基于某PowerPC處理器的機(jī)載顯示平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張光輝 竇愛萍 航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 李駿 陸裝駐西安地區(qū)航空軍代室

引言

機(jī)載顯示系統(tǒng)可以為飛行員提供作戰(zhàn)環(huán)境、機(jī)身狀態(tài)等重要信息，對(duì)順利完成作戰(zhàn)任務(wù)具有重要意義。本文基于可視化導(dǎo)航信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載顯示平臺(tái)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。顯示平臺(tái)以PowerPC7xxx作為核心處理器，VME作為總線標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)符合通用化與系列化的思想，并具有良好的通用性、可重構(gòu)性和擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)表明該顯示平臺(tái)的性能能夠滿足當(dāng)前系統(tǒng)的需求。

1 顯示平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

作為機(jī)載座艙的顯示設(shè)備，顯示平臺(tái)是領(lǐng)航員或飛行員獲取三維地圖、導(dǎo)航信息、地圖漫游、控制指令、近地告警和進(jìn)近著陸等信息的重要來源，可為飛機(jī)導(dǎo)航提供有力數(shù)據(jù)支持。

1.1 顯示平臺(tái)系統(tǒng)需求分析

為滿足可視化導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，顯示平臺(tái)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)綜合處理、三維導(dǎo)航參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、航線圖以及飛機(jī)位置顯示等功能。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，顯示平臺(tái)的設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)高性能顯示處理，大容量存儲(chǔ)，高速信號(hào)處理等技術(shù)。顯示平臺(tái)按照模塊化的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，劃分為CPU模塊、圖形加速器模塊、存儲(chǔ)器模塊、電源模塊以及接口模塊等。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示：

圖1 顯示平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

2 顯示平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

CPU模塊主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。CPU模塊通過PMC背板形式連接存儲(chǔ)器模塊、圖形加速模塊，通過VME總線與多功能接口模塊進(jìn)行通訊。

2.1 CPU模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 CPU 模塊組成

CPU模塊主要由以下幾個(gè)單元組成，分別是：PowerPC7xxx處理器、主橋單元、PMC單元、時(shí)鐘單元、PCI單元、以太網(wǎng)單元、存儲(chǔ)單元、接口單元、時(shí)鐘單元、USB接口單元、供電單元等。

2.1.2 技術(shù)難點(diǎn)

通過對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，顯示平臺(tái)CPU模塊設(shè)計(jì)研制過程所涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1) CPU橋接解決處理器與其他外設(shè)的互聯(lián)；

2) PCI總線解決系統(tǒng)內(nèi)模塊間的通信問題，提高各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸速率，降低研制成本與研制周期；

3) PMC標(biāo)準(zhǔn)的多功能子板的擴(kuò)展，解決視頻、存儲(chǔ)與接口等多種功能的擴(kuò)展問題；

4)以太網(wǎng)解決系統(tǒng)調(diào)試和接口通信問題；

2.1.2.1 處理器選擇

PowerPC處理器具有RISC體系架構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是低功耗、高速度、強(qiáng)算力。

考慮其在成本、功耗、運(yùn)算速度等方面具有的優(yōu)勢(shì)和廣泛的第三方軟件支持率，本文選擇了PowerPC G4系列主機(jī)處理器中的MPC7xxx作為顯示平臺(tái)的核心處理器。

2.1.2.2 處理器橋接器

處理器橋接器采用某橋接器。其功能有：一個(gè)高性能存儲(chǔ)控制器（支持雙處理器），兩通道的DMA控制器，I/O消息控制器，中斷控制器等。

2.1.2.3 存儲(chǔ)單元

本單元由NVRAM、SDRAM、Flash存儲(chǔ)器組成，主要完成動(dòng)態(tài)與靜態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，F(xiàn)lash用于存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序，完成系統(tǒng)的啟動(dòng)；SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；NVRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)BOOT等數(shù)據(jù)。可通過橋接器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問。

2.1.2.4 千兆以太網(wǎng)接口

該橋接器內(nèi)部集成有10MB/100MB/1000MB的MAC接口，采用某PHY接口芯片，實(shí)現(xiàn)物理層通訊。本設(shè)計(jì)在接口復(fù)位時(shí)將其配置為RGMII模式，支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)接口由1.5V電源和2.5V電源獨(dú)立供電，上拉電阻缺省值均為30Ω。

2.1.2.5 USB 接口

為了方便地面加載地圖數(shù)據(jù)，CPU模塊中設(shè)計(jì)了USB接口用于地面加載數(shù)據(jù)，大大簡化了地面加載設(shè)備的復(fù)雜度。USB控制器采用某公司的某型號(hào)USB控制器。該USB控制芯片提供了用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜CI總線接口。

