史雪輝

(海軍裝備部駐南京地區(qū)第二軍事代表室, 江蘇 南京 211153)

0 引 言

近年來隨著雷達(dá)技術(shù)以及微電子和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達(dá)觀念、體系架構(gòu)不斷變化。雷達(dá)體系正從流程型向網(wǎng)絡(luò)型，從定制化向開放式，從數(shù)字化向軟件化、智能化發(fā)展。雷達(dá)的應(yīng)用需求和技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了雷達(dá)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展。

開放式雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(ROSA)的概念于2009年由美國首先提出，當(dāng)前已有一定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)且完成了相關(guān)的原則制定。另外，作為示范性推廣項目，由美國空軍研發(fā)的三坐標(biāo)遠(yuǎn)程雷達(dá)已進(jìn)入技術(shù)演示和驗證階段。之后，林肯實驗室在2013年提出ROSA-II 分層架構(gòu)的理念，相較初始ROSA-I 架構(gòu)，這種新型架構(gòu)在靈活程度、可擴展性、模塊化程度以及可維護(hù)性等方面進(jìn)行了改進(jìn)。架構(gòu)中規(guī)定硬件平臺需使用標(biāo)準(zhǔn)化的總線以及協(xié)議構(gòu)件開放式架構(gòu)，達(dá)成各類異構(gòu)計算節(jié)點互聯(lián)。2014年美國海軍和空軍司令部提出了HOST(硬件開放式體系架構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))用于提供軍事應(yīng)用處理系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可重用性，降低開發(fā)進(jìn)度風(fēng)險。國內(nèi)2015年開始軍方牽頭開展雷達(dá)開放式體系架構(gòu)研究，涉及體系架構(gòu)，試驗平臺、相關(guān)規(guī)范等工作，各雷達(dá)主機廠結(jié)合成熟商用規(guī)范相繼制定了硬件設(shè)計規(guī)范[1]。

1 嵌入式總線架構(gòu)發(fā)展過程

PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)和VITA(VME International Trade Association)兩大組織一直是總線技術(shù)的引領(lǐng)者。

PICMG組織總線發(fā)展歷程如圖 1所示，20世紀(jì)80年代初，推出了ISA總線，1991年底Intel計算機架構(gòu)實驗室首先推出了PCI總線規(guī)范，并聯(lián)合IBM、Compaq、DEC、NCR等公司成立了負(fù)責(zé)規(guī)范研制、過程管理以及推廣的PCISIG(Special Interest Group)。1994年,PCI工業(yè)計算機制造商協(xié)會(PICMG)由多廠聯(lián)合成立，負(fù)責(zé)制定有關(guān)嵌入式計算機的通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同樣于1994年P(guān)ICMG基于PCI電氣和軟件規(guī)范確定了CompactPCI總線標(biāo)準(zhǔn)，總線按照歐卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)組合而成，具有包括開放體系架構(gòu)、高可靠性、低成本以及通用操作系統(tǒng)等優(yōu)勢，并在2000～2012年 CPCI在雷達(dá)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。可是由于PCI并行結(jié)構(gòu)本身有一定的局限性，難以滿足不斷提高的帶寬和可擴展需求，因此PICMG在2002年制定PCI Express標(biāo)準(zhǔn)，使用串行結(jié)構(gòu)高速互聯(lián)技術(shù)，且具有與CPCI規(guī)范兼容的能力[2]。

圖1 PICMG架構(gòu)發(fā)展歷程

2005年7月CPCI Express規(guī)范PICMG EXP.0發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)第3代總線PCI Express電氣特性，并結(jié)合了CPCI總線的機械結(jié)構(gòu)形式，在實現(xiàn)PCI-E總線體系結(jié)構(gòu)、突破帶寬的同時，能夠為計算機提供可靠性高、模塊化和可快速動態(tài)重組的解決方案。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，以及通信行業(yè)對數(shù)據(jù)流量的要求越來越高，基于CPCI的平臺在功耗和數(shù)據(jù)交換能力方面已經(jīng)無法滿足需求。PICMG主要面向通信領(lǐng)域，2002年底發(fā)布了PICMG3.0，ATCA(先進(jìn)的電信計算平臺)核心規(guī)范，定義了結(jié)構(gòu)、電源、散熱、互聯(lián)與系統(tǒng)管理核心規(guī)范，包括3.1以太網(wǎng)和光纖傳輸、3.2InfiniBand傳輸、3.3星型傳輸、3.4PCIE傳輸、3.5RapidIO傳輸。ATCA主要針對電信運營及應(yīng)用，具有高性價比、模塊化、兼容性強、可擴展等特點，由于惡劣環(huán)境下適應(yīng)性問題未在軍工及雷達(dá)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3]。

