何立軍　解文濤　俞大磊　石海洋

摘要：隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境日益復(fù)雜化，態(tài)勢估計、預(yù)警、戰(zhàn)場指揮等作戰(zhàn)任務(wù)越來越需要高性能航空電子系統(tǒng)的支持，航空電子系統(tǒng)已經(jīng)成為提高軍用飛機(jī)性能最主要、最有效的手段之一。綜合核心處理機(jī)（ICP）居于新一代飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的核心，能夠?qū)走_(dá)、通訊導(dǎo)航識別、電子戰(zhàn)、顯示控制、任務(wù)管理、武器管理、人機(jī)接口等多種典型航電任務(wù)進(jìn)行綜合處理，是整個綜合航電的“大腦”和“神經(jīng)”。該文描述了航電系統(tǒng)綜合核心處理機(jī)顯著特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并給出了一種基于光纖通道網(wǎng)絡(luò)（FC網(wǎng)絡(luò)）的綜合核心處理機(jī)的具體實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：綜合核心處理機(jī)；航空電子系統(tǒng)；光纖通道網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)識別碼：A 文章編號：1009-3044（2015）08-0204-04

Abstract： With the development of modern war environment is becoming more and more complex，situation assessment， early warning and control， battlefield command combat mission is need more and more high performance Avionics Systems support. Avionics Systems to improve the performance of military aircraft has become the most important and the most effective means.Integrated Core Processor（ICP） is the core of next generation's avionics system.It has general abilities of processing typical avionics missions such as radar， communication、Navigation and Identification（CNI）， electronic war（EW）， display control， mission management， weapon management and I/O， etc，is the "brain" and "nerve" of Integrated Avionics Systems.This paper demonstrates the research status and distinct characteristics of Avionics Integrated Core Processor， of which an Fiber Channel network based implement is introduced as well.

Key words： Integrated Core Processor； Avionics Systems； Fiber Channel Networks

1 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境日益復(fù)雜化，態(tài)勢估計、預(yù)警、戰(zhàn)場指揮等作戰(zhàn)任務(wù)越來越需要高性能航空電子系統(tǒng)的支持，飛機(jī)對航空電子系統(tǒng)的依賴性越來越大，航空電子系統(tǒng)已經(jīng)成為提高軍用飛機(jī)性能最主要、最有效的手段之一。綜合核心處理機(jī)作為航空電子系統(tǒng)的管理和處理中心，承擔(dān)了系統(tǒng)管理、傳感器管理和數(shù)據(jù)融合、雷達(dá)數(shù)字功能處理、電子戰(zhàn)數(shù)字脈沖功能處理、通信導(dǎo)航識別數(shù)字功能處理、紅外搜索跟蹤、分布式孔徑、數(shù)字地圖處理、戰(zhàn)場態(tài)勢處理、圖像處理、顯示控制和管理處理、音頻處理、數(shù)據(jù)管理、健康管理等多個任務(wù)，先進(jìn)的綜合核心處理機(jī)系統(tǒng)對于實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)的功能、性能及提高飛機(jī)的作戰(zhàn)和生存能力，起著決定性的作用。因此，本文針對新一代飛機(jī)航電系統(tǒng)綜合化處理技術(shù)開展了研究，實現(xiàn)了航電系統(tǒng)信息綜合化處理。

2 綜合核心處理機(jī)特點(diǎn)

綜合核心處理機(jī)（ICP）是指綜合化航電和高度綜合化航電中，具有綜合化、模塊化、軟件化、網(wǎng)絡(luò)化等多種特征的，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了高密度集成的，一個實時的容錯的分布式的機(jī)群。在新一代綜合化航空電子系統(tǒng)中，綜合程度已從聯(lián)合式航電中的顯示綜合，推進(jìn)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，如圖1所示1。在這樣的系統(tǒng)中，以多種共享的資源模塊實現(xiàn)各種航電功能，各種航電功能則圍繞共享的資源呈放射狀分布，再也不能按照傳統(tǒng)分辨出各個子系統(tǒng)的界線2。ICP在綜合化航空電子系統(tǒng)中居于核心位置，是整個綜合航電的“大腦”和“神經(jīng)”。

