能模塊有：主模塊、從模塊、中斷模塊和中斷管理模塊，另外還有兩個(gè)模塊：總線定時(shí)模塊和IACK菊花鏈驅(qū)動(dòng)模塊輔助上述各個(gè)功能模塊。

　　本平臺(tái)計(jì)算機(jī)VME總線控制器在SOC中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)VME總線，VME總線信號(hào)從SOC出來后，經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)電路，輸出到背板連接器?？偩€芯片采用74ALVC164245，實(shí)現(xiàn)3.3V ～ 5V電平轉(zhuǎn)換。VME接口與底板連接器有96個(gè)引腳，排列成三排，每排32引腳。VME控制器掛接在處理器外部存儲(chǔ)控制器總線上，映射的區(qū)域?yàn)镮/O區(qū)，為其分配的地址區(qū)域?yàn)椋?x24000000～0x24FFFFFF，共16M空間。

D/A轉(zhuǎn)換模塊

　　D/A轉(zhuǎn)換模塊由以下三部分組成：D/A轉(zhuǎn)換芯片、基準(zhǔn)、運(yùn)放。12位D/A轉(zhuǎn)換精度，可輸出4路+10V～-10V電壓

軟件編程

　　S698 IP核可以支持ucLinux，RTEMS，Vxworks等多種操作系統(tǒng)；也可不使用操作系統(tǒng)，支持標(biāo)準(zhǔn)C編程。而且開發(fā)了Linux和Windows下圖形化集成開發(fā)環(huán)境，支持流行的調(diào)試方法；開發(fā)環(huán)境支持離線仿真調(diào)試和目標(biāo)板在線調(diào)試。

結(jié)語

　　這種高可靠平臺(tái)計(jì)算機(jī)，不再采用體積大、笨重而又功耗巨大的處理器芯片(如DSP)，而是直接將S698 IP核放進(jìn)FPGA。同時(shí)在硬件、軟件以及制板布線等方面采用多種提高系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)措施。系統(tǒng)將大部分的處理功能硬件化，利用FPAG的豐富資源，將整個(gè)系統(tǒng)放入一片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)。其中的S698 IP核進(jìn)行控制管理和一些必須的計(jì)算處理。這樣的一款國(guó)產(chǎn)的高性能的處理器，具有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，應(yīng)用在一些特殊的領(lǐng)域，對(duì)于國(guó)家安全來說尤為重要。S698 IP核在性能上也絕不遜色于其他同類處理器，豐富的外設(shè)，為用戶搭建了一個(gè)芯片級(jí)的高可靠計(jì)算機(jī)平臺(tái)，使用起來極為方便。

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