詹盼盼 郭廷源 高建軍 孫勇

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

國外衛(wèi)星系列的成功發(fā)射表明，衛(wèi)星從組裝建造到發(fā)射的時間已從傳統(tǒng)模式的數(shù)月縮短至以小時為單位，并且隨著空間技術(shù)的提高和應(yīng)用需求的擴展，對衛(wèi)星進行在軌維修、硬件更換、功能升級等在軌服務(wù)的需求越來越急迫［1］，而實現(xiàn)星載計算機上述在軌服務(wù)的關(guān)鍵是設(shè)備模塊的通用化和產(chǎn)品化。為了降低成本，實現(xiàn)按需發(fā)射和快速響應(yīng)的目標，國內(nèi)外在模塊化衛(wèi)星的性能定義和設(shè)計復(fù)雜性方面進行了積極研究［2-4］，結(jié)果表明，模塊化設(shè)計的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在接口設(shè)計［5］和驅(qū)動實現(xiàn)上。

目前，國內(nèi)的星載計算機系統(tǒng)普遍使用基于可擴展處理器體系結(jié)構(gòu)（Scalable Processor Architecture，SPARC）V7 的TSC695F 處理器，其性能較低，如處理器主頻只有11 MHz、無緩存（Cache）支持等，而且長期依賴于進口，無法滿足星載計算機系統(tǒng)日益復(fù)雜的需求和實現(xiàn)自主化研制的需要。另一方面，這些星載計算機系統(tǒng)由于硬件結(jié)構(gòu)非標準化和軟件驅(qū)動不通用（無法實現(xiàn)硬件自動配置且地址空間各異）的限制，設(shè)備模塊不能在不同計算機之間進行通用替換，難以實現(xiàn)星載計算機的即插即用功能和產(chǎn)品化生產(chǎn)。

為改變這一現(xiàn)狀并且考慮衛(wèi)星對高性能處理器的需求，本文在研究設(shè)備模塊通用化和外圍組件互連（PCI）總線驅(qū)動的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種即插即用星載計算機系統(tǒng)，采用我國自主研制的基于SPARC V8體系結(jié)構(gòu)的BM3803處理器，能夠適應(yīng)星載計算機復(fù)雜任務(wù)處理和在軌服務(wù)及快速組裝的需求，可為星載計算機應(yīng)用BM3803處理器和實現(xiàn)即插即用功能提供借鑒。

2 BM3803處理器簡介

BM3803處理器是基于SPARC V8 體系結(jié)構(gòu)的32 位精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）嵌入式處理器，可用于空間環(huán)境使用的嵌入式實時計算機系統(tǒng)，能夠滿足各種航天應(yīng)用的功能以及性能指標要求，只要加上存儲器和與應(yīng)用相關(guān)的外圍電路，就可以構(gòu)成完整的單板計算機系統(tǒng)［6］。

BM3803處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，芯片內(nèi)部包含整數(shù)處理單元、浮點處理單元、獨立的指令和數(shù)據(jù)緩存（Cache）、硬件乘法器和除法器、中斷控制器、帶有跟蹤緩沖器的硬件調(diào)試支持單元、兩個24位定時器、通用輸入輸出（I／O）接口、“看門狗”、能夠支持可編程只讀存儲器（PROM）、靜態(tài)存儲器（SRAM）、動態(tài)存儲器（SDRAM）和I／O 映射空間訪問的存儲器控制器，具有軟件可以控制的省電工作模式，具有可實現(xiàn)PCI主機橋和從屬橋功能的PCI控制器。

本文基于BM3803 處理器支持PCI總線的特性，克服傳統(tǒng)星載計算機非標準化和不能通用的限制，設(shè)計了一個采用PCI標準總線作為底板總線的星載計算機硬件結(jié)構(gòu)，各個設(shè)備模塊均遵循標準PCI總線的機械、電氣和邏輯規(guī)范；并且設(shè)計一種統(tǒng)一的設(shè)備識別、地址空間動態(tài)分配和訪問方法，在物理上和軟件驅(qū)動上實現(xiàn)設(shè)備模塊的即插即用和通用化功能。

