◆李喬楊 沈 華 張子明

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 陜西 710068；2.中國(guó)人民解放軍 5720工廠 安徽241007)

0 引言

綜合化航電系統(tǒng)在聯(lián)合式航電系統(tǒng)綜合化的基礎(chǔ)上，將綜合化向深度推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、顯示控制、數(shù)據(jù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)融合等方面的綜合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了任務(wù)處理區(qū)和數(shù)據(jù)處理區(qū)的資源共享。系統(tǒng)綜合化的提高對(duì)處理器模塊的性能提出了越來(lái)越高的要求。提高處理器主頻所帶來(lái)的功耗及發(fā)熱量呈幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，芯片運(yùn)行不穩(wěn)定的情況突出。綜合化航電系統(tǒng)在重量、體積、功耗、可靠性方面苛刻的要求，單處理器的處理能力瓶頸日益顯現(xiàn)。

基于PowerPC7447A處理器和Tsi109-200IL橋接芯片本文提出一種通用的處理平臺(tái)可以用于完成飛機(jī)航電系統(tǒng)中如任務(wù)管理、顯示控制、數(shù)據(jù)融合、和數(shù)據(jù)計(jì)算等功能。該平臺(tái)符合VME底板總線標(biāo)準(zhǔn)，配備PMC標(biāo)準(zhǔn)接口，易于擴(kuò)展。是一種高性能的COTS（商用貨架產(chǎn)品）產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)概述

該處理平臺(tái)包括兩個(gè)獨(dú)立的處理單元（節(jié)點(diǎn)），主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)。每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)采用一片處理器芯片和一片Tsi109-200IL橋接器芯片組成核心電路。PCI總線作為處理平臺(tái)的內(nèi)總線連接兩個(gè)處理節(jié)點(diǎn)和其他接口電路，主節(jié)點(diǎn)作為PCI總線的主控完成PCI總線的初始化和仲裁。Tsi148芯片是VME總線的主控制器，它作為從設(shè)備連接在PCI總線上。平臺(tái)符合VME底板總線標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)VME總線與航電系統(tǒng)的其他設(shè)備連接。平臺(tái)提供兩個(gè)PMC標(biāo)準(zhǔn)接口，可以按應(yīng)用需求選裝MBI子卡、固態(tài)電子盤子卡、高速串行總線子卡、顯卡模塊等提供豐富擴(kuò)展功能。圖1為安裝MBI子卡，提供1553B總線接口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。處理平臺(tái)上兩個(gè)處理單元共享一套電源轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，在本設(shè)計(jì)中, 每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)擁有獨(dú)立的總線控制器、主存儲(chǔ)器、FLASH 存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)口、串行接口等多種通信接口和中斷控制器等處理器外圍電路。

圖1 處理平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 處理器簡(jiǎn)介

CPU芯片采用Freescale公司的PowerPC7447A處理器。該處理器是 PowerPC 系列處理器中的第四代高性能的 RISC處理器（G4），其內(nèi)部集成了11個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元和3組寄存器，32kB指令Cache和32kB數(shù)據(jù)Cache，內(nèi)部集成512KB 的L2Cache ；整型數(shù)據(jù)類型支持8,16,和32位；浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型支持32和64位；64bit數(shù)據(jù)寬度，36bit地址寬度系統(tǒng)接口，最大工作頻率1670MHz，直接尋址空間 4GB，配備功耗和熱管理單元和 JTAG測(cè)試接口。

2.2 橋接器簡(jiǎn)介

橋接器采用Tundra公司Tsi109-200IL芯片，溫度范圍-40℃～85℃，橋接器集成存儲(chǔ)器控制器提供 PowerPC74XX處理器到PCI總線的接口，橋接器內(nèi)部包含了一個(gè)高性能的存儲(chǔ)器控制器、一個(gè)中斷控制器、一路消息控制器、一個(gè)時(shí)鐘鎖相環(huán)電路等。

2.3 單節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)

處理平臺(tái)的每個(gè)單元具有獨(dú)立的存儲(chǔ)器電路，Tsi109集成的HLP總線接口和SDRAM總線接口作為存儲(chǔ)器電路的控制器。

（1）DDR2 SDRAM

每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供72位數(shù)據(jù)寬度（其中8位為ECC校驗(yàn)位）256Mbyte的DDR2 SDRAM，工作頻率為200MHz。DDR2采用5片MT47H32M16BN-5EIT芯片以位擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)，其中1片實(shí)現(xiàn)8-bit的ECC校驗(yàn)。

（2）Boot FLASH

每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)提供32位寬度32Mbytes的Boot FLASH存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)模塊上電引導(dǎo)程序，模塊加電自檢（PUBIT）程序，Vxworks操作系統(tǒng)核心代碼映像。Boot FLASH存儲(chǔ)器采用2塊SPANSION公司的S29GL256P10TFI010芯片以位擴(kuò)展方式實(shí)現(xiàn)。芯片工作電壓為3.3V，封裝為56引腳的TSOP，容量為32Mbytes，支持整片擦寫，扇區(qū)寫保護(hù)等。

