基于自主可控SoC的航天控制系統集成應用研究

王曉東 張 磊 江思榮 劉 江 李 慧

1.中國運載火箭技術研究院，北京100076 2.北京航天自動控制研究所，北京100854

0 引言

隨著航天控制領域對于電氣設備集成化、小型化、高可靠、自主可控的要求，以及對元器件功能、性能、體積、功耗等方面的要求越來越高，SoC技術在重量、體積、性能方面的突出優勢，是滿足這一需求的重要途徑。隨著國際形勢的變化，核心元器件自主可控是支撐航天事業發展的基石，是我國從航天大國發展為航天強國的必經之路。本文介紹了SoC技術特點與航天SoC的應用特點，提出了以系統需求為牽引、以SoC芯片實現為基礎、以自主可控為目標的航天控制系統集成技術是航天控制技術的發展方向，并給出了系統集成架構設計、軟硬件協同設計、系統應用驗證等關鍵技術途徑，以期為未來航天控制系統設計提供應用借鑒。

1 SoC技術特點

SoC(System on Chip)片上系統是在一個單芯片上集成微處理器、模擬電路、存儲器、各類輸入輸出通訊接口以及專用算法、協議的片上控制系統。在一些專用領域，還可能包括射頻器件甚至MEMS傳感器等。

SoC設計技術始于20世紀90年代中期，隨著半導體工藝技術的發展，IC設計能夠將復雜的功能集成到單硅片上，單位面積芯片可集成的晶體管數量成倍增長。電子設備電路設計從追求集成電路性能向系統性能優化轉變，SoC正是在這種轉變潮流下產生的。SoC芯片的研制相對傳統的芯片，具有以下不同的特點：

1)SoC芯片設計規模大，具有數百萬門乃至上億個元器件的規模，電路結構復雜，要求設計起點比普通的ASIC高，驗證方法上必須采用數模混合驗證方法；

2)SoC 工作頻率高，模塊之間時序關系復雜，加上高頻效應下的電磁干擾和信號串擾現象，設計和驗證難度大；

3)SoC芯片的設計不僅僅是硬件電路的設計，還是硬件平臺和軟件支持系統的并行設計，是一個包含軟硬件設計的系統工程。

2 航天SoC應用特點

SoC技術能夠帶來產品性能、體積、功耗方面的巨大優勢，在國內外都得到了高度重視。國外NASA和ESA在X2000、深空計劃等多項航天任務中廣泛應用了SoC技術[1-3]。從國外發達國家的SoC發展規劃可以清晰地看到，航天及武器系統設計研究機構都已經認識到SoC技術的重要性，組織了相應的SoC技術研究，并且已經逐步應用到工程中。國內航天運載、軍事武器裝備等對于系統集成化、小型化、高性能、高可靠的要求越來越高，特別對于自主可控核心元器件的需求非常迫切。采用中國獨立自主設計的SoC芯片，擁有全部獨立自主知識產權，可以避免核心技術受制于人，能夠有效提升航天產品的保障性。

隨著航天控制領域對于電氣設備集成化、小型化、高可靠、自主可控的要求越來越高，系統集成設計是航天控制系統的技術發展方向之一，而國產SoC應用正是實現控制系統集成設計的一個重要途徑。航天控制系統探索出以系統集成需求為核心和芯片實現為基礎的研發思路，實現了系統與芯片的高度結合，牽引了控制系統的技術發展，開創了新的技術領域。常見的航天用SoC芯片設計流程如圖1所示。通常由控制系統系統方根據任務特點，進行系統功能梳理、軟硬件功能劃分，提煉SoC功能和性能指標需求，比如處理器速度和精度、總線控制器、硬件實現專用算法、外設接口集成等需求，完成控制系統基于SoC的系統集成設計[4]。由于SoC芯片屬于系統定義的一部分，與系統呈緊耦合關系，因此在芯片成形后除開展芯片級的測試驗證工作外，由系統牽頭開展系統級應用驗證工作是必不可少的。通常通過單機級、系統級各項功能性能測試、環境及可靠性試驗來驗證其在系統中工作的穩定性和可靠性。