圖1 BM3803處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Inside structure of BM3803processor

3 星載計算機系統(tǒng)硬件設(shè)計

3．1 設(shè)計原則與目標

本文將一個設(shè)備模塊（或稱為硬件模塊、硬件板）作為一個在軌更換單元（ORU）。為了提升通用化程度，針對星載計算機系統(tǒng)硬件設(shè)計，遵從以下設(shè)計原則。

（1）模塊化設(shè)計原則：綜合星載計算機的特點，根據(jù)功能設(shè)計相應(yīng)模塊，通過靈活組合這些功能模塊，構(gòu)成滿足特定功能的星載計算機系統(tǒng)；

（2）采用標準化接口：在星載計算機的設(shè)計中采用標準化接口，提高計算機系統(tǒng)的通用化程度，不同的計算機之間可以共用這些標準化功能模塊；

（3）可擴展設(shè)計：通過采用PCI標準底板總線，使計算機具備良好的可擴展性。

3．2 硬件結(jié)構(gòu)

即插即用星載計算機系統(tǒng)是按照模塊化和標準化的設(shè)計思想進行設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中供電模塊為整機提供二次電源，將其他模塊按功能劃分，每個功能模塊作為一個ORU，包括中央處理單元（CPU）控制模塊、總線通信模塊、遙測遙控模塊和其他功能擴展模塊等，除CPU 控制模塊外的其他模塊可以自由組合。這些模塊通過PCI標準總線進行通信，每個模塊之間是相互獨立的，不依賴于其他模塊。

圖2 即插即用星載計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Hardware structure of plug-and-play on-board computer system

根據(jù)BM3803處理器手冊［6］和PCI規(guī)范［7-8］，一級PCI 總線上最多可支持7 個PCI 設(shè)備模塊。CPU 控制模塊作為PCI總線的主控模塊，其他模塊為從屬模塊，每個模塊板上含有一個PCI橋芯片以支持PCI協(xié)議規(guī)范。下文對每個模塊的功能和實現(xiàn)進行說明。

（1）供電模塊：實現(xiàn)了整機加斷電控制，并且提供其他功能模塊所需的二次電源。星載計算機系統(tǒng)在每一個功能模塊上對二次供電進行分區(qū)，采用限流器對每個電源分區(qū)提供電源并且進行電流檢測和限流保護。

（2）CPU 控制模塊：采用BM3803處理器作為CPU，BM3803 PCI接口配置為主機橋（Host Bridge）模式，在軟件的配合下，配置和訪問總線上的其他PCI設(shè)備，并為這些設(shè)備提供總線仲裁。CPU 控制模塊是即插即用星載計算機系統(tǒng)的核心，軟件驅(qū)動運行在該模塊上，完成對其他功能模塊的自動化識別和配置。

（3）總線通信模塊：包括一個或者多個1553B總線芯片，實現(xiàn)以1553B總線控制器或遠程終端的方式進行通信?？偩€通信模塊的PCI控制器工作在從模式，由于BM3803支持的從PCI中斷源數(shù)量有限，當有多個總線芯片工作時，采用分立元件實現(xiàn)多路1553B總線中斷源的合并及識別，每個中斷源狀態(tài)可分別清除。

（4）遙測遙控模塊：實現(xiàn)遙控數(shù)據(jù)注入、指令接收和遙測輸出等通用功能，可采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）實現(xiàn)為一個標準化遙測遙控模塊，在FPGA 中實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。PCI控制器工作在從模式，通過外部先進先出緩沖區(qū)（FIFO）或者內(nèi)部FIFO 與FGPA 進行數(shù)據(jù)交換。

