CC BY
53Решетневскуе чтения. 2017
УДК 004.272.43
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ ДЛЯ БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
А. В. Пичкалев
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: [email protected]
Рассматриваются вопросы построения перспективных вычислительных модулей для бортовой аппаратуры: требования к перспективному вычислительному модулю и его составляющим, архитектура, типы внешних и внутриприборных интерфейсов.
Ключевые слова: вычислительный модуль, микропроцессор, бортовая аппаратура, магистрально-модульные интерфейсы.
THE COMPUTING MODULES FOR ONBOARD RADIO-ELECTRONIC EQUIPMENT
A. V. Pichkalev
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
Issues of constructing perspective computing modules for onboard equipment are considered: requirements to the perspective computing module and its components, architecture, types of external and intrainstrument interfaces.
Keywords: computing module, microprocessor, onboard equipment, main-modular interfaces.
В составе современной бортовой радиоэлектронной аппаратуры (БА) наличие вычислительных устройств на базе микропроцессоров и микроконтроллеров стало обязательным условием при ее проектировании.
Наиболее современный отечественный процессор для создания перспективных систем управления аппаратами авиационных и космических направлений -1906ВМ016 - представляет собой 32-разрядный процессор на базе ядра LEON4 архитектуры SPARC V8 с частотой до 100 МГц, контроллерами интерфейсов PCI, Ethernet, USB, JTAG, DSU, 4-х каналов SpaceWire, 2-х каналов CAN, 2-х каналов МКО (ГОСТ Р 52070-2003), 2-х каналов UART, 4-мя таймерами/ счетчиками общего назначения, сторожевым таймером, 16-разрядным портом ввода/ вывода общего назначения. Он устанавливается в корпус габаритами 35^35 мм с 602 выводами. Для его применения в БА требуется изготовить многослойную печатную плату не ниже 4 категории.
Но разработчики на этом не останавливаются и продолжают наращивать характеристики процессоров включением в их состав все большего количества функций. Предлагается помимо 32-разрядного универсального ядра с кэш-памятью 128 кб и 32/ 64-разрядным акселератором операций с плавающей точкой, подключаемого DSP-ядра, блока управления тактовыми сигналами добавить автономный контроллер МКО, позволяющий выполнять функции КШ по заложенному алгоритму без постоянного участия со стороны процессора, 8 каналов SpaceWire, 2 контроллера интерфейса SPI и контроллер интерфейса I2C. С этим можно и согласиться, хотя напрашивается вопрос: зачем нужны в процессоре автономный кон-
троллер МКО и полноценный коммутатор интерфейса SpaceWire с 8 каналами.
Современные полупроводниковые технологии могут позволить все это разместить на одном кристалле, обеспечивая при этом еще и дополнительно сбоеустой-чивость применением мажорированных структур в архитектуре, избыточного кодирования для защиты памяти, аппаратных сторожевых таймеров для контроля зависаний и специальной топологии для исключения двойных ошибок от одиночных явлений. Однако количество выводов микросхемы процессора начинает расти просто катастрофически, занимая значительные размеры на плате и требуя увеличения числа ее слоев для обеспечения качественной топологии ВМ.
Такой «сконцентрированный» в одной микросхеме ВМ (так называемой радиальной архитектуры) удобен для проектирования и производства, но совершенно непригоден для модернизации, например, для замены любого интерфейса необходима разработка нового процессора. Радиальная архитектура вообще характерна для ЭВМ, предназначенных для математической обработки, где модернизации касаются, в основном, увеличения «памяти», замены устройств ввода-вывода без изменения интерфейса подключения и ускорения работы процессора, которое осуществляется путем его замены на новую разработку.
Для задач управления и контроля традиционно используется магистральная архитектура вычислительной техники, где процессор (один или несколько) реализует функции вычисления и управления единой внутренней (не имеющей выход за пределы системы) магистралью, через которую осуществляется обмен командами и информацией со всеми устройствами управления и ввода-вывода (включая другие процес-
Космическое и специальное электронное приборостроение
соры). Это позволяет легко наращивать функционал управляющей системы, менять функции и интерфейсы, модернизировать ее с минимальными затратами.
Микропроцессор для магистральной архитектуры должен иметь максимально производительное вычислительное ядро, универсальный (желательно, стандартный) интерфейс ввода-вывода и минимальный набор дополнительных интерфейсов для работы с собственным ОЗУ (несколько процессоров в системе могут иметь общее ОЗУ на магистрали), отладки ПО и других вспомогательных задач. А внешние интерфейсы должны реализовываться на специальных сопроцессорах ввода-вывода, которые могут меняться в зависимости от поставленных перед управляющей системой задач. Микросхемы, не перегруженные выводами, становятся более компактными и менее требовательными к топологии печатной платы.