圖1 航天用SoC芯片設計流程

3 航天SoC系統集成技術

3.1 基于SoC的系統集成架構技術

SoC技術的核心是通過梳理系統設計思路和設計需求，提煉出研制SoC的功能、性能需求，這是研制SoC的基礎和關鍵。為了達到高度集成化的設計要求，首先從系統的角度深入分析、合理規劃，通過對控制系統構成、電路實現方案、功能需求、性能需求等方面進行分析研究，改變以前傳統項目中基于大量離散器件和中小規模集成電路設計的模式，通過SoC技術將電路功能和電路實現形式相結合，實現系統集成。

以某項目為例，項目研制從系統頂層規劃，以SoC技術為基礎，采用1553B總線架構(SoC芯片內嵌1553B總線控制器)進行系統集成架構設計，其典型系統架構框圖如圖2所示。控制系統根據任務中“減少設備數量、縮小設備體積、減輕系統重量”的研制需求，將系統各組成單機功能的需求進行整合，將系統部分功能通過SoC芯片實現。并對控制系統各重要單機提出基于SoC芯片和1553B總線的智能單機設計要求，完成控制系統集成架構的設計。為降低系統研制難度、減小研制成本，系統控制SoC應用的品種，以提高系統可靠性。

圖2 典型控制系統架構框圖

3.2 軟硬件協同設計技術

傳統的先硬件后軟件的嵌入式系統設計模式需要反復修改、試驗，設計周期長、開發成本高。軟硬件協同設計技術為解決此問題提出一種全新的系統設計思想，其設計流程如圖3所示。根據系統任務目標，通過綜合分析系統軟硬件功能和現有資源，從系統集成優化角度，將兩者綜合權衡分配，最大限度地挖掘軟硬件之間的并發性和交互性，縮短系統開發周期、降低開發成本、提高系統性能，避免由于獨立設計軟硬件體系結構帶來的弊端[5-6]。例如為實現航天飛行器的制導、姿態控制、圖像處理等運算量大、實時性要求高的系統功能，由控制系統系統方對功能實現形成的經驗積累固化，提出專用算法集成需求，由芯片設計方將其對應功能集成到SoC芯片中，將軟件實現硬件化，實現數據解算與系統控制并行，滿足系統強實時性的要求。

圖3 軟硬件協調設計流程

3.3 系統集成SoC的驗證技術

SoC芯片研制成功與否，除芯片本身的研制外，應用驗證技術也是至關重要的一環。為了更好地對SoC功能和性能進行全面的測試和驗證，從芯片級、單機級、系統級3個方面對SoC的驗證技術開展攻關，通過設計SoC應用驗證通用硬件支持平臺，覆蓋SoC的各種接口要求，并開展SoC應用驗證的測試用例研究，覆蓋項目設計中的各種應用需求，彌補了傳統測試手段無法對SoC全面測試的不足。

3.3.1 芯片級驗證技術

引入SoC設計技術以后，控制系統的研制不再是從接收到成熟的芯片開始，而是將系統設計的一部分工作提前到了SoC芯片研制階段，即SoC需求分析、系統級設計、IP核設計與選型、SoC集成等均成為控制系統設計的環節。其中，作為SoC基本組成單元，IP核的成熟度和可靠性是關系到SoC研制質量的關鍵[7]。

在航天項目研制過程中開展IP核及SoC元器件質量保證與檢驗方法研究，從IP核文檔清單、代碼質量、系統質量、邏輯設計、測試和制造質量、功能驗證、時序和功耗質量等幾個方面開展IP核評估測試，重點開展指令集處理器的應用驗證技術研究，確保項目應用的成功。

3.3.2 單機級驗證技術

為充分驗證單機SoC應用，搭建通用的SoC硬件支持平臺。利用該平臺完成SoC芯片的各項功能，如：I2C協議、負載特性測試驗證，A/D靜態、動態測試驗證，1533B總線協議測試驗證，芯片全負載功耗、溫升測試驗證，中斷系統測試驗證，I/O空間擴展功能測試驗證以及事件管理單元測試驗證等。通用驗證平臺框圖如圖4所示。

