空間站有效載荷綜合處理單元設(shè)計(jì)研究

李 典,陳 穎,柴 霖

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引言

我國載人航天發(fā)展進(jìn)入新的歷史階段,為順應(yīng)天基信息技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),基于空間站國家空間實(shí)驗(yàn)室的定位要求[1-3],采用在空間站上搭載一種綜合化有效載荷的方法來對(duì)影響未來發(fā)展的新技術(shù)、新體制、新概念開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該有效載荷的主要特點(diǎn)是：①通過一種平臺(tái)滿足對(duì)地觀測(cè)、信息傳輸?shù)榷囝I(lǐng)域的新技術(shù)試驗(yàn)需求；②能與時(shí)俱進(jìn)地滿足在空間站的全壽命周期內(nèi)適應(yīng)任務(wù)需求的變化及新任務(wù)、新技術(shù)的插入；③確保任務(wù)規(guī)劃中已明確的功能應(yīng)用的部署。

按傳統(tǒng)的航天電子載荷實(shí)現(xiàn)方式[4-6],將按照功能獨(dú)立設(shè)計(jì)天線、信道及處理設(shè)備,這種方式占用平臺(tái)資源較多,資源利用效率低,并且由于體系架構(gòu)封閉,不具備開放性和擴(kuò)展性,無法滿足新技術(shù)持續(xù)滾動(dòng)試驗(yàn)的需要。

針對(duì)傳統(tǒng)航天電子載荷存在的不足,在空間站環(huán)境約束下,以“軟件定義”為設(shè)計(jì)理念,采用基于微系統(tǒng)天線陣列、高速傳輸與交換、高性能計(jì)算等技術(shù)為基礎(chǔ)的有效載荷架構(gòu)如圖1所示。在該有效載荷中主要通過綜合處理單元(Integrated Processing Unit,IPU)完成多種應(yīng)用功能的核心算法部署和執(zhí)行。為達(dá)到開放式綜合一體化處理的目標(biāo),本文重點(diǎn)從體系架構(gòu)、處理能力、傳輸能力和部署能力等方面對(duì)IPU進(jìn)行設(shè)計(jì),并最終完成原理樣機(jī)的測(cè)試驗(yàn)證。

圖1 空間站電子信息綜合應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of integrated electronic information application system in space station

2 IPU設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)有效載荷系統(tǒng)總體功能需求和資源需求的分析,IPU需要采用開放式的架構(gòu)[7],支持不小于6種應(yīng)用功能算法的部署,對(duì)外接口傳輸能力不小于600 Gbps,處理能力不小于1000 GFLOPS。針對(duì)上述需求,IPU采用高速信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)合通用信號(hào)處理模塊池硬件架構(gòu),如圖2所示。硬件由通用信號(hào)處理(FPGA密集型和DSP密集型)、對(duì)外接口、單元控制等模塊通過串行RapidIO總線[8-9]和高速數(shù)字光纖[10]進(jìn)行互連組成；軟件采用基于虛通道機(jī)制的分層架構(gòu)[11],由底層驅(qū)動(dòng)軟件、平臺(tái)軟件、RCM通信中間件和功能構(gòu)件等組成；結(jié)構(gòu)采用6U ASSAC標(biāo)準(zhǔn)模塊[12-13]和雙層機(jī)箱,占據(jù)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)II型載荷單元物理空間。

圖2 IPU架構(gòu)Fig.2 IPU architecture

硬件模塊具體連接關(guān)系是：單模光纖直接與FPGA信號(hào)處理模塊連接,FPGA信號(hào)處理模塊間以及與對(duì)外接口模塊間采用多模光纖互聯(lián),所有模塊之間通過串行RapidIO總線互聯(lián)(除二次電源模塊)。單個(gè)信號(hào)處理模塊的信號(hào)處理能力設(shè)計(jì)為100 GFLOPS。IPU的硬件型譜圖如圖3所示,總共包含18塊信號(hào)處理模塊,實(shí)際處理能力為1800 GFLOPS。

