一種宇航用智能計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)*

滕樹(shù)鵬 沈奇 劉攀 高宗彥 葉曦

（上海航天電子技術(shù)研究所/八院智能計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，201109）

隨著衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)的日益完善，星載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的高速化、智能化逐漸成為星載計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在星載智能計(jì)算機(jī)架構(gòu)中，所有數(shù)據(jù)均需通過(guò)星地鏈路下傳后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，這樣就需要能夠覆蓋全球的地面測(cè)控站，而這是難以做到的。為了能夠及時(shí)獲取所有有效信息，需要能夠在星上對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，通過(guò)星間鏈路將重要信息發(fā)送至能夠與地面通信的衛(wèi)星上，再向地面下傳。這也是宇航用智能計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)需求背景。

1 宇航用計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)宇航用智能計(jì)算機(jī)的需求背景分析，智能計(jì)算機(jī)架構(gòu)中應(yīng)包含：①高性能處理器；②能夠兼容不同載荷輸入的非標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊；③能夠提供快速裝備的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口模塊；④能夠?qū)Υ幚頂?shù)據(jù)和處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的存儲(chǔ)模塊；⑤對(duì)外發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的處理模塊；⑥根據(jù)需要可能存在的對(duì)重要星間或數(shù)傳信息進(jìn)行加密的加密模塊。

在本設(shè)計(jì)架構(gòu)下采用層疊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，各模塊功能描述見(jiàn)表1，信息流如圖2所示。

圖1 智能計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)

表1 智能計(jì)算機(jī)各模塊功能

圖2 智能化計(jì)算機(jī)信息流程圖設(shè)計(jì)

2 二次電源模塊設(shè)計(jì)

二次電源模塊主要提供將星上一次電源供電轉(zhuǎn)換為單機(jī)內(nèi)5V電源，電源模塊應(yīng)該具備以下功能：①軟啟動(dòng)電路，降低單機(jī)上電浪涌；②過(guò)流保護(hù)功能，若單機(jī)內(nèi)模塊異常導(dǎo)致電流異常增加，應(yīng)關(guān)閉一次電源，并且在重新上電后能恢復(fù)供電；③保險(xiǎn)絲保護(hù)功能，若單機(jī)內(nèi)出現(xiàn)不能恢復(fù)的硬件故障則應(yīng)熔斷保險(xiǎn)絲，保證單機(jī)損壞不會(huì)影響整星供電；④良好的散熱特性。根據(jù)以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)電源模塊設(shè)計(jì)框圖。

3 固存模塊設(shè)計(jì)

固存模塊是本單機(jī)的重要組成部分，為處理器運(yùn)行模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)處理前后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。固存模塊選用了freescale公司的低功耗PowerPC為主要處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)采用風(fēng)云翼輝操作系統(tǒng)，文件系統(tǒng)采用EXT2，文件的檢索基于文件系統(tǒng)及文件信息列表的方式實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)介質(zhì)采用加固型固態(tài)硬盤(pán)。

固存模塊設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行雙硬盤(pán)讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。PowerPC可提供雙SATAII標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，單盤(pán)理論最大傳輸速度2.5Gbps。同時(shí)PowerPC對(duì)外可提供雙1Giga以太網(wǎng)接口。PowerPC采用DDR進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，PowerPC與接口模塊之間采用PCIe 2.0×4（Gen1）接口通信，理論最大速度為10Gbps。模塊采用自定義VPX高速內(nèi)總線(xiàn)接口。

主控芯片選用NXP公司的PowerPC P1022NSE2LFB，該芯片詳細(xì)性能指標(biāo)[1]：①雙核e500v2高性能PowerPC；②提供256Kbyte帶ECC二級(jí)緩存；③雙10/100/1000Mbps千兆MAC；④高速串行總線(xiàn)兩組，一組雙接口高速串行總線(xiàn)，一組四接口串行總線(xiàn) （共六路高速串行總線(xiàn)最高速度 3Gbps）；⑤支持 64bits DDR2/DDR3接口同時(shí)支持8bitsECC校驗(yàn)；⑥可編程中斷接口；⑦雙四通道DMA控制器。

4 接口模塊設(shè)計(jì)

接口模塊主要提供非標(biāo)接口轉(zhuǎn)換功能，兼有高速數(shù)據(jù)緩存功能。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)TLK2711雙接口峰值3.2Gbps數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)3路LVDS數(shù)據(jù)各50M數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)DDRII進(jìn)行1GB數(shù)據(jù)緩存。接口模塊還實(shí)現(xiàn)了與固存模塊的PCIe接口，PCIe接口主要負(fù)責(zé)將所有對(duì)外的非標(biāo)接口數(shù)據(jù)傳遞給固存模塊。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。接口模塊主控采用Xilinx公司的XC7K410T-2FBG900I FPGA。

5 網(wǎng)絡(luò)交換及AOS處理模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)交換及AOS處理模塊，主要包含兩部分主要功能：①與載荷和計(jì)算機(jī)星內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信，并將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給固存模塊；②接收固存模塊上傳的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行AOS格式化，并根據(jù)信息頭判斷是否進(jìn)行加密處理，若不進(jìn)行加密處理則直接發(fā)給編碼調(diào)制器，若需加密則發(fā)給加密模塊加密后轉(zhuǎn)發(fā)。

本模塊是分布式系統(tǒng)中的重要組成部分，主要由 FPGA、DSP、PHY、DDR、FLASH等硬件構(gòu)成。FPGA主要用于完成AOS處理，DSP完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理及信息流的控制等工作。硬件設(shè)計(jì)上備了一路千兆網(wǎng)絡(luò)以及一塊DSP。其中掛接在FPGA上的DDR目前也是備用器件。本模塊主要完成以太網(wǎng)交換功能，可完成8路百兆及兩路千兆以太網(wǎng)交換。

圖3 接口模塊硬件拓?fù)鋱D

6 母板設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)器母板用于將各個(gè)模塊的內(nèi)部并行總線(xiàn)接口信號(hào)通過(guò)走線(xiàn)連接起來(lái)，是連接各模塊電信號(hào)的重要單元。母板各插槽使用統(tǒng)一接插件，各模塊在母板的槽位分配和接插件選用如圖5所示。

我們通過(guò)對(duì)宇航用星載智能計(jì)算機(jī)架構(gòu)的背景及需求進(jìn)行分析，總結(jié)星載智能計(jì)算機(jī)應(yīng)具備的性能，并針對(duì)所列舉性能設(shè)計(jì)了一種完整的星載計(jì)算機(jī)架構(gòu)，對(duì)所設(shè)計(jì)的架構(gòu)進(jìn)行了模塊化分析。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行實(shí)物研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外通信接收數(shù)據(jù)總速度超過(guò)3.2Gbps，發(fā)送總速度450Mbps。本系統(tǒng)運(yùn)行Linux及翼輝操作系統(tǒng)并運(yùn)行自制應(yīng)用軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)、回放及實(shí)時(shí)通信轉(zhuǎn)發(fā)等功能。