2.1.2.6 復(fù)位

CPU模塊采用單個(gè)5V電源進(jìn)行供電，電源轉(zhuǎn)換器可以提供+5V到1.8V、1.2V、1.1V、2.5V、3.3V 的電源轉(zhuǎn)換。復(fù)位包括軟件復(fù)位和硬件復(fù)位。

2.1.2.7 CPU 電源設(shè)計(jì)

CPU模塊輸入電源為+5V；處理器PC7xxx核心電壓為1.1V，接口電壓為1.8V；DDR2電壓為1.8V，其他器件電壓為3.3V；橋接器的核心電壓為1.2V，接口電壓為1.8V；FPGA 芯片電壓為2.5V。

2.1.2.8 中斷控制器

CPU模塊采用某橋接器內(nèi)的中斷控制器來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的中斷，中斷可以根據(jù)中斷源的特點(diǎn)設(shè)置中斷的優(yōu)先級(jí)、電平有效方式及中斷向量。中斷的優(yōu)先級(jí)可以通過軟件進(jìn)行設(shè)置。

2.1.2.9 VME 總線接口

VME總線橋接器采用某公司的某總線橋接芯片，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，實(shí)現(xiàn)VME空間到PCI空間的映射。

2.1.2.1 0 可編程控制邏輯

模塊中采用某FPGA芯片作為可編程控制芯片，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位、中斷、寄存器、計(jì)數(shù)器、串口、看門狗、外設(shè)的片選和譯碼等功能。

2.2 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 基本硬件配置

存儲(chǔ)器模塊主要完成地圖數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。模塊由存儲(chǔ)陣列、PCI接口電路與FPGA邏輯控制組成。存儲(chǔ)區(qū)單元是由16片NAND Flash組成的64GB存儲(chǔ)陣列。

2.2.2 FPGA 控制邏輯

采用某公司的某可編程邏輯芯片來完成存儲(chǔ)器模塊的控制以及存儲(chǔ)陣列的地址、數(shù)據(jù)和命令的處理。FPGA內(nèi)部邏輯的主要功能是實(shí)現(xiàn)NAND Flash的讀寫功能的操作控制。

2.3 GPU顯示模塊設(shè)計(jì)

圖形顯示中的顯示速度和圖形質(zhì)量是需要關(guān)注的兩個(gè)主要方面。圖像實(shí)時(shí)顯示需要處理器有著很高的運(yùn)算速度。顯示卡為西安航空工業(yè)計(jì)算所自行開發(fā)，圖形處理器采用某公司研制開發(fā)的某顯示芯片，其處理速度高，并支持OpenGL圖形接口標(biāo)準(zhǔn)，顯存空間大。

2.4 IO模塊設(shè)計(jì)

IO模塊及模塊內(nèi)的 I/O 接口由DSP處理器進(jìn)行控制與管理。I/O模塊與CPU模塊之間通過雙口存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)與命令交換。

3 顯示平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顯示平臺(tái)系統(tǒng)的軟件由地面支持軟件、應(yīng)用軟件以及系統(tǒng)軟件組成。

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是用來運(yùn)行、開發(fā)和調(diào)試相關(guān)的應(yīng)用程序。其中包含引導(dǎo)程序、BIT程序、驅(qū)動(dòng)程序以及操作系統(tǒng)。

3.1.1 引導(dǎo)程序

系統(tǒng)上電后先根據(jù)離散量的不同狀態(tài)執(zhí)行相關(guān)分支的引導(dǎo)程序，以此來進(jìn)行地面維護(hù)、進(jìn)行地面調(diào)試以及空中運(yùn)行。

3.1.2 操作系統(tǒng)軟件

操作系統(tǒng)軟件主要功能模塊有：任務(wù)管理、中斷管理、通信管理、存儲(chǔ)管理、周期任務(wù)管理等。

3.1.3 驅(qū)動(dòng)程序

驅(qū)動(dòng)程序是硬件的驅(qū)動(dòng)軟件，以庫的形式供用戶調(diào)用，包括網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)、FLASH驅(qū)動(dòng)、顯卡初始化驅(qū)動(dòng)、OpenGL驅(qū)動(dòng)、看門狗驅(qū)動(dòng)、中斷管理驅(qū)動(dòng)、PCI驅(qū)動(dòng)、電子盤驅(qū)動(dòng)和VME驅(qū)動(dòng)程序等。

3.2 地面支持軟件

地面支持軟件包括集成開發(fā)環(huán)境和在線編程軟件。

3.3 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)空間導(dǎo)航、控制飛行、處理存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、地圖漫游等功能。

4 結(jié)語

基于PowerPC7xxx處理器的顯示平臺(tái)系統(tǒng)具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性，高吞吐率，強(qiáng)擴(kuò)展性的特點(diǎn)。其豐富而全面的接口設(shè)計(jì)方便用戶的開發(fā)和應(yīng)用，且功能及性能均可滿足用戶的要求，使用過程中具有高可靠性和高穩(wěn)定性。機(jī)載顯示平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。