一般認(rèn)為，新一代綜合核心處理機(jī)的主要特征包括以下幾個方面1，3，4，5：

1）具有較高的數(shù)據(jù)、信號、處理能力并高度綜合，為所有的典型航電應(yīng)用提供統(tǒng)一的綜合處理平臺，并滿足其需要，這些能力能合理的分配給不同的航電應(yīng)用并有機(jī)的結(jié)合成為一個整體，使得每個航電應(yīng)用既擁有足夠的資源，又不相互干擾，還備有一定的資源供系統(tǒng)故障或系統(tǒng)擴(kuò)展時使用。

2）采用模塊化的設(shè)計方法。硬件功能模塊采用深度模塊化設(shè)計技術(shù)，減少模塊種類；軟件通過采用標(biāo)準(zhǔn)接口的模塊化軟件設(shè)計，減少軟件重復(fù)開發(fā)，增強(qiáng)軟件的通用性。通過實現(xiàn)模塊化，降低設(shè)計、生產(chǎn)的復(fù)雜度，減少維護(hù)成本和時間，從而降低全壽命周期費(fèi)用，有利于系統(tǒng)的升級以滿足不斷增長的系統(tǒng)功能和性能的需求。

3）采用航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，即整個航空電子系統(tǒng)使用一種數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各設(shè)備以及模塊之間的互連。統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)不僅存在于綜合核心處理機(jī)內(nèi)部，更是推廣到綜合核心處理機(jī)同飛機(jī)傳感器和受動器之間。統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)不僅能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且具有靈活的結(jié)構(gòu)和合理的互連方式，具有良好的可擴(kuò)展性。

4）采用分區(qū)技術(shù)、容錯設(shè)計等措施提高系統(tǒng)的可靠性。分區(qū)技術(shù)避免了航電應(yīng)用間相互干擾，使不同的航電任務(wù)在同一個綜合核心處理系統(tǒng)上運(yùn)行成為可能，滿足航電應(yīng)用對任務(wù)可靠度和安全性的需求。

5）具有良好的可升級性。綜合核心處理系統(tǒng)必須注意系統(tǒng)的可升級性，以支持不斷發(fā)展的需求。在硬件上，通過定義標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)使之易于提升某種模塊的能力，同時整個系統(tǒng)留有一定的冗余。在軟件上，通過定義不同層次間的標(biāo)準(zhǔn)接口和使用軟件元件的方法，使軟件易于更新。

6）高集成度。同以前的航電系統(tǒng)處理資源分散在不同的子系統(tǒng)中不同，所設(shè)計的綜合核心處理機(jī)所有處理資源集中于一個或數(shù)個機(jī)架內(nèi)，并大大減少了模塊的種類和數(shù)量，不僅減少了系統(tǒng)的重量，而且使系統(tǒng)更易維護(hù)。

7）可維護(hù)性。綜合核心處理系統(tǒng)具有故障定位能力，能夠通過一系列的軟硬件結(jié)合的動作，將故障定位在現(xiàn)場可更換模塊上，由以往的三級維護(hù)體系改進(jìn)到了二級維護(hù)體系。

8）結(jié)構(gòu)靈活，規(guī)?？缮炜s。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，支持不同規(guī)模的硬件模塊的互聯(lián)；系統(tǒng)軟件采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)，能夠支持不同規(guī)模的系統(tǒng)的分布式管理。

3 綜合核心處理機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

隨著機(jī)載系統(tǒng)資源的共享程度越來越高，通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)牟粌H僅是命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且還有大量的中間結(jié)果數(shù)據(jù)以及語音、圖像等信息，因此要求航電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)提供更高的通信帶寬支持，還要滿足強(qiáng)實時性、可靠性和可擴(kuò)展性和低成本等要求。傳統(tǒng)的1553B總線采用集中式控制，總線上所有節(jié)點(diǎn)共享帶寬1Mb/s的總線帶寬，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性差，難以滿足綜合化航電系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展要求。

FC光纖網(wǎng)絡(luò)是一種首先應(yīng)用在民用系統(tǒng)中的高速串行通信技術(shù)，速率可以達(dá)到1Gbps、2Gbps，甚至到4Gbps以上，同時還具備低延遲、可靠性高、重量輕、體積小，且應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，是一種新型的高速通信網(wǎng)絡(luò)。

FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會（ANSI）制定的用于連接工作站、大型機(jī)、巨型機(jī)、存儲設(shè)備、顯示器以及其它IO設(shè)備的高速串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。光纖通道模型也采用了分層的協(xié)議模型，協(xié)議共分為5層，分別為：FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4，其分層模型如圖2所示。

FC-0是物理層，定義了連接的物理端口特性；FC-1層是信號編碼和解碼層，實現(xiàn)8b/10b編碼和差錯控制；FC-2層定義了數(shù)據(jù)幀傳輸機(jī)制；FC-3層是通用服務(wù)層，定義網(wǎng)絡(luò)上公共服務(wù)。FC-4層是協(xié)議映射層，定義了高層應(yīng)用協(xié)議到光纖通道的映射方法。FC-AE協(xié)議是定義光纖通道在航電通信中的應(yīng)用方法。

光纖通道提供一種通用網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制，定義各種高層通信協(xié)議到光纖通道的映射方法。提供一套完整故障檢測手段和流量控制方法，保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。光纖通道支持三種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)（Point-to-Point）、仲裁環(huán)（Arbitrated Loop）和交換結(jié)構(gòu)（Fabirc）。每一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都適用于不同的目的，并且這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能夠組合起來構(gòu)成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。

機(jī)載FC網(wǎng)絡(luò)是通過民用FC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行剪裁，保留民用FC網(wǎng)絡(luò)中適合航電系統(tǒng)應(yīng)用的服務(wù)和特性，并定義FC-AE以及ARINC818等專門應(yīng)用于機(jī)載環(huán)境的高層通信協(xié)議，同時在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計中，使用專用控制電路增加FC通信的可靠性和確定性，從而提供一個可以用于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的高速、高可靠FC通信網(wǎng)絡(luò)。

3.2 分布式智能電源管理技術(shù)

目前數(shù)字芯片工作電壓越來越低，其工作電流越來越大以及負(fù)載響應(yīng)速度越來越高，對電源模塊來說，除去常規(guī)電性能指標(biāo)以外，對其功率密度的要求越來越高，對轉(zhuǎn)換效率的要求也越來越高，要求電源的輸出功率超過數(shù)千瓦，所以分布式電源系統(tǒng)代替集中式電源供電系統(tǒng)成為機(jī)載電源發(fā)展的一個方向。在分布式電源系統(tǒng)中，電源管理系統(tǒng)是其中非常重要的組成部分，它實現(xiàn)了對電源自身的健康狀態(tài)監(jiān)控，對電源模塊的工作狀態(tài)、輸出狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；對系統(tǒng)內(nèi)的每一個外場可更換模塊（LRM）的供電狀態(tài)進(jìn)行有效性控制、管理；對LRM模塊的順序加電控制。通過智能管理可以有效地隔離故障，防止故障蔓延，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

為了提高供電系統(tǒng)的可靠性，電源采用冗余設(shè)計，一旦某一電源發(fā)生故障，另一電源能獨(dú)立擔(dān)當(dāng)起對整個供電網(wǎng)絡(luò)供電的能力，即使某一路出現(xiàn)問題也不影響其他線路的供電。

冗余電源除完成功率轉(zhuǎn)換外，還具有智能管理和開關(guān)矩陣控制處理能力。供電網(wǎng)絡(luò)的智能管理由系統(tǒng)中的資源管理器控制，它們不但能和系統(tǒng)通信來管理電源并診斷電源有無差錯，而且也能基于監(jiān)控到的信息控制電源開關(guān)矩陣，以達(dá)到給功能模塊正常供電的目的。

該冗余電源可實現(xiàn)靈活的上電時序控制，它可以先對機(jī)架中的某些關(guān)鍵模塊上電，然后通過通訊總線接收上電時序控制命令，從而對機(jī)架中的其他模塊進(jìn)行上電。同時該供電系統(tǒng)還具有過流、過熱等多種保護(hù)功能，以確保系統(tǒng)在任何情況下的正常工作。

3.3 高性能模塊處理技術(shù)