（5）功能擴展模塊：可以根據(jù)計算機的特定功能進行設(shè)置，最多可設(shè)置3個，比如可以實現(xiàn)為存儲功能模塊、復(fù)接功能模塊、飛行控制模塊、SpaceWire總線通信模塊和以太網(wǎng)模塊等。擴展模塊上包括一個工作在從模式的PCI控制器與CPU 控制模塊通信，當有多個中斷信號時，需要對多個中斷源進行合并。

4 即插即用驅(qū)動軟件設(shè)計

4．1 設(shè)備模塊自動識別方法

即插即用星載計算機系統(tǒng)使用BM3803處理器內(nèi)置的PCI控制器與PCI底板總線上的其他設(shè)備模塊進行通信。即插即用驅(qū)動軟件是一個通用驅(qū)動軟件，運行于處理器上，通過控制BM3803處理器的PCI接口，實現(xiàn)其他設(shè)備模塊的自動識別和數(shù)據(jù)交互，多個設(shè)備模塊的自動識別過程如下。

（1）設(shè)備模塊的發(fā)現(xiàn)和標識。驅(qū)動軟件通過設(shè)置處理器的映射寄存器，分別讀取各個設(shè)備模塊的PCI配置頭信息，包括設(shè)備標識和廠商標識信息，作為設(shè)備的唯一標識。每個設(shè)備模塊物理上均有一個卡槽地址，驅(qū)動軟件通過遍歷卡槽地址讀取設(shè)備模塊的配置信息，并且記錄到一張設(shè)備配置表中，以后對設(shè)備的每次訪問均對該表進行操作，從而屏蔽了不同設(shè)備模塊的差異，使得對設(shè)備模塊的訪問統(tǒng)一為對設(shè)備配置表的讀寫。設(shè)備配置表是實現(xiàn)自動識別和即插即用功能的關(guān)鍵，主要包括設(shè)備識別（ID）、設(shè)備狀態(tài)、卡槽地址、基地址、基地址類型和基地址長度等元素。

（2）確定設(shè)備空間類別和容量要求。PCI配置頭中包括6個基地址寄存器，驅(qū)動軟件通過讀取基地址寄存器查明各設(shè)備模塊需要的空間類別，并向該基地址寄存器全部寫1，然后讀取基地址寄存器的值。由于硬件接地，在讀回的值中包括的零的個數(shù)反映了設(shè)備所需要的空間。

（3）分配基地址。基地址的容量確定后，驅(qū)動軟件在存儲空間中為這片空間分配一個基地址，即設(shè)備的訪問地址，并且將分配的起始地址寫回PCI空間的基地址寄存器。

驅(qū)動軟件通過上述方法可以識別各個設(shè)備模塊的類別，并且通過訪問本地存儲空間即可訪問到其他設(shè)備模塊，包括發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)。驅(qū)動軟件定時每20ms遍歷所有設(shè)備模塊和更新設(shè)備配置表，保證設(shè)備模塊的動態(tài)添加和刪除。通過這種方式，所有設(shè)備模塊均可作為本地存儲空間進行統(tǒng)一訪問，當計算機系統(tǒng)增加或者更換新的設(shè)備模塊時，無需更改處理程序，而且各個設(shè)備模塊在機箱內(nèi)的位置可以不固定，提高了設(shè)備的通用性和靈活性，在硬件和軟件上支持設(shè)備模塊的自動識別和即插即用特性。

4．2 中斷復(fù)用方案

由于BM3803處理器只提供了4個外部中斷和一個PCI中斷，對于應(yīng)用比較復(fù)雜的系統(tǒng)，中斷接口數(shù)量不能滿足要求，需要對中斷進行復(fù)用。即插即用星載計算機系統(tǒng)由于采用PCI總線作為底板總線，掛接在PCI總線上的設(shè)備模塊上的中斷源均可掛接在處理器的PCI中斷上，因此多個設(shè)備模塊要實現(xiàn)中斷復(fù)用需要在軟件上進行設(shè)計。驅(qū)動軟件設(shè)計的中斷復(fù)用處理方式分為兩個方面，一是單一設(shè)備模塊的中斷復(fù)用，二是多設(shè)備模塊的中斷復(fù)用。