圖4 SoC單機應用通用驗證平臺

3.3.3 系統級驗證技術

3.3.3.1 系統集成應用驗證測試平臺設計

在完成單機測試驗證和應用軟件開發驗證后，需要在系統級對SoC芯片應用進行驗證。構建系統級應用驗證測試平臺的基本思路是以單機通用應用驗證軟硬件平臺為基本組成，以總線為系統傳輸紐帶，組建可覆蓋系統級應用和SoC功能、性能的可配置、開放型的系統級軟硬件集成測試平臺，其組成示意如圖5所示。

圖5 SoC系統集成應用驗證平臺示意圖

該系統集成應用驗證平臺由若干SoC應用驗證單機組成，通過1553B、以太網和CAN總線連接在一起，通過接口模擬和故障注入設備模擬各個單機需要的外部接口信號，可根據需求編程設置接口信號，模擬各種外設故障；數據處理監控系統主要用于監視信息流量，進行數據處理和分析。

3.3.3.2 系統集成應用驗證測試用例集研究

根據SoC不同的應用場合，構建系統集成應用驗證系統平臺，結合項目具體系統級應用和SoC的功能、性能驗證的需求，設計軟硬件測試用例集，完成系統應用驗證，主要包括：

1)覆蓋項目應用軟件需求和SoC功能、性能的系統軟件應用用例集；

2)覆蓋項目應用軟件需求和SoC功能、性能的系統軟件測試用例集；

3)覆蓋項目應用需求和SoC功能、性能的硬件接口設計及其測試用例；

4)故障模擬測試用例集等。

3.3.4 系統環境適應性驗證

航天項目研制過程除開展針對基于SoC芯片的整機功能驗證工作外，還需開展基于SoC整機的各類可靠性試驗、電磁兼容試驗、抗強電磁脈沖試驗和系統級綜合環境試驗考核，以驗證其在系統中工作的可靠性和穩定性。

3.4 集成開發系統統型

基于SoC芯片的軟件設計工作一般采用集成開發系統(簡稱“IDE”)進行軟件代碼設計。集成開發系統主要完成處理器初始化和中斷管理工作、源代碼優化工作、檢查源代碼的語法錯誤，并提供通用功能函數庫和易于用戶使用的集成開發環境供用戶使用。在項目研制過程中約束各單機單位采用統一集成開發系統，有利于規范設計過程，便于開展橫向一致管理，快速提高產品成熟度，提高項目產品應用的可靠性。各單機單位專注于系統應用開發，可加速項目研制進程。

4 SoC在航天領域的系統應用

4.1 飛控系統應用

由于控制系統彈/箭上飛控系統對于控制運算性能、實時性、可靠性及小型化要求較高，飛控計算機需要運行復雜的控制算法，所以對SoC芯片處理速度提出了較高的要求。某項目研制飛控系統選用2款SoC芯片，分別用于飛控計算和彈載測試功能。SoC芯片基于SPARC體系架構開發，芯片在-55℃～125℃軍溫范圍可正常工作。內核電壓為1.8V，I/O電壓為3.3V，最大工作頻率為100MHz。SoC芯片功能框圖如圖6所示。

4.2 測發控系統應用

測發控系統測控計算機作為地面設備控制中樞，需要實現數據采集、數據處理、數據通信、系統監控、導航定位及故障診斷等操作。同時還需要有豐富的人機接口以滿足用戶使用需求。某項目測發控系統采用基于龍芯SoC的系統集成設計，該款SoC芯片是基于64位超標量微處理器核的SoC型微處理器，整體架構基于兩級互連實現，芯片在-55℃～125℃軍溫范圍可正常工作，龍芯SoC芯片功能框圖如圖7所示。

圖6 飛控SoC功能框圖

圖7 龍芯SoC芯片功能框圖

5 結論

航天運載和導彈武器控制系統設備一方面必須嚴格控制重量、體積，實現輕質化、小型化、集成化，另一方面必須提高性能，加強自測試功能，縮短發射準備時間。另外，基于軍事裝備發展對于核心技術、產品堅持國產化的迫切需求，在航天控制系統研制中逐步形成了基于國產化SoC的控制系統集成設計技術，使控制系統具有集成化、小型化、高可靠、自主可控的特點。航天領域的國產化SoC應用為我國獨立研發具有自主知識產權的核心芯片起到了牽引作用，對于我國國防建設和國民經濟的發展具有重要意義。