圖3 IPU硬件型譜Fig.3 Type spectrum of IPU hardware

IPU為實(shí)現(xiàn)與硬件無關(guān)的構(gòu)件化軟件開發(fā)和部署,采用基于虛通道機(jī)制的RCM通信中間件來設(shè)計(jì)軟件體系。采用分層思想,將軟件分為功能應(yīng)用層、系統(tǒng)框架層、通信服務(wù)層和平臺(tái)層。在同一節(jié)點(diǎn)部署的軟件的不同層之間通過API函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)信息交換。其軟件層次架構(gòu)如圖4所示。

IPU在整體結(jié)構(gòu)上采用標(biāo)準(zhǔn)模塊加綜合機(jī)架的形式,散熱方式采用機(jī)架液冷形式,如圖5所示。整個(gè)IPU包括機(jī)架結(jié)構(gòu)件、機(jī)架連接器、背板和可拆卸模塊,安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)II型載荷單元(426 mm×600 mm×331 mm)內(nèi)。綜合考慮 IPU體積、模塊功能及相互間的互聯(lián)關(guān)系等因素,所有模塊分2列排布,設(shè)置1個(gè)入水口和1個(gè)出水口,通過分匯流裝置,將液體工質(zhì)分為3塊冷板。IPU內(nèi)部模塊與前面板平行布置,分為2列安裝在3塊冷板之間,通過鎖緊裝置與機(jī)架冷板連接,模塊所需耗散的熱量通過傳導(dǎo)方式傳遞至安裝機(jī)架冷板。

為驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)措施的有效性,利用工具軟件建立分析模型,通過數(shù)字仿真計(jì)算,獲得IPU運(yùn)行典型功能時(shí),機(jī)箱、模塊和內(nèi)部芯片在真空、微重力環(huán)境下的溫度云圖如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出,IPU機(jī)箱框架上的凸臺(tái)溫度低于47℃,內(nèi)部模塊殼溫均低于55℃,最高出現(xiàn)在FPGA密集型通用信號(hào)處理模塊,其余模塊的殼體溫度均在50℃以下。內(nèi)部芯片溫度均低于62℃,最高溫度出現(xiàn)在電源模塊中。

圖4 IPU軟件架構(gòu)Fig.4 Software architecture of IPU

圖5 IPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.5 Structual design of IPU

圖6 IPU溫度云圖Fig.6 Temperature nephogram of IPU

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

為適應(yīng)高速數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和系統(tǒng)開放性靈活性的綜合需求,IPU主要通過光纖高速信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)和雙星型SRIO交換網(wǎng)絡(luò)這2種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通。

2.2.1 光纖高速信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)

有效載荷系統(tǒng)綜合孔徑單元采用數(shù)字陣列體制方案,在艙外完成射頻信號(hào)的收發(fā)和數(shù)字采樣,通過數(shù)字光纖完成信號(hào)的大容量、高速率的穿艙傳輸,然后在艙內(nèi)的綜合處理單元完成數(shù)字信號(hào)處理,要求艙外綜合孔徑單元與艙內(nèi)綜合處理單元之間有多達(dá)數(shù)百路信號(hào)的雙向高速傳輸,經(jīng)過計(jì)算,數(shù)據(jù)率高達(dá)600 Gbps。為達(dá)到該目標(biāo),IPU的光纖高速信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的總體拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖7所示,主要實(shí)現(xiàn)外部接口和內(nèi)部互聯(lián)。具體工作原理為：從艙外到艙內(nèi)的每路輸入模擬信號(hào)進(jìn)行A/D數(shù)字采樣和編碼產(chǎn)生的高速串行信號(hào),經(jīng)過單模光電/電光轉(zhuǎn)換及密集波分復(fù)用后通過4路DWDM光波長用光纖進(jìn)行傳輸,經(jīng)過光交換矩陣和EDFA放大后,進(jìn)入艙內(nèi)IPU,通過DWDM解波分復(fù)用和單模光電/電光轉(zhuǎn)換還原為4路串行電信號(hào),通過高速連接器傳輸至FPGA密集型信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理,再通過多模光電/電光轉(zhuǎn)換后傳輸至后續(xù)FPGA密集型通用信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理,最后通過多模光電/電光轉(zhuǎn)換后傳輸至對(duì)外接口模塊完成信號(hào)到DSP密集型信號(hào)處理模塊和其他單元的分發(fā)。從艙內(nèi)到艙外的輸出信號(hào)為上述過程的逆過程。

