國產標準機載計算機的研制構想

吳蓬勃

摘 要：該文闡述了進行國產標準機載計算機的標準化、模塊化、通用化、系列化研制和發展思路。機載標準計算機是在一定的架構下通過不同的通用標準化模塊組合、軟件配置進行多用途擴展應用的一類機載計算機。上世紀70年代， 美國為提高機載計算機的功能、性能、可靠性、保障性和安全性，在機載計算機的發展初期就著手通用化、系列化、標準化機載計算機的研究工作。AN/AYK-14作為美軍的標準機載計算，在美國海軍和空軍作戰平臺中發揮了重要作用，是機載計算機的發展趨勢和方向。現代信息化戰爭對機載裝備可靠性、保障性和安全性的高標準要求以及國外器件的斷檔、停產禁運，要求我們必須立足國內，探索一條適合國情的機載國產標準機載計算機發展道路。

關鍵詞：計算機 通用 國產化

中圖分類號：V247 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（b）-0006-02

機載標準計算機是在一定的架構下通過不同的通用標準化模塊組合、軟件配置進行多用途擴展應用的一類機載計算機。

上世紀70年代， 美國為提高機載計算機的功能、性能、可靠性、保障性和安全性，在機載計算機的發展初期就著手通用化、系列化、標準化機載計算機的研究工作。AN/AYK- 14作為美軍的標準機載計算機[1]，在美國海軍和空軍作戰平臺中發揮了重要作用，是機載計算機的發展趨勢和方向[2]。

現代信息化戰爭對機載裝備可靠性、保障性和安全性的高標準要求以及國外器件的斷檔、停產禁運，要求我們必須立足國內，探索一條適合國情的機載國產標準機載計算機發展道路。

1 機載計算機的典型架構

機載電子系統經歷了分布式、聯合式、綜合化發展階段，起于上世紀50～60年代的分布式系統，由于體積龐大、資源共享能力低、維護成本高等特點，很快的被聯合式所替代。

1.1 聯合式機載計算機的架構

聯合式機載計算機是一個集中控制、分布執行的分布式計算機系統。

相對于分布式，聯合式具有相對獨立、全機統一的調度和管理、采用模塊化軟件設計、便于維護和擴充；采用1553B總線，簡化了設備連接，減輕了系統體積和重量。但存在總線帶寬窄、硬件共享低、容錯能力有限、標準化低等局限性。

1.2 綜合化機載計算機的架構

綜合化機載計算采用層次化設計、用系統共享的綜合核心處理器（ICP）來完成幾乎全部的信號與數據處理，其功能分配在公共模塊上，這些模塊通用性強，可支持各種不同安全等級的應用；可通過軟件配置實現功能的增減以滿足維護和余度備份要求，具有容錯性強，資源共享，維護方便、易擴展、低成本、體積小、重量輕、可靠性高的特點。機內外通信基于無阻、實時的FC光纖交換網絡。

2 我國目前的硬、軟件基礎資源現狀

國產關鍵元器件和軟件系統是機載嵌入式國產計算機的核心。國內在機載計算機軟、硬件研發、制造及測試驗證方面均具有一定基礎。

2.1 國產關鍵電子元器件方面

對于阻、容等分立器件國內具有大量成熟的器件和廠商；處理器、存儲器等關鍵器件國內具有一定的研發能力。

國防科大一直致力于自主可控處理器的自主研發，已開發出飛騰系列單、多核處理器，中科院已推出龍芯系列處理器，國微公司具有國外多種型號處理器的逆向替代研制能力。

2.2 軟件方面

機載計算機軟件一般由模塊支持層、操作系統層、應用程序層軟件和地面支持軟件組成。

模塊支持層主要包括板級BSP、設備驅動及BOOT軟件；地面支持軟件包括軟件開發環境、數據下載軟件和在板編程軟件；應用軟件主要包含系統管理和任務管理軟件，各類軟件均需第三方測試。

操作系統是機載嵌入式國產計算機軟件中的關鍵所在，目前國產操作系統主要有天脈、ReWorks、中標麒麟等操作系統。

天脈操作系統包括天脈1型和天脈2型嵌入式操作系統，天脈1為平板式實時操作系統，具有實時性高，配置簡單，體積小，兼容VxWorks5.x接口等特點。天脈2為分區操作系統，主要用于多應用任務系統，目前這兩款國產操作系統已成為國產機載操作系統的主力。

