基于國產軟硬件平臺的指控計算機設計

2020-07-01 05:44:28張曉敏馬鵬飛

航天控制 2020年2期

張曉敏馬鵬飛

上海機電工程研究所，上海201109

0 引言

指控計算機是導彈武器系統(tǒng)的重要組成，對上連接外部所有情報節(jié)點和網絡，對下連接發(fā)射裝置、顯控臺、導航設備等，在很短的時間內，需要完成數據接收、模型解算、命令解析、數據發(fā)送和時間更新等多種不同的任務，對系統(tǒng)的實時性要求很高。多年來，國外軟硬件產品，包括核心的CPU和操作系統(tǒng)，在導彈武器以及運載火箭[1]等多個領域中被大量應用和采購，一旦戰(zhàn)爭到來，裝備生產將會面臨很大難題，無法自主可控。

近年來，武器裝備核心元器件100%國產化的要求也逐步被提出，另一方面，國產CPU和實時操作系統(tǒng)在性能上不斷提升[2]，國產CPU中龍芯處理器、飛騰處理器和申威處理器，實時操作系統(tǒng)中道系統(tǒng)、銳華操作系統(tǒng)等，都在三軍武器裝備上得到了驗證和使用。

文獻[3]基于龍芯2H芯片和道嵌入式操作系統(tǒng)設計研制了某型火控計算機；文獻[4]介紹了一種新型的基于龍芯3A+2H的火控計算機的設計方法，并移植了麒麟Linux操作系統(tǒng)內核，實驗證明該計算機能滿足軍用要求；文獻[5]在研制雷達中心計算機時，選用了龍芯2F芯片和道3.0操作系統(tǒng)，并通過實際工程應用證明了國產化替代的可行性；文獻[6]采用龍芯2F加麒麟操作系統(tǒng)的組合，在多雷達點跡航跡融合處理設備上取得一定效果；文獻[7]基于龍芯3A芯片加天熠嵌入式操作系統(tǒng)加中標麒麟系統(tǒng)設計研制了指控系統(tǒng)的嵌入式計算機和桌面應用軟件。本文基于龍芯3A3000系列芯片和道6.0操作系統(tǒng)，設計研制指控計算機，測試結果表明該計算機滿足相關需求。

1 指控計算機概述

指控計算機通常集成在標準顯控臺上，依軍種不同安裝在艦船、裝備車或地面固定指揮中心上，是C4ISR(指揮、控制、通信、計算機、情報、偵察和監(jiān)視)系統(tǒng)的核心部分[8]。如圖1所示，指控計算機的主要功能有[9]：1)接收各種信息源(如雷達、紅外)送來的各類目標參數信息，并建立目標數據庫，對目標進行數據融合等綜合處理；2)接收硬件操控臺和人工發(fā)出的數據或命令，進行數據信息的處理顯示，如各車態(tài)勢、各設備硬件狀態(tài)等；3)依據數學模型，如坐標轉換、威脅排序、殺傷區(qū)解算等，進行戰(zhàn)術計算和輔助決策。

圖1 指控計算機功能示意圖

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 核心處理器選型

通過表1可以看出，Intel i5-7200U、FT1500和SW1600具有高吞吐率計算能力，適合應用于需要處理大量數據和計算的服務器中。與Intel處理器相比，龍芯3A3000綜合性能相當于Intel賽揚J1900，單核性能相當于i5-7200U的30%～40%，優(yōu)化之后能夠達到后者的60%。2020年，龍芯將采用14nm生產工藝，其主頻有望提升到2.5GHz。龍芯3A4000有望達到Intel I5-7200U水平。

表1 國產CPU與國外常用CPU主要性能比較

綜合考慮處理器的成熟度、應用領域、配套軟件等情況，這里選擇龍芯3A系列作為國產化平臺計算機的核心處理器。具體而言：

1)龍芯、申威和飛騰，三家公司有著不同的主攻方向，龍芯主攻方向是嵌入式和PC；而飛騰和申威則把主要精力放在了超算芯片和高性能服務器上。我們的地面裝備目前階段網絡化布局還在試驗起步，重點還是在嵌入式和PC上；

2)飛騰1500A系列芯片是在與ARM公司授權下，短周期內研發(fā)出來的產品，業(yè)內認為其內核是對ARM公版內核進行了修改，而非完全自己編寫。相比起來，龍芯處理器在性能上稍微落后，但其進步快，單核CPU性能逐步提升，且依托中科院技術支持。