驅(qū)動軟件處理單一設(shè)備的中斷復(fù)用由設(shè)備模塊自身的中斷服務(wù)程序完成。單一設(shè)備復(fù)用中斷，驅(qū)動程序?qū)旖釉谥付ǖ闹袛嗵柹?，可以在中斷服?wù)程序中檢查所有該類型的設(shè)備或者由硬件給出中斷狀態(tài)，以確定中斷的來源并對產(chǎn)生中斷的設(shè)備服務(wù)。

對于多個設(shè)備模塊復(fù)用一個PCI中斷的情況，本文的方案是為PCI中斷掛接一個中斷服務(wù)管理程序，并且設(shè)計一個保存復(fù)用中斷服務(wù)程序入口地址的中斷服務(wù)鏈表，當產(chǎn)生中斷后，中斷服務(wù)管理程序依次遍歷該鏈表，檢查設(shè)備模塊的中斷狀態(tài)，如果某設(shè)備模塊有中斷，則進入該設(shè)備模塊的中斷處理。

星載計算機中有多個設(shè)備模塊，每個設(shè)備模塊存在多個中斷源，通用星載計算機系統(tǒng)分兩個層面對這些中斷進行復(fù)用，避免了將所有設(shè)備模塊的多個中斷源都掛接在一個中斷服務(wù)程序的處理方式，使得各個設(shè)備模塊的中斷處理程序保持獨立。本方案實現(xiàn)了一種統(tǒng)一的鏈式中斷處理方法，具有較強的靈活性和可擴展性，當設(shè)備模塊加入新的中斷源時，新的中斷服務(wù)程序被自動加入到中斷鏈中，支持中斷服務(wù)程序的即插即用能力。

4．3 設(shè)備模塊訪問方法

系統(tǒng)識別設(shè)備模塊后，應(yīng)用軟件與設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)交互方式有兩種：一種是通過內(nèi)存映射的方式進行訪問，即通過讀寫設(shè)備配置表中的基地址的方式來訪問，這種方式與內(nèi)存訪問方式類似，一次可以讀寫一個字節(jié)、一個字或者一個雙字；另一種是通過直接存儲器訪問（DMA）方式進行訪問，通過調(diào)用驅(qū)動軟件提供的接口，應(yīng)用軟件可以一次性地將大塊數(shù)據(jù)從設(shè)備模塊讀出或者寫入。DMA 方式分為同步方式和異步方式：同步方式是啟動DMA 發(fā)送后將自己阻塞，等待DMA 中斷返回數(shù)據(jù)傳輸完成后才能進行下一步操作；異步方式是啟動DMA 發(fā)送后立即進行后續(xù)操作，不必等待數(shù)據(jù)傳輸完成。

這兩種訪問方式的區(qū)別在于：內(nèi)存映射方式將設(shè)備模塊當作本地內(nèi)存進行多次訪問，每次訪問均占用CPU 的運行時間；而DMA 方式是一次性數(shù)據(jù)通信，通信過程不占用CPU 的運行時間。兩種訪問方式具有不同的應(yīng)用場景，DMA 方式具有較高的傳輸性能，當需要大量數(shù)據(jù)傳輸而且對性能要求較高時可以使用DMA 方式；當數(shù)據(jù)量較小，比如對設(shè)備模塊進行配置時可以使用內(nèi)存映射方式。

5 設(shè)計應(yīng)用及性能分析

通過使用BM3803 處理器和實現(xiàn)通用PCI總線驅(qū)動，該設(shè)計可以適應(yīng)星載計算機應(yīng)用需求不確定和設(shè)備模塊不確定的情況。如表1所示，以衛(wèi)星上的中央處理單元、高速數(shù)據(jù)復(fù)接器、大容量存儲器、星載網(wǎng)絡(luò)路由器為例，說明該設(shè)計各功能模塊的通用性和快速組裝能力。

