一种基于多处理器的星载计算机抗辐射加固设计方案

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3、研究与探讨一种基手参矬理器晌星载讲算概搋籀躺如画谖讲雳案彭小燕彭色刘凯俊杨麂藜曦(上海航天电子技术研究所，上海，200109)文摘：采用4DsP+FPGA结构方案，在满足系统高可靠性的前提下，运行一种“3+1’’的工作模式，针对备份DSP提出一种可选的“轮转切换”方案，利用预读节省DSP进行数据读取的时间，实现星载计算机的抗辐射加固设计与高性能设计的平衡。关键词：卫星设备；星载计算机；多处理器；抗辐射加固。十本文源于国防预研抗辐射加固技术项目(513110401××)。星载计算机作为卫星上的核心部件．主要用于卫星控制、数据处理和星务管理等。空间环境不同于

4、地面．其中存在着许多电磁波与高能粒子．它们会对星载计算机系统中的电子器件产生各种辐射效应。如果星载计算机没有任何防辐射措施，将很容易受到电磁波的辐射和高能粒子的冲击．从而影响到计算机内部微电子器件的性能和参数．导致卫星工作的异常或故障⋯。由于卫星的工作具有长期性和不可维护性的特点．一旦卫星出现故障几乎无法进行修复．整个卫星可能就会报废，甚至成为太空垃圾．这些都将带来巨大的损失。所以，对星载计算机进行抗辐射加固设计是星载计算机分系统设计的重要组成部分．本设计方案中所提出的“多处理器高性能星载计算机”抓住了星载计算机多个高性能处理器协同工作这一重要趋势．利用系统

5、由多个高性能处理器组成这一先天条件．使得本系统的性能得到大幅提升，可以将出错的处理器进行替换．大大提高了星载计算机系统的可靠性．实现了星载计算机的抗辐射加固设计与高性能设计的平衡。本设计《航天标准化》2016年第2期方案使用FPGA和四片高性能DSP数字信号处理芯片组建多处理器高性能星载计算机平台．包括4DSP+FPGA系统架构和软件运行方案的设计。1系统平台方案本设计方案希望通过对星载计算机软件容错技术进行研究．来解决传统星载计算机系统高性能与高可靠性难以协调兼顾的问题。本设计方案采用FPGA和4个DSP构建多处理器高性能星载计算机系统．其硬件结构如图l所

6、示。每个子系统由DSP(数字信号处理器)、FLASH(闪存)、SDRAM(同步动态随机存储器)、FPGA(现场可编程门阵列，也称为子系统FPGA)和JTAG(联合测试工作组)接口等器件组成。每个子系统都连接到一个管理FPGA上(称为全系统FPGA)，并连接共享双端口SRAM、FLASH、1553B总线控制器、RS一422／IⅣDS收发器等外设。系统的关键接口包括子系统和全系统。a)子系统。每个子系统内部利用子系统FPGA实现数据处理器SMJ320C6701的32位种虹多鲤糊越算雌韫鞋理匝陵讨赶壑m噎飞豳遂鞋兰r‘⋯⋯——‘一1IJTAGDSP—AFLASHD

7、SPB～ll一地址／数据／控制日Ⅵ旷子系统FPGAFLASHDSP—C子系统FPGAJTAG：一!A翌～DS眇：l子系统FPGA步D面F高速)肄步陆映射1553b图1“4DSP+FPGA”体系框图EMIF接口与FLASH／SDRAM直接连接．同时将EMIF接口引出至全系统FPGA．并实现基于“检二纠一”的EDAC(错误检测与纠正)校验编码。其巾，对子系统存储接口的模式配置为：DSP与FLASH——异步EMIF接口总线模式复用(典型配置)：DSP与SDRAM——同步EMIF接口总线模式复用(SDRAM模式配置)：子系统对外接口(通过子系统FPGA)——EMIF

8、数据／地址线、异步／同步EMIF控制信号(含FuU—rateSBSRAM模式)、McBSP接口、中断信号(DSP到主机、主机到DSP)、定时器／GPIO信号、DMA控制信号等。b)全系统。全系统FPGA中实现定制EMIF总线扩展逻辑．将高速同步SRAM接口映射连接至两片双端口SRAM．最大程度保证全系统共享存储的访存效率【2】：将异步EMIF地址映射至全系统FLASH和1553B控制器。实现全系统DMA功能：将串行通讯McBSP接口映射至RS一422／LVDS接口．并实现McBSP到通用串口的协议转换。其中．对全系统存储和接口控制的模式配置如下。·双端口SR

9、AM：同步EMIF接口总线模式复用．支持Full—rateSSCLK下4-beatburstSBSRAM模式读写。·FLASH：异步EMIF接口总线模式复用一，)一McBSPRS一422LVDSx(DMA支持)。·1553B总线控制器：异步EMIF接口总线模式复用(DMA支持)》·RS一422／LVDS收发器：McBSP接口交叉开关(CrossBar)模式复用及串口协议转换(DMA支持)。此外．全系统FPGA中还集成了系统模式配置和备份切换等全局控制逻辑．通过预先设定的控制寄存器和状态寄存器与各个子系统交互。2系统运行方案2．1系统启动及运行该系统在正常工作

10、的情况下．3个处理器单元进行并行计算(称为并行子系统