3)國產芯片與國外的差距上，CPU性能只是一小塊，重點是在下游產業(yè)鏈上，由于龍芯重點放在了嵌入式和PC方面，所以其與曙光、浪潮、銳捷網絡等下游軟硬件企業(yè)以及艦載火炮、艦載導彈的火控領域有多年的研發(fā)經驗。

2.2 龍芯3A

龍芯處理器是中國科學院計算所自主研發(fā)的通用CPU，采用類MIPS 指令集，目前已發(fā)展到龍芯第二代產品。龍芯3A3000系列[10]就是目前第二代產品中已成熟穩(wěn)定且性能突出的一款處理器，它是一款4 核處理器芯片，采用28nm工藝制造，最高工作主頻為1GHz，主要面向嵌入式和PC應用。其片內集成4個64 位的四發(fā)射超標量GS464 高性能處理器核，2個定點、2個浮點、1個訪存部件; 每個處理器核包括2 個全流水的64 位雙精度浮點乘加部件; 訪存部件支持128 位存儲訪問，虛地址和物理地址各為48 位。龍芯3A3000 的接口主要包括2個DDR 2/DDR3 內存接口，2個16 bits、4個8 bits HT1.0 接口，4個32 位PCI/PCIX 接口，1個LPC 接口。

2.3 硬件架構設計

2.3.1 計算機整體架構設計

中心計算機采用CPCI總線結構、雙機的設計方案。兩臺指控主機互為備份關系，雙機置于同一機箱內，機箱設計為19英寸6U機箱。

中心計算機由2塊CPU模塊、2塊時統(tǒng)處理模塊、1塊BUS板及1個電源等組成，兩塊CPU板之間的通訊可通過外接網絡進行，兩塊CPU模塊、時統(tǒng)處理模塊完全相同。

圖2 計算機接口方案圖

2.3.2 CPU板架構設計

指控計算機采用CPCI總線結構，機箱為6U機箱。CPU板是基于龍芯3A3000CPU和龍芯7A1000橋片進行設計，CPU板實現計算機的基本功能，包括數據處理、總線管理、外設控制以及存儲等。CPCI載板根據外圍接口要求，完成電源管理、PCIe轉CPCI、并提供人機界面接口以及網絡等通信接口等。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 國產嵌入式操作系統(tǒng)

國產實時操作系統(tǒng)主要有道系統(tǒng)、銳華操作系統(tǒng)、天熠、和欣及RT-THREAD 等操作系統(tǒng)，綜合考慮地面裝備計算機對操作系統(tǒng)實時性的要求，配套開發(fā)工具的完善性以及商業(yè)運行模式，選擇道系統(tǒng)作為地面裝備計算機配套的實時操作系統(tǒng)。

道系統(tǒng)由北京科銀京成公司開發(fā)，目前最新的是6.0 版本[11]，可對標VxWorks-V6.8/6.9。支持多種處理器架構，包括X86、PowerPC、ARM和MIPS。支持多種國產處理器架構，包括龍芯、申威和飛騰，支持32位、64位應用開發(fā)，提供基于應用的定制化功能，提供豐富的故障診斷、調試功能，提供豐富的網絡組件，提供FTP訪問權限設置功能，兼容QT圖形組件及擴展QT圖形組件。在艦載、車載、機載等裝備領域有較成熟的應用，某型護衛(wèi)艦綜合反潛火控分系統(tǒng)已使用道系統(tǒng)作為設備操作系統(tǒng)。

道系統(tǒng)6.0與VxWorks6.8系統(tǒng)的主要功能對比如表2所示：

表2 道系統(tǒng)6.0與VxWorks6.8功能模塊對比

道系統(tǒng)為類VxWorks 操作系統(tǒng)，VxWorks下的應用程序作少量修改即可移植到該系統(tǒng)，考慮到軟件研制進度緊，周期短，選擇道系統(tǒng)也能提供一種更為便捷省時的軟件移植方法。

3.2 底層軟件開發(fā)

3.2.1 PMON開發(fā)

龍芯CPU是基于MIPS架構設計的，目前所支持的固件有uboot，PMON，昆侖固件，UEFI等。這里選用PMON固件，PMON是一種具有BIOS部分功能的開放源碼軟件，它保存著計算機基本輸入輸出程序、系統(tǒng)設置信息、開機后自檢程序和系統(tǒng)自啟動程序。PMON作為龍芯產品的基本輸入輸出系統(tǒng)，能夠完成計算機系統(tǒng)的開機自檢，板級初始化，加載操作系統(tǒng)內核以及基本I/O功能。

