何小亞　李成文　韓強　張彬　余云

摘要：新一代綜合航空電子系統(tǒng)正向開放式、綜合化、模塊化的方向發(fā)展，作為其基礎(chǔ)平臺的綜合核心處理平臺屬于機載實時分布式計算機系統(tǒng)，它的設(shè)計和研制方式直接地影響到綜合航電系統(tǒng)的研制周期和生產(chǎn)成本。為了適應(yīng)商用貨架技術(shù)的發(fā)展趨勢，從功能模塊、封裝結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)軟件及工程化等方面進行規(guī)范化設(shè)計研究，實現(xiàn)綜合核心處理平臺產(chǎn)品的標準化、模塊化和通用化研制生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：綜合核心處理平臺；規(guī)范化

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）18-0205-03

綜合模塊化航空電子（IMA）是目前機載航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最高階段，其特征和優(yōu)勢已經(jīng)在美國四代機上得到充分展現(xiàn)和發(fā)揮，為我國四代機綜合航電的研制工作提供了參考依據(jù)。綜合核心處理平臺提供公共計算、數(shù)據(jù)接口和駐留功能應(yīng)用等基礎(chǔ)類服務(wù)，是IMA的物理基礎(chǔ)，也是整個綜合航電的“大腦”和“神經(jīng)”。當前行業(yè)分工更加精細，交叉合作更加廣泛和緊密，為了適應(yīng)模塊化研發(fā)和生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)品貨架技術(shù)的趨勢化發(fā)展，需要對綜合核心處理平臺產(chǎn)品進行規(guī)范化設(shè)計，使綜合核心處理平臺產(chǎn)品設(shè)計更加標準化、規(guī)范化、通用化，從而降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，實現(xiàn)更大范圍的協(xié)同合作。

1總述

綜合核心處理平臺是一個提供公共計算、數(shù)據(jù)接口和駐留功能應(yīng)用的模塊化的系統(tǒng)。它由多個功能模塊硬件部件綜合在一起，通過運行應(yīng)用功能軟件實現(xiàn)飛機上的系統(tǒng)功能。綜合核心處理平臺規(guī)范化設(shè)計需要從功能模塊、封裝結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)軟件和工程化等方面進行考慮。

2功能模塊

綜合核心處理平臺的功能模塊組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。所有功能元件，除處理單元外，其他功能是相同的。功能模塊其內(nèi)部組成如下：

模塊支持單元（MSU）完成控制和監(jiān)視，并為功能模塊提供通用的功能；

處理單元（Pu）完成功能模塊的特定功能；

模塊物理接口（MPI）規(guī)定了功能模塊的物理特性，實現(xiàn)模塊的機械、光、電和冷卻等接口；

路由單元（RU）完成功能模塊內(nèi)部的通信功能，實現(xiàn)NIU與PU、MSU間的內(nèi)部互連。RU也提供網(wǎng)絡(luò)輸入輸出的直接連接功能。RU在MSU的控制下進行工作；

網(wǎng)絡(luò)接口單元（NIU）通過連接了模塊外部網(wǎng)絡(luò)與RU所實現(xiàn)的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路，完成功能模塊與外部的通信功能。NIU支持MLI的通信部分與網(wǎng)絡(luò)特性部分的實現(xiàn)；

電源支持元件（PSE）將外部供電電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧膬?nèi)部供電電壓，PSE可支持冗余電源輸入。

3封裝結(jié)構(gòu)

電子設(shè)備封裝方式一般和產(chǎn)品的頂層維修性需求密切相關(guān)。采用三級維修體系的電子設(shè)備，一般采用LRU封裝方式進行；采用兩級維修體系的設(shè)備，就需要設(shè)計成LRM模塊+集成機架的封裝方式。由于二級維修體系比三級維修體系少一級維修，對外場保障方面需求降低，LRM方式的備件更少，成本更低。因此，在電子設(shè)備高度綜合化的技術(shù)背景下，集成機架被廣泛應(yīng)用于飛機的綜合化電子設(shè)備中，因此，LRM封裝形式是綜合核心處理平臺普遍采用的封裝形式。

3.1集成機架結(jié)構(gòu)設(shè)計

集成機架是綜合核心處理平臺的重要組成部分，負責(zé)LRM模塊的拆裝和電氣互連。實現(xiàn)LRM模塊結(jié)構(gòu)強度剛度加固與防護、降溫散熱、腐蝕防護、電磁屏蔽等性能需求。標準集成機架宜選用標準機架形式，例如：可采用HB7704標準的封裝形式；該封裝中對應(yīng)的模塊為ARINC650外形。集成機架亦可根據(jù)內(nèi)部模塊封裝尺寸，做最小化機架結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.2 LRM模塊封裝結(jié)構(gòu)