圖7 光纖高速信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.7 Topology of fiber optic high-speed signal transmission network

IPU對(duì)外接口為24路16DWDM光纖(12收12發(fā)),每路單波長光纖傳輸速率為3.125 Gbps,對(duì)外接口能力為12×16×3.125 Gbps=600 Gbps。為適應(yīng)功能算法信號(hào)傳輸需求,IPU內(nèi)部多模光纖速率設(shè)計(jì)為6.25 Gbps。

2.2.2 雙星型SRIO交換網(wǎng)絡(luò)

IPU支持開放性、可擴(kuò)展性設(shè)計(jì),其核心思想是當(dāng)新功能、新模塊插入時(shí),與先前的功能無關(guān),不對(duì)先前的功能造成任何影響,這就需要一種主要針對(duì)機(jī)箱內(nèi)部的系統(tǒng)互聯(lián)總線來完成各個(gè)處理節(jié)點(diǎn)間大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性的傳輸。IPU選用串行RapidIO總線作為互連總線,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。結(jié)合高速數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡和系統(tǒng)高可靠的要求,雙星型SRIO交換網(wǎng)絡(luò)采用高速點(diǎn)到點(diǎn)傳輸模式和雙星型架構(gòu),端口采用雙冗余備份方式,任何端口出現(xiàn)故障的時(shí)候都可以自動(dòng)切換到冗余端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā),不需要系統(tǒng)主控參與切換。IPU內(nèi)各處理模塊通過無源背板接入到RapidIO網(wǎng)絡(luò)交換模塊,再通過RapidIO網(wǎng)絡(luò)交換模塊與其它模塊互連,從而實(shí)現(xiàn)任意芯片間的互連。

圖8 雙星型SRIO交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭DFig.8 Topology of double-star SRIO switching network

2.3 多功能部署和重構(gòu)設(shè)計(jì)

IPU在有效載荷系統(tǒng)中主要完成多種應(yīng)用功能的核心算法部署和執(zhí)行,多功能部署和重構(gòu)是軟件定義功能的核心,需要采用藍(lán)圖技術(shù),從系統(tǒng)構(gòu)型特征、網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、冗余備份要求、可擴(kuò)展性要求、輸入輸出能力、資源最大處理能力、通用模塊物理接口約束、處理芯片接口和計(jì)算能力的約束條件以及單機(jī)、模塊、芯片功耗散熱的約束條件等多個(gè)維度進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

藍(lán)圖技術(shù)是一種自動(dòng)化產(chǎn)生綜合化系統(tǒng)完成特定功能所需配置信息的方法。設(shè)計(jì)師通過藍(lán)圖設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)頂層藍(lán)圖,產(chǎn)生運(yùn)行藍(lán)圖。頂層藍(lán)圖包括硬件藍(lán)圖、功能藍(lán)圖、重構(gòu)藍(lán)圖和部署藍(lán)圖；運(yùn)行藍(lán)圖安裝在目標(biāo)系統(tǒng)中,指示系統(tǒng)如何配置以完成特定的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師根據(jù)應(yīng)用功能的資源和接口需求、硬件平臺(tái)的運(yùn)算和傳輸能力,設(shè)定約束條件,在一定約束條件下擴(kuò)展出所有可行的部署藍(lán)圖,并通過測(cè)試驗(yàn)證后提供給系統(tǒng)管控。同時(shí),由系統(tǒng)重構(gòu)藍(lán)圖獲得系統(tǒng)在功能模式運(yùn)行下的所有狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,并根據(jù)最優(yōu)重構(gòu)算法自動(dòng)生成重構(gòu)決策代碼。最后將所有可以的部署藍(lán)圖和所有重構(gòu)決策代碼提供給系統(tǒng)管控,實(shí)現(xiàn)多功能動(dòng)態(tài)部署和重構(gòu),如圖9所示。