表1 通用設(shè)備模塊在星載計算機系統(tǒng)中的復(fù)用關(guān)系Table 1 Reuse relationship between general equipment modules and on-board computer systems

表1列出了通用設(shè)備模塊與星載計算機之間的復(fù)用關(guān)系，“√”表示此設(shè)備模塊可以在該星載計算機中使用，“×”表示此設(shè)備模塊不能在該星載計算機中使用。其中CPU 控制模塊、總線通信模塊、存儲模塊和以太網(wǎng)模塊均可以在這4 類計算機中復(fù)用，而復(fù)接模塊和SpaceWire通信模塊的復(fù)用程度也很高，表明在不修改硬件設(shè)計和軟件驅(qū)動的情況下，不同的星載計算機可以復(fù)用相同的設(shè)備模塊；通過自由選擇和組裝不同的設(shè)備模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)星載計算機系統(tǒng)的快速組裝能力。

在當前星載應(yīng)用中，處理器訪問1553B 總線的效率是星載計算機系統(tǒng)的一個重要指標，計算機系統(tǒng)除了完成總線數(shù)據(jù)的收發(fā)外，還需要實現(xiàn)其他復(fù)雜計算和處理過程。如果總線流量較大，占用處理器的時間過多，必然會對其他任務(wù)造成影響。本文將即插即用星載計算機系統(tǒng)訪問總線通信模塊的性能與傳統(tǒng)計算機進行了對比，如圖3所示。

圖3 總線訪問時間對比Fig．3 Comparison of bus access time

圖3是對不同總線通信流量下，分別使用本文設(shè)計的設(shè)備模塊訪問方式和傳統(tǒng)訪問方式時，總線消息從內(nèi)存搬移至總線芯片到發(fā)送完成的時間進行了對比，從圖3中可以看出，本文設(shè)計的系統(tǒng)向總線通信模塊讀寫數(shù)據(jù)的時間遠遠小于傳統(tǒng)方式，向總線通信模塊讀寫數(shù)據(jù)和發(fā)送完成的時間也小于傳統(tǒng)方式。測試結(jié)果表明，使用本文的設(shè)備模塊訪問方式具有更高的性能，對設(shè)備模塊的訪問時間遠遠小于傳統(tǒng)訪問方式。

從上文的分析可以看出，基于BM3803處理器的即插即用星載計算機系統(tǒng)，通過采用標準PCI總線將星載計算機硬件模塊化、標準化，并且實現(xiàn)一種設(shè)備自動識別和支持DMA 方式訪問的通用軟件驅(qū)動，不僅大大降低了外部硬件設(shè)備的訪問時間，而且實現(xiàn)了星載計算機的即插即用特性，新的設(shè)備模塊可以自由增加或者替換到計算機系統(tǒng)中，而無需對硬件和驅(qū)動軟件做任何修改。本設(shè)計支持多個設(shè)備模塊在不同計算機之間復(fù)用，能夠?qū)崿F(xiàn)硬件板級的產(chǎn)品化生產(chǎn)，使得復(fù)雜星載計算機系統(tǒng)具備快速組裝能力。

6 結(jié)束語

隨著空間技術(shù)的發(fā)展和未來大量衛(wèi)星建設(shè)的需要，對星載計算機設(shè)計構(gòu)成了挑戰(zhàn)，而模塊化和即插即用技術(shù)能夠確保星載計算機各設(shè)備模塊隨時取用，一旦有需求，可以將它們快速組裝起來，并發(fā)射升空。本文在研究BM3803 處理器和PCI驅(qū)動軟件的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種即插即用星載計算機系統(tǒng)，支持設(shè)備模塊在多個衛(wèi)星內(nèi)部甚至衛(wèi)星之間的復(fù)用。本文的方法具有較強的模塊化、通用化特點，不僅提高了設(shè)備模塊的訪問性能，而且可以實現(xiàn)設(shè)備模塊的產(chǎn)品化生產(chǎn)和即插即用功能，更好地滿足未來衛(wèi)星研制的要求。

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