模塊的封裝形式與系統(tǒng)需求密切相關(guān)，常見的綜合核心處理平臺LRM模塊封裝形式有SEM-E封裝、ASAAC封裝、ARINC650封裝等。標準的模塊封裝尺寸如表1示。

從各種板面積有效利用的情況考慮，板面積越大，結(jié)構(gòu)需要的非布線區(qū)占面積也越多，但相對而言，面積越大，結(jié)構(gòu)占比越小，可布線面積相對較大。SEM-E標準產(chǎn)品比較適合目前小體積，多功能，模塊化的設(shè)計需求。

3.3材料

模塊材料除滿足機載電子設(shè)備的一般要求外，還應(yīng)滿足以下原則：

密度小、強度高、熱導(dǎo)率高；

應(yīng)選用同類金屬或電位差小的不同類金屬。當不同類金屬直接接觸時，應(yīng)有防止產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的措施；

所用材料應(yīng)具有防止霉菌滋生的性能；

應(yīng)使用阻燃性材料，所用材料決不能易于燃燒。在過熱或接近火源的環(huán)境下，材料不會產(chǎn)生有害的物質(zhì)或是有毒的氣體；

選用的非金屬材料應(yīng)基本不含酸、堿、鹽成份，不含碳或金屬顆粒，不變質(zhì)，不吸收水分；

采用液體冷卻時，應(yīng)考慮冷卻介質(zhì)與接觸材料的兼容性問題。

3.4熱設(shè)計

模塊熱設(shè)計目的是控制模塊上所有電子元器件的溫度，使其在模塊所處的工作環(huán)境條件下不超過元器件規(guī)定的最高允許溫度或系統(tǒng)可靠性分配給元器件的溫度指標。散熱方式主要有：

自然散熱方式，當模塊耗散的功率密度較小時，應(yīng)優(yōu)先采用自然散熱方式進行。

強迫風(fēng)冷方式，當模塊耗散的功率密度較高時，可采用強迫空氣冷卻方式。強迫風(fēng)冷方式包括機箱機架側(cè)壁式風(fēng)冷、模塊環(huán)繞式風(fēng)冷及貫穿式風(fēng)冷等。

液冷方式，當強迫空氣冷卻難以滿足要求時，可采用液體冷卻方式。冷卻液流經(jīng)模塊內(nèi)部的換熱器并通過對流換熱帶出熱量。

3.5接口

接口類型主要有：

模塊機械接口，模塊應(yīng)具有與機架定位、鎖緊的功能，模塊還應(yīng)提供便于二級維護的拔插裝置。

模塊冷卻接口，當采用傳導(dǎo)冷卻時，模塊與機架接觸面的熱阻應(yīng)盡量減??；采用強迫空氣冷卻時，接口應(yīng)采取密閉措施減少空氣泄露；采用液體冷卻時，接口應(yīng)采取嚴格的密封措施不得有泄露現(xiàn)象。endprint

模塊電氣接口，模塊的電連接器應(yīng)含有光纖接口，選用的電連接器要便于殼體的安裝。

3.6重量

模塊的重量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)分配的重量設(shè)計，并時刻考慮進行優(yōu)化減重設(shè)計。

3.6外觀及表面處理

外觀及表面處理主要包括一下方面：

外表面外觀，模塊外表面不允許有腐蝕及明顯影響外觀質(zhì)量的傷痕、毛刺、變形和污染。設(shè)計時考慮人體工學(xué)需求，進行造型設(shè)計，減少尖邊銳角，力求美觀好用。

表面處理，模塊應(yīng)進行適當?shù)谋砻嫣幚硪员ＷC滿足電磁屏蔽和“三防”要求。

維護，模塊的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足二級維護的要求，便于外場維修。采取的維修措施和維修技術(shù)不應(yīng)導(dǎo)致模塊性能的降低。

工作環(huán)境要求，模塊應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范規(guī)定的工作環(huán)境要求。

標識，模塊應(yīng)在適當?shù)奈恢迷O(shè)計標識，標識內(nèi)容一般應(yīng)包括模塊名稱、模塊編號、制造廠商信息、出廠檢驗、靜電放電（ESD）標志及二維碼等內(nèi)容。具體以型號要求為準。

4基礎(chǔ)軟件

基礎(chǔ)軟件包括系統(tǒng)引導(dǎo)（BOOT）、板級支持包、機內(nèi)自檢測（BIT）、設(shè)備驅(qū)動、操作系統(tǒng)和基于操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信。