3 測(cè)試及結(jié)果

3.1 測(cè)試環(huán)境

為驗(yàn)證綜合處理單元總體架構(gòu)設(shè)計(jì)合理性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅?、多功能部署和重?gòu)可實(shí)現(xiàn)性,對(duì)一套對(duì)外接口傳輸能力為600 Gbps,處理能力為1800 GFLOPS的原理樣機(jī)的網(wǎng)絡(luò)鏈路性能和具體功能部署能力進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試條件為常溫實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,參與測(cè)試的儀器設(shè)備情況見表1,測(cè)試環(huán)境主要分為IPU原理樣機(jī)(圖10(a))、光纖鏈路測(cè)試環(huán)境(圖10(b))、多功能部署重構(gòu)測(cè)試環(huán)境(圖10(c))。

圖9 多功能部署和重構(gòu)實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.9 Flow chart of multi-functional deployment and refactoring implementation

表1 參試設(shè)備儀器和工具Table 1 Test equipment and tools

圖10 IPU測(cè)試環(huán)境圖Fig.10 Test environment of IPU

3.2 測(cè)試方法

測(cè)試項(xiàng)目1。光纖高速信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)和雙星型SRIO交換網(wǎng)絡(luò)互連拓?fù)浼八俾蕼y(cè)試。測(cè)試方法：IPU上電完成后,通過網(wǎng)絡(luò)掃描工具測(cè)試互連拓?fù)?；再通過FPGA回環(huán)和光譜分析儀測(cè)試光纖連通性、傳輸速度、誤碼率和波長；最后通過FPGA回環(huán)和高速差分示波器在背板測(cè)試SRIO傳輸速率和傳輸質(zhì)量。

測(cè)試項(xiàng)目2。測(cè)試2個(gè)功能線程在IPU的部署,確保功能線程的連通測(cè)試。測(cè)試步驟為：①對(duì)IPU原理樣機(jī)建模形成物理藍(lán)圖；②根據(jù)功能A、B的算法流程形成功能藍(lán)圖；③根據(jù)算法所需的運(yùn)算資源和網(wǎng)絡(luò)吞吐能力,確定需要加載應(yīng)用組件的硬件模塊,形成部署藍(lán)圖；④自動(dòng)生成XML格式的運(yùn)行藍(lán)圖,完成系統(tǒng)藍(lán)圖部署。最后,通過多次重復(fù)測(cè)試完成6種功能部署和重構(gòu)測(cè)試。

3.3 結(jié)果分析

經(jīng)過測(cè)試,IPU主要功能性能指標(biāo)如表2所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出,IPU原理樣機(jī)SRIO網(wǎng)絡(luò)入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為44個(gè),按照1個(gè)FPGA密集型模塊2個(gè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng),1個(gè)DSP密集型信號(hào)處理模塊3個(gè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)計(jì)算,總共有10塊FPGA密集型模塊和8塊DSP密集型信號(hào)處理模塊正常上電入網(wǎng),則IPU的處理能力為1800 GFLOPS；IPU原理樣機(jī)有6塊FPGA密集型信號(hào)處理模塊正常入網(wǎng),且模塊對(duì)外單模光纖鏈路速率3.125 Gbps,則IPU對(duì)外接口速率達(dá)到600 Gbps；IPU能夠通過藍(lán)圖技術(shù)完成6種功能的部署和重構(gòu),則系統(tǒng)為芯片級(jí)互聯(lián)的開放式架構(gòu)。

表2 綜合處理單元測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of IPU

4 結(jié)論

該綜合處理單元綜合化程度高、傳輸和處理能力強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了軟件定義功能,靈活性好,能有效解決空間載荷處理能力與綜合任務(wù)需求之間的矛盾,在實(shí)現(xiàn)多功能綜合化處理的同時(shí),有效節(jié)約系統(tǒng)資源。IPU可廣泛應(yīng)用于航天電子綜合化設(shè)計(jì)中,并對(duì)航天飛行器一體化設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)意義。