CN109388608A - 一种基于多核处理器的星载计算机 - Google Patents

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凌幸华
徐雪莲
余涛
许红梅
吴�琳
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Abstract

本发明提供了一种基于多核处理器的星载计算机，包括：主处理单元：执行多任务调度和数据处理，通过通信总线对FPGA控制单元、存储单元和通信单元进行管控和资源分配；FPGA控制单元：产生系统控制信号，对存储单元进行管理和使用；存储单元：执行程序和数据的校验、存储；通信单元：包括至少一种所述通信总线。本发明数据处理能力大大提升，并保证星载计算机的高可靠性。实现空间环境要求下的计算处理、数据存储、任务，并可提供多种高速总线接口，通过配套软件实现星载计算机的高效数据处理、存储、传输等功能。

Description

一种基于多核处理器的星载计算机
技术领域
本发明涉及航天电子设备领域，具体地，涉及一种基于多核处理器的星载计算机。
背景技术
随着航天任务的复杂性不断提高，对星载计算机的数据处理能力的要求不断提高。同时，国产高性能处理器的航天应用为星载计算机的安全、自主提供了保障。而目前可用于星载计算机的国产处理器普遍处理能力在100MIPS左右，存在以下几点缺陷：
1)星载计算机实时数据处理效率低；
2)星载计算机实时存储和传输数据容量小；
3)星载计算机在中高轨条件下常工作持续工作时间短。
因此，目前的国产星载计算机难以满足日益提高的星上任务要求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多核处理器的星载计算机。
根据本发明提供的一种基于多核处理器的星载计算机，包括：
主处理单元：执行多任务调度和数据处理，通过通信总线对FPGA控制单元、存储单元和通信单元进行管控和资源分配；
FPGA控制单元：产生系统控制信号，对存储单元进行管理和使用；
存储单元：执行程序和数据的校验、存储；
通信单元：包括至少一种所述通信总线。
较佳的，所述主处理单元上运行有：
引导软件：执行包括硬件设备初始化、存储区自纠自检以及应用程序软件的加载和重构；
应用程序软件：包括按位三取二表决和实时按页回写纠错功能，执行包括总线通信协议初始化以及多任务调度。
较佳的，所述主处理单元为抗辐射CPU。
较佳的，FPGA控制单元上运行有：
控制软件：执行包括存储数据、译码控制、复位控制和通信接口控制。
较佳的，所述存储单元包括：SRAM、FLASH、DDR2SDRAM和SDRAM。
较佳的，FLASH通过FPGA控制单元托管，SDRAM作为FPGA控制单元的数据缓冲区；
SRAM地址分配在SRAM区，主处理单元按照32位访问；FLASH地址分配在I/O区，主处理单元按照32位访问；DDR2SDRAM地址分配在DDR2区，主处理单元按照32位访问。
较佳的，所述通信单元包括：1553B总线、CAN总线、LVDS总线、Space Wire总线，以及Rapid I/O总线。
较佳的，还包括与所述主处理单元连接的：倍/分频电路、时钟电路和复位电路。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)计算机处理能力大大提高，相较其他星载计算机常用处理器，处理能力提高一个数量级；
2)具有多种通信接口和高速总线，通信能力较高；
3)抗辐射指标TID≥300kRad(Si)，免SEL，具有较强的抗SEU/SET能力和SEU/SET保护功能，抗辐照能力较强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明FPGA控制单元的示意图；
图3为本发明与现有星载计算机的性能对比。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种基于多核处理器的星载计算机，包括：硬件产品和配套软件，其中硬件部分由主处理单元1、FPGA控制单元2、存储单元3和通信单元4组成，软件部分包括引导软件、控制软件和应用程序软件。
主处理单元采用具有抗辐照指标的CPU(欧比特的S698PM)，主要负责多任务调度和数据处理，通过总线对FPGA控制单元、存储单元和通信单元进行管控和资源分配；
FPGA控制单元采用SRAM型FPGA芯片(XILINX的Virtex-5系列)，主要负责产生系统控制信号，对存储单元进行管理和使用，另外还负责对各通信接口的控制；
存储单元包括静态随机存储区(SRAM区)、缓冲/备份闪存区(NOR FLASH)和动态随机存储区(DDR2SDRAM)，主要负责程序和数据的校验、存储；
通信单元包括高可靠的MIL-STD-1553B通讯总线、CAN总线，以及SPACEWIRE、LVDS、RAPIDIO等其他高速总线。
引导软件运行于主处理单元上，负责硬件设备初始化、存储区自纠自检以及应用程序软件的加载和重构等。
应用程序软件运行于主处理单元上，具备按位三取二表决和实时按页回写纠错功能，负责总线通信协议初始化以及多任务调度等，另外支持用户软件自定义。
控制软件运行于FPGA控制单元上，负责存储数据、译码控制、复位控制、通信接口控制等。
如图2所示，FPGA控制单元功能包括系统复位控制、LVDS通信控制、RAPIDIO通信控制、译码控制，以及存储数据。