VITA組織總線發(fā)展歷程如圖 2所示，20世紀(jì)80年代初，VME總線作為一種通用的計算機總線，結(jié)合了Motorola公司Versa總線的電氣規(guī)范和歐卡機械封裝標(biāo)準(zhǔn)，能夠支持并獨立于多處理器計算機系統(tǒng)。1984年，VME國際貿(mào)易協(xié)會組織(VITA)成立，致力于推動VME總線的市場和發(fā)展。1987年推出了VME32。VME采用歐卡結(jié)構(gòu)，可靠性高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、實時處理和軍用領(lǐng)域。其在20世紀(jì)90年代成為雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用的主流架構(gòu)，VITA先后多次推出VME64、VME64x、VME320等規(guī)范。VME64將數(shù)據(jù)寬度從32位擴展為64位，增加了總線鎖定周期和主插槽探測功能，并增加了對熱插拔的支持；VME64x相對于VME64，傳輸協(xié)議從四沿傳輸變?yōu)殡p沿信號傳輸[4]。

為了增大帶寬和提高制冷能力，VITA先后推出VXS(VITA41)、VPX(VITA46)、REDI(VITA48)、電源標(biāo)準(zhǔn)(VITA62)、OpenVPX(VITA65)、光傳輸(VITA66)、射頻傳輸(VITA67)等一系列新的嵌入式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。其中，VPX全部采用高速連接器，其連接緊密，插入損耗小，誤碼率低；結(jié)合REDI組成的VPX-REDI平臺可以用于惡劣的作戰(zhàn)環(huán)境和大帶寬的軍工應(yīng)用。

2 嵌入式總線互聯(lián)發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)的嵌入式多處理器系統(tǒng)通過分時共享總線實現(xiàn)處理器間的互連，如PCI和VME總線，這類總線的總帶寬有限，處理器增加，每個處理器占據(jù)的帶寬就會變窄，這將嚴(yán)重制約處理器間的信息傳輸能力，不能滿足高性能嵌入式多處理器系統(tǒng)間的高速信息傳輸。為解決這一問題，發(fā)展了以高速串行總線為代表的新一代總線技術(shù)，其優(yōu)勢在于各處理模塊可以共享總線，互不影響，且總線帶寬可以隨端口數(shù)量的增多而增加。目前主流的總線包括PCI-Express、SerialRapidIO、InfiniBand、10 G、40 G、100 G以太網(wǎng)為主流的串行總線。總之，總線技術(shù)用交換方式取代了共享總線，用點到點方式取代了寬通道方式，差分信號取代了單端信號，串行I/O取代了并行I/O。隨著大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的發(fā)展，10 G、40 G以太網(wǎng)已逐漸成為雷達(dá)處理系統(tǒng)的主流交換架構(gòu)。

圖2 VITA架構(gòu)發(fā)展歷程

3 VPX系列標(biāo)準(zhǔn)分析及雷達(dá)應(yīng)用

VPX架構(gòu)開放性好，支持高速串行交換總線，滿足惡劣環(huán)境需求，在軍工及雷達(dá)領(lǐng)域逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。VPX標(biāo)準(zhǔn)主要由VITA46、VITA48、VITA62、VITA65、VITA66、VITA67等規(guī)范組成。

VITA46，即通常所說的VPX，是模塊級規(guī)范，由一系列子規(guī)范組成，完成對總線引腳與連接器的定義;明確規(guī)范了3U和6U背板連接器的高速互聯(lián)協(xié)議(VITA46.0);定義了VPX總線的引腳、與VME總線的引腳映射關(guān)系(VITA46.1)、與串行RapidIO的引腳映射關(guān)系(VITA46.3)以及與底板的插座(VITA46.12)；明確了它支持的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)，包括PCI(VITA46.2)、PCI Express(VITA46.4)、PMC/XMC(VITA46.9)等；并給出了其上電先后順序和系統(tǒng)管理(VITA46.13)。