Примером такой реализации микропроцессорного комплекта являются 5890ВМ1Т или 1900ВМ2Т, которые вместе с интерфейсным сопроцессором 5890ВГ1Т реализует большую часть требуемых функции ВМ в своих кристаллах (2 канала МКО, техканал RS-232, ОЗУ, загрузочное ПЗУ, ППЗУ, дискретный ввод-вывод, вход-выход задающего генератора). А монитор питания, АЦП, контроллеры внутриприборных интерфейсов и SpaceWire и другие функции могут быть реализованы на существующих отечественных микросхемах с управлением от шины PCI, формируемой микропроцессором.
Перспективный ВМ космического применения с длительным сроком эксплуатации (20 и более лет) должен быть обязательно реализован по параллельной схеме «2 + 2» с «горячим» и «холодным» резервированием: 2 комплекта (1-й включен, 2-й выключен) с 2-мя процессорами в каждом с поэлементным резервированием всех основных составляющих (кроме центрального системного контроллера).
Процессоры космического исполнения 3-кратно мажорируются, а не резервируются. Троированием повышается сбоеустойчивость в т. ч. и стойкость кристалла к ТЗЧ, но не надежность функционирования элемента. В архитектуре «2 + 2» надежность повышается параллельным функционированием 2-х процессоров с собственным окружением, арбитражируемых операционной системой через центральный системный контроллер ВМ.
Центральный системный контроллер должен обеспечивать перекрестные связи всех основных составляющих обоих полукомплектов ВМ. Системные шины (адрес, управление, данные) должны быть подключены к центральному системному контроллеру. Внутри центрального системного контроллера должна быть реализована функция монитора - мультиплексора шин, которая реализует в зависимости от программных и системных задач коммутацию и переключение банков памяти. Также контроллеры портов ввода-вывода, все системные интерфейсы должны быть подключены к единой магистрали. Встроенный сторожевой таймер должен обеспечивать диагностику работоспособности. Управление центральным системным контроллером должно осуществляться либо внешними непосредственными командами, либо ПО верхнего уровня (операционной системой).
В качестве внутриприборного интерфейса целесообразно использовать широко распространенные международные стандарты (например, PCI-Express, который можно использовать для организации на базе ВМ многопроцессорного вычислительного комплекса).
PCI Express - масштабируемая высокоскоростная последовательная шины ввода-вывода широкого применения, отвечающая всем современным требованиям к внутриприборным интерфейсам, включая передачу данных по внешнему межприборному интерфейсу (PCI Express External), что очень удобно для секционной конструкции бортовых приборов.
Разработка перспективного внутриприборного интерфейса на базе современного международного стандарта позволит не отставать от основных мировых тенденций развития электроники, отражающих общую для компьютерной индустрии замену низкоскоростных общих шин на высокоскоростные параллельно-последовательные соединения типа «точка-точка» (point-to-point).
Благодаря архитектуре «точка-точка» вся полоса пропускания каждой шины выделяется устройству на конце канала: несколько устройств могут работать одновременно, не мешая друг другу и повышая общую производительность системы.
Современные магистрально-модульные интерфейсы предусматривают расширение традиционных функций поддержки устройств:
- расширенное управление энергопотреблением -позволяет уменьшить его, если шина не активна (т. е. данные не пересылаются между процессором и периферийными устройствами) - можно использовать для связи с редко опрашиваемыми интерфейсными модулями или находящимися в «холодном» резерве;
- поддержка трафика данных в реальном времени -зависимой от времени передачи данных и разных уровней доступа к ресурсам процессора - позволяет уменьшить загрузку этих самых ресурсов;
- «горячая» замена - позволяет подключать и отключать периферийные устройства, переводя их из «холодного» резерва в «горячий» и обратно программным управлением, что открывает возможности построения принципиально новой архитектуры резервирования;
- целостность данных - обеспечивается целостность данных на уровне каналов для всех типов пакетов транзакций и каналов данных при их передаче для приложений высокой доступности, что повышает общую надежность интерфейса без снижения его производительности;
- обработка ошибок - поддерживается усовершенствованный механизм оповещения об ошибках и их обработки, что расширяет возможности решений для изоляции сбоев и восстановления работоспособности.
ВМ для БА должен быть универсальным для возможного применения в самых разнообразных приборах с самыми неожиданными задачами и быть перспективным в течение ближайших 10 лет. Предлагаемая архитектура по параллельной схеме «2 + 2» на базе широко распространенного международного магист-рально-модульного интерфейса отвечает данным требованиям.
© Пичкалев А. В., 2017