系统复位控制产生整板复位信号，外部复位、上电复位，以及CPU输出的看门狗狗叫信号输入FPGA，经逻辑电路相与后产生系统复位信号，输出给CPU及其他板上需要复位的器件。
FPGA支持LVDS总线对外通信，每路LVDS包括门控信号、时钟信号、数据信号；门控信号高有效时，传输数据在时钟信号的上升沿存入接收缓冲区，数据经压缩算法处理，存入发送缓冲区后通过LVDS总线发出，LVDS通信速率可达112Mbps。
FPGA支持RAPIDIO总线通信，RAPIDIO控制由FPGA自带的IP核完成，通信速率为100Mbps到3.75Gbps。
FPGA外挂FLASH及SDRAM存储芯片，FPGA可直接对其进行存储访问，用于存取各通信总线上的传输数据；也可通过CPU对其进行读写操作，用于存储应用程序等，通过CPU读写存储器时由FPGA完成译码控制等功能。
如图3所示为本发明与现有星载计算机的性能比较。比较的测试方法为：采用C程序中内嵌汇编代码的形式，汇编代码为循环执行特定指令，采用定时器记录循环执行所需要的时间，然后取平均值即为执行单条指令所需要的时间。测试时，BM3803主频为66MHz，S698PM主频为66MHz，AT697主频为66MHz，TSC695主频为14MHz，S698PM在测试时只使用了单核。
从测试结果可发现，S698PM指令执行速度远高于其他现有星载计算机的处理器。
在本实施例中，FPGA单元选用SRAM型FPGA芯片(XILINX的XC5VFX130T-1FF1738C)，主要负责产生系统控制信号，对存储单元进行管理和使用，另外还负责对各通信接口的控制。
存储单元包括SRAM、FLASH、DDR2SDRAM、SDRAM、PROM。其中FLASH以及PROM通过FPGA托管，SDRAM作为FPGA的数据缓冲区。存储器SRAM地址分配在SRAM区，CPU按照32位访问。存储器FLASH地址分配在I/O区，CPU按照32位访问。存储器DDR2SDRAM地址分配在DDR2区，CPU按照32位访问。
通信单元包括1553B总线、CAN、LVDS、Space Wire，以及Rapid I/O。1553B接口芯片选用HOLTIC公司的HI-1573PSI芯片。单电源3.3V供电，兼容MIL-STD-1553A&B。1553B接口使用1553B面板插座DK-621-0440-4P及DK-621-0440-4S。CAN接口芯片选用型号为PCA82C250，外部接口与主控芯片通过光耦隔离，有效提供电路可靠性，最大波特率为500KPS/S。CAN信号端口采用标准的DB9插座方式。LVDS接口芯片选用TI公司的SN65LVDS31D和SN65LVDS32D。传输速率112Mbps。LVDS信号端口采用标准的DB9插座方式。Space Wire接口芯片选用TI公司的SN65LVDS31D和SN65LVDS32D。支持400Mbps速率传输。Space Wire信号端口采用标准的DB9插座方式，相邻通道可以互通测试，检验电路是否正常。Rapid I/O通过FPGA内部硬核实现，对外接口通过跨接针在底板上引出。
星载计算机结构形式为半包式，结构件表面进行导电氧化处理，尺寸为233.35mm×160mm×20.32mm，重量为900g。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于多核处理器的星载计算机，其特征在于，包括：
主处理单元：执行多任务调度和数据处理，通过通信总线对FPGA控制单元、存储单元和通信单元进行管控和资源分配；
FPGA控制单元：产生系统控制信号，对存储单元进行管理和使用；
存储单元：执行程序和数据的校验、存储；
通信单元：包括至少一种所述通信总线。
2.根据权利要求1所述的基于多核处理器的星载计算机，其特征在于，所述主处理单元上运行有：
引导软件：执行包括硬件设备初始化、存储区自纠自检以及应用程序软件的加载和重构；
应用程序软件：包括按位三取二表决和实时按页回写纠错功能，执行包括总线通信协议初始化以及多任务调度。
3.根据权利要求1所述的基于多核处理器的星载计算机，其特征在于，所述主处理单元为抗辐射CPU。
4.根据权利要求1所述的基于多核处理器的星载计算机，其特征在于，FPGA控制单元上运行有：
控制软件：执行包括存储数据、译码控制、复位控制和通信接口控制。
5.根据权利要求1所述的基于多核处理器的星载计算机，其特征在于，所述存储单元包括：SRAM、FLASH、DDR2SDRAM和SDRAM。
6.根据权利要求5所述的基于多核处理器的星载计算机，其特征在于，FLASH通过FPGA控制单元托管，SDRAM作为FPGA控制单元的数据缓冲区；
SRAM地址分配在SRAM区，主处理单元按照32位访问；FLASH地址分配在I/O区，主处理单元按照32位访问；DDR2SDRAM地址分配在DDR2区，主处理单元按照32位访问。
7.根据权利要求1所述的基于多核处理器的星载计算机，其特征在于，所述通信单元包括：1553B总线、CAN总线、LVDS总线、Space Wire总线，以及Rapid I/O总线。
8.根据权利要求1所述的基于多核处理器的星载计算机，其特征在于，还包括与所述主处理单元连接的：倍/分频电路、时钟电路和复位电路。
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