將P0/J0連接器換成了MultiGigRT2連接器，如圖3所示。該連接器包括可控阻抗、低插入損耗，傳輸速率最高10.0 Gbps，將來可支持到25.0 Gbps，串?dāng)_小于3%。其主要目的是提高數(shù)據(jù)總線傳輸帶寬，該連接器系統(tǒng)牢固，能夠滿足雷達(dá)系統(tǒng)大傳輸帶寬要求，可用于惡劣環(huán)境。

圖3 Open VPX Planes 示意圖

3U與6U模塊的VPX模塊結(jié)構(gòu)尺寸分別為160 mm×100 mm和160 mm×233.35 mm，采用了IEEE 1101.1和1101.2標(biāo)準(zhǔn)(分別對應(yīng)于采用空氣冷卻和導(dǎo)體冷卻的模塊)。

VPX模塊采用直流電源供電，主供電電壓為+5 VDC、+12 VDC或+48 VDC，輔助供電電壓為+3.3 VDC。通過連接器P0對模塊供電，主供電電壓對應(yīng)P0信號定義中的Vs1、Vs2和Vs3，實際供電電壓為Vs1、Vs2和Vs3的組合。每個槽位所允許的最大功率分別為384 W。隨著功耗限額的提高，設(shè)計者在選取器件時有了更大的靈活性，為雷達(dá)高性能處理提供了強勁的動力,此時真正限制功耗的是系統(tǒng)的冷卻能力。

VITA48，即增強加固設(shè)計的機械規(guī)范(REDI-VPX)。它在模塊結(jié)構(gòu)等方面對VITA46標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了補充，使其可以更好地用于艦載、機載雷達(dá)，滿足對振動、沖擊、海拔、溫度等的要求，同時它是第1個可用于軍用平臺的商用現(xiàn)貨(COTS)模塊的標(biāo)準(zhǔn)。其內(nèi)容包括V48.0(基礎(chǔ))、V48.1(風(fēng)冷)、V48.2(導(dǎo)冷)、V48.3(液冷)等4個子規(guī)范。在加固型VPX系統(tǒng)的實現(xiàn)中，增加了0.85英寸(21.59 mm)以及1英寸(25.4 mm)的模塊間距選項。

VITA62，VPX電源模塊標(biāo)準(zhǔn)。定義了電源模塊和電源背板的連接器、引腳、結(jié)構(gòu)尺寸等。電源模塊具有符合VPX標(biāo)準(zhǔn)的管理總線、槽位號、使能等功能。單個電源引腳的輸出電流可達(dá)40 A，支持電源模塊并聯(lián)功能，可為雷達(dá)處理平臺內(nèi)各處理模塊提供大功率的電源支撐。

VITA65，它倡導(dǎo)形成一個廠商設(shè)計板卡和系統(tǒng)搭建的標(biāo)準(zhǔn)化指南，有益于VPX板卡生產(chǎn)廠商的設(shè)計及后續(xù)產(chǎn)品的兼容，增強了系統(tǒng)的開放性，便于設(shè)計者更好的發(fā)揮。

VITA65主要由以下三部分內(nèi)容組成：

第一部分定義了所涉及的系統(tǒng)分類和術(shù)語，采用統(tǒng)一的語言表達(dá)系統(tǒng)級的概念，并用“通用平面”進(jìn)行功率和通用功能的定義。

第二部分中提煉出一個通用的系統(tǒng)引腳和profile(描述結(jié)構(gòu)和層次的文件),定義通用槽和背板配置文件，確定開發(fā)模版的標(biāo)準(zhǔn)。VITA65定義了包括 backplane Profile、Slot profile、module profile、chassis profile等profile。實現(xiàn)產(chǎn)品兼容，僅要求廠家提供兼容的產(chǎn)品profile文件。另外，VITA65也定義了不同類型的平面(各設(shè)備間互聯(lián)的物理和邏輯通道)，其中包括擴展平面、數(shù)據(jù)平面、控制平面、管理平面、通用平面等。每臺設(shè)備可利用部分或全部平面及其它的設(shè)備通道(示意圖如圖5所示)。

第三部分對背板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的定義，高速串行交換架構(gòu)成為主流背板拓?fù)浼軜?gòu)。