3.2.2 BSP移植

板卡支持包的作用是使嵌入式操作系統(tǒng)在各種不同的硬件環(huán)境下都能較好地工作，通過特定的上層接口與操作系統(tǒng)內核進行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據操作系統(tǒng)的要求完成對硬件的直接操作。目前龍芯芯片公司會提供相應的BSP包，供硬件集成方進行二次開發(fā)，考慮到選擇 “道系統(tǒng)”，因此在道開發(fā)環(huán)境Lambda Tools下，建立BSP項目，在龍芯公司提供的BSP模板上做二次開發(fā)，重點完成異常處理和中斷的管理、內存管理和各驅動程序的配置。具體步驟如下：

BSP移植開發(fā)的常規(guī)步驟如圖4所示。

圖4 BSP移植開發(fā)常規(guī)步驟

1)配置開發(fā)環(huán)境。使用道系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境LambdaTools。包含基本的編碼、調試等功能。

2)編寫B(tài)SP初始化代碼。選擇PMON啟動系統(tǒng)，PMON將完成硬件初始化，包括設置時鐘和堆棧以及分配存儲空間等，并將編譯生成的道操作系統(tǒng)鏡像文件加載到相應的內存中，然后再啟動操作系統(tǒng)。這里要依次調用sysInit()、usrInit()和UsrRoot()等3個啟動函數。

3)配置最小內核。在集成開發(fā)環(huán)境LambdaTools下，建立一個BSP工程，依據硬件及機構具體情況，配置內核。

4)測試最小內核。將內核鏡像，下載到計算機上，測試系統(tǒng)能否正常啟動。

5)編寫和移植驅動程序。首先重新配置中斷系統(tǒng)，然后對網卡、窗口卡等外圍設備進行驅動適配。常用的配置和管理驅動程序的設備驅動架構為VxBus。

3.3 應用軟件設計開發(fā)

指控軟件在道系統(tǒng)上開發(fā)設計，采用多任務的設計思想，根據指控計算機的外圍接口類型以及自身功能需求，對任務進行合理劃分以及優(yōu)先級的設置。指控軟件要接收外部傳感器的情報信息、上級指揮單元的控制命令和數據、衛(wèi)星導航設備的準秒信息、顯控計算機的人機交互命令以及自身作戰(zhàn)車輛的數據報文等等。因此，將指控軟件劃分為6個任務，各任務優(yōu)先級高低及交互關系如圖5所示。

圖5 軟件任務關系圖

各任務主要功能如下：

1)網絡接收任務：收到網絡報文后，保存報文發(fā)送地址，打上接收時戳，同時送主處理消息隊列和數據記錄消息隊列。

2)網絡重發(fā)任務：通過130ms看門狗同步，將網絡重發(fā)消息隊列中的數據發(fā)送一遍,還需要重發(fā)的數據則再放回消息隊列。

3)主處理任務：阻塞在主處理消息隊列上，若取的消息是報文，則進行報文處理；若取的消息是83ms定時器所發(fā)送，則進行周期處理(如定周期自動分配、心跳報文組織和發(fā)送、送顯報文組織和發(fā)送)。

4)數據記錄任務：阻塞在數據記錄消息隊列上，記錄網絡接收任務發(fā)送來的接收報文，并封裝sendto函數，在每次sendto時都同時向數據記錄消息隊列中發(fā)送一份，用于記錄。

5)數據回放任務：讀硬盤，若為需要送顯回放的數據，則發(fā)送顯控；若不是，則繼續(xù)尋找。

6)外時統(tǒng)任務：接收外接時統(tǒng)卡的準秒脈沖中斷，對本機進行校時。

4 測試驗證

4.1 測試系統(tǒng)設計

為充分驗證指控計算機的功能和性能，筆者設計了圖6所示測試系統(tǒng)，系統(tǒng)由指控計算機、外接時統(tǒng)卡和外圍多個模擬器組成。其中指控計算機和外接時統(tǒng)卡之間通過RS232總線連接，指控計算機和外圍模擬器之間通過交換機進行網絡連接。該測試系統(tǒng)旨在模擬真實工作環(huán)境，滿負荷運轉，檢驗指控計算機的功能性能。