4.1 BOOT軟件

BOOT是CPU）2電后首先運行的軟件，具備如下功能：完成CPU初始化和系統(tǒng)引導(dǎo)、支持兩種引導(dǎo)啟動類型設(shè)置（離散量輸入方式和軟件設(shè)置方式）、支持啟動模式選擇及啟動地址配置和在線編程。

4.2板級支持包（BSP）

板級支持包提供如下支持：模塊硬件初始化、時鐘驅(qū)動、串口驅(qū)動、以太網(wǎng)驅(qū)動、中斷驅(qū)動、FLASH驅(qū)動、NvRam驅(qū)動和模塊復(fù)位支持。

4.3機內(nèi)自檢測（BIT）軟件

BIT軟件提供三種BIT：上電自檢測（PBIT）、連續(xù)BIT（CBIT）和啟動BIT（IBIT）。

4.4設(shè)備驅(qū)動軟件

設(shè)備驅(qū)動軟件為如下設(shè)備提供驅(qū)動支持：獲取硬件標識、看門狗、存儲器保護、掉電保護、系統(tǒng)上下電、FLASH驅(qū)動等。

4.5操作系統(tǒng)

4.5.1分區(qū)操作系統(tǒng)

分區(qū)操作系統(tǒng)是支持多應(yīng)用任務(wù)子系統(tǒng)的分區(qū)操作系統(tǒng)，其接口滿足GJB 5357要求。通過定義一層規(guī)范的應(yīng)用軟件接口，以提高應(yīng)用軟件的可移植性和可重用性，使得系統(tǒng)的升級和維護更加容易。依據(jù)功能要求，結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)中的軟件分層結(jié)構(gòu)，將分區(qū)操作系統(tǒng)的功能要求如下：

核心操作系統(tǒng)：提供分區(qū)管理（包括分區(qū)管理、存儲管理、虛中斷管理）、分區(qū)間通信管理、健康監(jiān)控、配置數(shù)據(jù)管理、任務(wù)管理、時間管理、定時器管理、擴展管理、任務(wù)間通信管理、中斷/異常管理、設(shè)備管理、調(diào)度表管理、系統(tǒng)調(diào)用擴展、日志信息輸出、錯誤號管理、核心操作系統(tǒng)初始化和核心操作系統(tǒng)CPU體系結(jié)構(gòu)支持包；

分區(qū)操作系統(tǒng)：提供分區(qū)管理（包括分區(qū)管理服務(wù)、進程管理、分區(qū)時間管理、分區(qū)存儲管理、虛中斷處理）、分區(qū)內(nèi)通信管理、分區(qū)間通信服務(wù)、進程級健康監(jiān)控、調(diào)度表管理服務(wù)、共享數(shù)據(jù)區(qū)、系統(tǒng)調(diào)用、分區(qū)內(nèi)日志信息輸出、分區(qū)內(nèi)錯誤號管理、分區(qū)內(nèi)異常管理、看門狗管理、分區(qū)操作系統(tǒng)初始化和分區(qū)內(nèi)CPU體系結(jié)構(gòu)管理功能；

可配置組件：提供C運行時庫、BIT管理、文件系統(tǒng)、C++運行時庫支持、分區(qū)級調(diào)試代理和任務(wù)級通信代理。

4.5.2平板操作系統(tǒng)

平板操作系統(tǒng)應(yīng)支持應(yīng)用任務(wù)的調(diào)度與管理功能、任務(wù)間通信管理、內(nèi)存管理、時間管理、錯誤處理、中斷/異常管理、高速緩存（Cache）管理、自檢測（Brr）管理和基本調(diào)試功能。

4.5.3基于操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信

基于操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信包括總線通信軟件和網(wǎng)絡(luò)軟件?？偩€通信軟件基于操作系統(tǒng)給上層提供的總線通信接口。網(wǎng)絡(luò)軟件基于協(xié)議軟件為用戶提供如下功能：設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理、通信管理、時鐘服務(wù)和中斷回調(diào)處理。

5工程化

工程化規(guī)范化設(shè)計主要依據(jù)具體產(chǎn)品的研制要求和實施環(huán)境，從可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性等方面進行考慮。

6結(jié)束語

通過對綜合核心處理的功能模塊、封裝結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)軟件和工程化等方面進行規(guī)范化設(shè)計研究，實現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化研制和生產(chǎn)，能夠大大縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研制成本，增強行業(yè)內(nèi)更廣泛的合作。endprint