更多的功能綜合到綜合核心處理系統(tǒng)中，這就需要其中的處理模塊具備更高的處理能力、實現(xiàn)更強(qiáng)的并行處理能力，同時更多不同類型（任務(wù)管理、實時控制、偵察計算等）的任務(wù)需要共用計算資源，這就需要處理模塊能承擔(dān)數(shù)據(jù)處理，信號處理等不同類型的任務(wù)。

PowerPC8640屬于PowerPC的G6代處理器，一片8640中提供1個e600內(nèi)核，主頻最高可達(dá)1.25GHz，e600內(nèi)核提供1MB的高帶寬、低延遲的L2 cache，是一款高性能的處理器。

PC8640有兩個64位的DDR2控制器接口，最高工作頻率533MHz。PC8640處理器使用e600核和高速內(nèi)部互連技術(shù)來平衡處理器的性能與IO系統(tǒng)的吞吐率。

PC8640配置了兩種靈活的高性能IO接口。一種是×1、×2、×4、×8 PCI Express接口，采用PCI-E總線實現(xiàn)板級高性能設(shè)備的串行點(diǎn)對點(diǎn)互連。另一種是1×、4×線串行RapidIO接口，由于RapidIO總線具有軟件開銷小，配置簡單，硬件糾錯等特點(diǎn)，且支持存儲器映射和包傳輸機(jī)制，非常適合作為底板接口。

PC8640還配置了4個以太網(wǎng)控制器，支持10Mbps，100Mbps和1000Mbps速率通訊。每個以太網(wǎng)控制器可以轉(zhuǎn)換為FIFO模式實現(xiàn)高效ASIC互連。此外PC8640還配置有UART接口、中斷控制器、DMA控制器、GPIO等資源6。

3.4 液體冷卻技術(shù)

高性能、高集成度帶來的是功耗的急劇增加，ICP中LRM模塊預(yù)計功耗為90～150W，整機(jī)功耗預(yù)計2000W。如此高密度的功耗如果采用常規(guī)的風(fēng)冷散熱無法解決機(jī)載環(huán)境下的散熱要求。液冷是一種非常有效的冷卻方式。集成機(jī)架液冷系統(tǒng)與同等條件下的風(fēng)冷系統(tǒng)、自然冷卻系統(tǒng)相比較，它所能散失的熱量非常大。以溫升40℃為例，自然冷卻所能散失的最大熱流密度和體積功率密度分別為0.04W/cm2、0.009W/cm3，強(qiáng)迫空氣冷卻所能散失的最大熱流密度和體積功率密度分別為0.3W/cm2、0.43W/cm3，而冷卻液體系統(tǒng)所能散失的最大熱流密度和體積功率密度分別為0.6W/cm2、0.6W/cm3。液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

液冷集成機(jī)架采用閉環(huán)冷卻系統(tǒng)。冷卻液從儲液箱中經(jīng)管道由泵吸入后送至發(fā)熱的集成機(jī)架中，溫度較低的冷卻液從模塊上冷卻液入口處的快速接頭流入到液冷模塊內(nèi)，帶走模塊上各器件的熱量后從模塊出口處的快速接頭流出，達(dá)到降低器件溫度的目的。冷卻液在模塊內(nèi)流動情況詳見圖4。攜帶熱量的冷卻液與來自飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的冷卻液體或氣體進(jìn)行熱交換，散失熱量后的冷卻液流回至儲液箱中準(zhǔn)備下一次的吸熱循環(huán)。通過這種源源不斷的循環(huán)流動，使安裝于集成機(jī)架上的LRM模塊電子元器件的熱量不斷散失，從而保證模塊上的元器件在正常的溫升范圍內(nèi)工作。

4 一種基于FC網(wǎng)絡(luò)的綜合核心處理機(jī)實現(xiàn)

綜合化航空電子系統(tǒng)要求高性能、高可靠的計算機(jī)處理系統(tǒng)，統(tǒng)一的高速網(wǎng)絡(luò)及高性能處理模塊是實現(xiàn)綜合化航空電子系統(tǒng)綜合核心處理機(jī)的基礎(chǔ)。設(shè)計了一種基于FC交換網(wǎng)絡(luò)的綜合核心處理機(jī)系統(tǒng)，ICP內(nèi)部模塊采用FC交換網(wǎng)絡(luò)互連，該網(wǎng)絡(luò)也是ICP與外部航電設(shè)備交互數(shù)據(jù)的主干通信網(wǎng)絡(luò)。FC網(wǎng)絡(luò)以2個32端口的網(wǎng)絡(luò)交換模塊（NSM）為核心，通過NSM級聯(lián)構(gòu)成一個具有56個通信端口的星型交換結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)互連拓?fù)淙鐖D5所示。