（3）User FLASH

每個(gè)處理單元提供32位寬度32Mbytes的USER FLASH存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)應(yīng)用程序。USER FLASH存儲(chǔ)器采用2片SPANSION公司的S29GL256P10TFI010以位擴(kuò)展方式實(shí)現(xiàn)。

（4）NVSRAM

每個(gè)處理單元上提供32位寬度128KB的NVSRAM，電路采用4片STK公司的STK14C88-3NF45I芯片以位擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)。每片內(nèi)有32KB的SRAM和32KB的EEPROM，8位數(shù)據(jù)寬度，工作電壓為3.3V。NVSRAM用于掉電數(shù)據(jù)保護(hù)，掉電時(shí)利用大容量鉭電容的電能由SRAM中的數(shù)據(jù)寫入EEPROM中，上電時(shí)自動(dòng)從EEPROM寫入SRAM中,恢復(fù)掉電時(shí)的數(shù)據(jù)。

2.4 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

模塊采用+5V電源供電，內(nèi)部芯片工作電壓比較復(fù)雜。處理器內(nèi)核電壓為1.1V，接口電壓為1.8V，Tsi109的內(nèi)核電壓為1.2V，接口電壓為1.8V和3.3V，DDR2 SDRAM芯片工作電壓為1.8V，參考電壓為0.9V，F(xiàn)PGA的內(nèi)核電壓為2.5V，接口電壓為3.3V，其它芯片均為5V或3.3V電壓輸入。

2.5 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

該模塊復(fù)位電路輸入包括上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、軟件復(fù)位、JTAG復(fù)位。復(fù)位電路控制邏輯采用FPGA內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)，主要的復(fù)位信號(hào)包括PCI復(fù)位、整板復(fù)位等。

2.6 PCI總線電路設(shè)計(jì)

PCI總線電路主要包括本地PCI總線、PCI-VME 橋和PMC 接口的設(shè)計(jì)。

（1） 本地PCI總線和PMC接口

主處理單元的Tsi109-200IL芯片作為PCI 本地總線的主控制器，實(shí)現(xiàn)32bit、64位66MHz 的PCI總線，PCI從設(shè)備有從處理節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)PMC設(shè)備，Tsi148芯片。

平臺(tái)提供兩個(gè)PMC接口,可同時(shí)安裝兩個(gè)PMC子卡，具備良好的可擴(kuò)展性。接口均支持66MHz 32bit位寬PCI接口標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)PMC接口提供4個(gè)不同優(yōu)先級(jí)PCI中斷，供用戶靈活使用。

（2）PCI-VME橋

VME總線橋接器采用TUNDRA公司Tsi148-133IL芯片，芯片溫度范圍：-40℃-+85℃，456PBGA封裝，3.3VIO電壓，1.8 核心電壓。支持66MHz的PCI總線或133MHz 的PCI-X 總線，數(shù)據(jù)寬度可以為32位或64位。提供兩路可編程DMA 控制器，具備中斷處理能力，豐富的寄存器支持，IEEE1149.1 接口。

在該設(shè)計(jì)中，Tsi148配置為32位/66MHz的PCI總線，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)PCI總線訪問(wèn)Tsi148芯片，訪問(wèn)VME總線。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

該處理平臺(tái)的每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)有獨(dú)立的軟件配置，軟件包括：boot程序，測(cè)試程序，BSP驅(qū)動(dòng)程序，嵌入式操作系統(tǒng)，上層應(yīng)用軟件等。

3.2 軟件接口

為保證處理平臺(tái)的通用性和兼容性，其軟件裝載Vxworks653和Vxworks5.5兩種操作系統(tǒng)，均具備良好的實(shí)時(shí)性和可靠性。

為方便系統(tǒng)使用，該平臺(tái)配備應(yīng)用數(shù)據(jù)加載接口，使用該加載接口軟件，通過(guò)以太網(wǎng)接口將應(yīng)用軟件或者數(shù)據(jù)，以批量方式導(dǎo)入和燒寫，提升用戶使用效率。

4 測(cè)試驗(yàn)證

該處理平臺(tái)在某型飛機(jī)任務(wù)管理與顯示子系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，在該系統(tǒng)中平臺(tái)處理器運(yùn)行速度降頻為600MHz。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于雙PowerPC7447A處理器和Tsi109橋接器提出了一種采用PCI總線作為內(nèi)部互聯(lián)，滿足VME底板總線標(biāo)準(zhǔn)，具有多個(gè)PMC擴(kuò)展接口的高性能、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠性、低功耗的機(jī)載通用處理平臺(tái)。該處理平臺(tái)可與不同功能的PMC子卡設(shè)備搭建功能完善的處理系統(tǒng)，滿足數(shù)據(jù)處理、任務(wù)管理、顯示控制、網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)融合等不同任務(wù)要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在處理器大幅降頻使用時(shí)，該處理平臺(tái)具有均衡的數(shù)據(jù)處理能力，快速的實(shí)時(shí)任務(wù)處理能力。其PCI總線傳輸效率高，接口豐富、易擴(kuò)展，能夠滿足航電系統(tǒng)高性能、多任務(wù)、強(qiáng)實(shí)時(shí)、低功耗的處理要求，可廣泛應(yīng)用于要求高可靠性的機(jī)載嵌入式領(lǐng)域。