VITA65標(biāo)準(zhǔn)的引入極大減少了整個系統(tǒng)的設(shè)計費用以及所需時間，它通過標(biāo)注化板卡的設(shè)計和使用，實現(xiàn)現(xiàn)有機箱和背板的快速整合。這樣的板卡有著更強的互操作性。另外，如需替換硬件板卡，僅需升級模塊，為雷達(dá)處理系統(tǒng)的通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了技術(shù)支撐。

VITA66，即VPX光纖互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了VITA46背板和模塊盲插光信號互聯(lián)方式。連接器如圖4所示，傳輸通道數(shù)當(dāng)前為12～24 lanes@25 Gbps，將來可達(dá)24～48 lanes@25 Gbps。當(dāng)前光纖技術(shù)在雷達(dá)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，VITA66的推出解決了光纖輸入直接與板卡互聯(lián)問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖4 VITA66連接器示意圖

VITA67，即VPX射頻互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了VITA46背板和模塊盲插射頻信號互聯(lián)方式。連接器如圖5所示，當(dāng)前傳輸通道數(shù)位4通道@26.5 GHz，將來可達(dá)12通道@70 Hz。VITA67的推出使得VPX技術(shù)由雷達(dá)后端處理向雷達(dá)射頻前端延伸，將整個雷達(dá)系統(tǒng)納入到統(tǒng)一的規(guī)范架構(gòu)下。

圖5 VITA67連接器示意圖

4 雷達(dá)硬件開放式體系架構(gòu)規(guī)范制定的總體思路和意義

結(jié)合VPX系列規(guī)范，制定高性能、低成本、可持續(xù)發(fā)展的雷達(dá)硬件開放式體系架構(gòu)規(guī)范，規(guī)范分3層架構(gòu)：

第1層內(nèi)容包括：根據(jù)雷達(dá)領(lǐng)域主要功能和設(shè)計需求，系統(tǒng)定義整個雷達(dá)處理平臺系統(tǒng)架構(gòu)總體描述，概述所有模塊遵循的標(biāo)準(zhǔn)，與具體技術(shù)和平臺無關(guān)。

第2層定義應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)所選核心技術(shù)的技術(shù)需求，為插箱級規(guī)范，規(guī)范了機箱結(jié)構(gòu)形式、背板拓?fù)洹?shù)據(jù)交換方式、總線形式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計等，現(xiàn)階段采用VITA65、VITA48規(guī)范。

第3層基于第2層設(shè)計，該層為模塊級規(guī)范，規(guī)定了模塊的種類及詳細(xì)的接口定義，保證不同制造商同一類型模塊的互換性，如電源模塊(采用VITA62規(guī)范)、交換模塊(采用VITA65規(guī)范)、射頻模塊(采用VITA46、VITA66規(guī)范)、處理模塊(采用VITA65、VITA46、VITA67)。

該規(guī)范的制定具有如下意義：

首先，該規(guī)范定義的雷達(dá)硬件平臺具有體系先進(jìn)開放、硬件規(guī)范統(tǒng)一、功能柔性重構(gòu)的特點，對軍用裝備通用化、模塊化、軟件化提供了技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)。

第二，形成成熟穩(wěn)定可靠的雷達(dá)硬件平臺，使系統(tǒng)功能軟件算法設(shè)計與硬件無關(guān)，從而讓設(shè)計師能更加關(guān)注信息處理算法與系統(tǒng)性能優(yōu)化，從而推動雷達(dá)系統(tǒng)總體技術(shù)的發(fā)展。

第三，通過對雷達(dá)的發(fā)展和需求進(jìn)行深入分析，選擇高速串行交換架構(gòu)的總線形式，提高系統(tǒng)的處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力，為雷達(dá)系統(tǒng)提供高速高效的處理硬件平臺。

第四，各模塊按標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行設(shè)計，模塊種類統(tǒng)一規(guī)定，減少硬件模塊品種和備件數(shù)量，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)成本。

5 結(jié)束語

本文首先提出了雷達(dá)發(fā)展對開放式體系架構(gòu)的需求，總結(jié)了嵌入式總線發(fā)展過程，根據(jù)雷達(dá)需求分析了VITA系列規(guī)范的應(yīng)用優(yōu)勢，基于對VITA規(guī)范的詳細(xì)解析提出了雷達(dá)硬件開放式體系架構(gòu)規(guī)范制定的總體思路，該規(guī)范的制定對雷達(dá)體制向軟件化、智能化發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。