基于綜合核心處理機(jī)的功能性能需求、用戶的實際使用需求，綜合核心處理機(jī)實現(xiàn)要點(diǎn)如下：

電源模塊（PSM）：用于將外部直流270V轉(zhuǎn)換為計算機(jī)內(nèi)部模塊使用的28V電壓信號，采用1+1結(jié)構(gòu)供電模式，即采用兩塊相同電源模塊采用集中式冗余備份供電形式，具備智能管理功能，能夠根據(jù)系統(tǒng)需要為各LRM分別提供電源，能夠為各LRM獨(dú)立上下電；

通用處理及輸入輸出模塊（GPIO）：主要承擔(dān)PHM、火控解算等任務(wù)，以及ICP的系統(tǒng)控制與管理功能，包括時間管理、網(wǎng)絡(luò)管理、配置管理、模式管理等。在GPIO模塊上實現(xiàn)ICP與外部航電設(shè)備的輸入輸出接口，包括離散量接口、模擬量接口、RS422接口、RS485接口、1394總線接口以及時間同步接口等，ICP中提供2塊GPIO，工作在1+1備份模式下。

通用處理模塊（GPP）：主要承擔(dān)ICP中的數(shù)據(jù)處理與部分信號處理功能，用于完成ICP中雷達(dá)數(shù)據(jù)處理、電子戰(zhàn)信號處理與數(shù)據(jù)處理、光電控制與目標(biāo)解算等任務(wù)。GPP模塊集成高性能處理器與FC接口，ICP中GPP模塊設(shè)計為n+1備份工作模式，可根據(jù)實際使用需求對模塊數(shù)量進(jìn)行靈活配置，最多可配置數(shù)量為8塊。

信號處理模塊（SPM）：承擔(dān)ICP中的光電信號處理和圖像拼接。ICP中一共提供2塊SPM，每個模塊提供5路FC接口，1路連接交換網(wǎng)絡(luò)，用于和系統(tǒng)內(nèi)部其他FC節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其余4路用于接收前端光電設(shè)備傳感器信號與圖像信息。

大容量存儲模塊（MMM）：主要用于存儲數(shù)字地圖信息并生成數(shù)字地圖、ICP執(zhí)行中間狀態(tài)信息等，也可根據(jù)需要存儲初始化數(shù)據(jù)、代碼、配置數(shù)據(jù)，健康監(jiān)控管理所需要的數(shù)據(jù)庫。

網(wǎng)絡(luò)交換模塊（NSM）：為ICP內(nèi)部各模塊、航電系統(tǒng)之間提供FC交換功能。系統(tǒng)內(nèi)共含有2塊NSM，通過級聯(lián)端口級聯(lián)，組成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。每個NSM提供2個數(shù)據(jù)分析端口，供系統(tǒng)綜合時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)；

背板模塊（MB）：分為光背板和電背板，光背板模塊實現(xiàn)整個系統(tǒng)光信號互聯(lián)，電背板實現(xiàn)內(nèi)部LRM模塊間的電源網(wǎng)絡(luò)、調(diào)試信號互聯(lián)。

5 結(jié)束語

綜合核心處理機(jī)是航電系統(tǒng)高度綜合化的重要組成部分。本文設(shè)計的核心處理機(jī)，運(yùn)用了通用化、組合化、模塊級備份、FC總線、高性能處理、貫通式液體冷卻、分布式電源管理等新技術(shù)，在實現(xiàn)ICP內(nèi)部資源通用化、功能可重構(gòu)以及架構(gòu)開放性的同時，還保證了ICP強(qiáng)大處理能力、良好的擴(kuò)展性，為我國新一代飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)的研制，提供了一套功能齊全，接口完備、可靠性高、綜合化程度高的綜合處理系統(tǒng)。本文研究成果已經(jīng)在新一代飛機(jī)綜合航電系統(tǒng)中逐步得到廣泛應(yīng)用。

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