2.3 國產器件的應用驗證能力

國產軟、硬件測試以及軟硬件適配測試驗證，對于產品的性能具有舉足輕重的影響。我國具有專門的從事機載計算機整機系統研制和綜合測試驗證的部門，具有一定的國產整機系統研發和系統綜合測試能力基礎，能夠肩負起國產標準機載計算機的系列化集成研制和綜合測試驗證的重任。

3 發展思路

國產標準機載計算機的自主研制，要在協同國內軟、硬件發展的基礎上，立足國內現狀，合理規劃、按步奏協調發展、逐步拓展。

3.1 科學規劃

針對裝備階段性需求，立足國內基礎。根據機載計算機的不同應用、功能、性能、特定使用要求、國產器件的成熟度、研制進度制定研制計劃；按不同的整機、功能模塊、國產化率、功能、性能指標特點分步奏進行標準化、模塊化、通用化、系列化功能模塊研制，通過不同模塊組合和軟件加載構建相應的機載計算機。

3.2 提升研發和測試驗證能力

3.2.1 采用基于模型的設計

首先進行研制需求分析，挖掘明確產品研制的功能、性能研制需求，建立的系統需求模型。

根據需求模型，明確和構建系統行為級仿真模型進行行為級仿真。并在模塊研制完成之前進行系統功能分解和功能模型仿真，提前驗證產品設計是否滿足系統需求。

模塊功能模型采用全軟件仿真，可操作性強，主要對處理器、存儲器和I/O設備進行仿真。

建立模塊時序級模型進行板級時序仿真，時域、頻域、直流工作點、參數掃描噪聲與失真分析。

進行小體積、低功耗、輕重量設計，增強產品可靠性、安全性和保密性設計。

3.2.2 驗證能力建設

針對國產軟、硬件現狀，建立系統開發和驗證環境，進行器件級、板級、整機級、系統級應用驗證；器件級驗證主要進行器件功能、性能和等封裝的測試；板級主要進行板內硬件資源，軟硬件適配性測試。

整機級主要進行各模塊間的適配性、軟硬件綜合適配、環境適應性、可靠性驗證；系統級進行系統交聯、容錯和典型應用驗證。

3.3 分步發展、逐步拓展

3.3.1 進行聯合式機載計算機全國產化研制

采用國產SM750+天脈1+VME+1553B的架構開展單應用計算機全國產化率研制。

3.3.2 逐步開展全國產綜合化機載計算機研制

采用“國產多核操作系統+國產分區操作系統+FC網絡總線”的技術架構，以模塊化、綜合化、系列化為主線，立足國內基礎、國產器件成熟度，分層次進行小體積、低功耗、重量輕綜合化模塊研制；逐步構建全全系列通用處理模塊、數據處理模塊、信號處理模塊、圖形處理模塊、大容量存儲模塊、網絡交換模塊、智能電源模塊研制。

開展數據加密、數據安全性設計、動態重構、芯片級容錯技術預研，建立系統的數字仿真建模型，進行系統性能初步計算和故障模式分析和方案論證選擇。

加強通用模塊推廣，通過需求模型分析、模型驗證，系列化的配置形成系列化整機并推廣應用。

進行系統可剪裁性、擴展性研究，建立相應的規范，指導機載嵌入式計算機設計，促進綜合系列化發展。

進行綜合國產LRM研制、國產化計算機推廣擴展應用研究，探索新一代國產計算機研制需求，探索工業級器件應用的開放式平臺等預研。為新型裝備的研制奠定基礎。

3.4 達成目標

能夠驗證一系列國產器件、形成系列化國產經驗電路和模塊；積累一系列成熟的國產化器件及其使用經驗。形成國產化元器件應用驗證方法、應用指導、性能評估、經濟性、風險分析報告、國產化計算機設計和研制指南。

4 總結

標準化、系列化、綜合化是國產標準計算機的發展之路，相信立足國內基礎，合理規劃，采用先進的研制手段研發設計和測試驗證，逐步拓展，一定能夠提升航空裝備的研制質量和水平。

參考文獻

[1] 王成昆.美國機載計算機AN/AYK14分析及應用研究[J].航空計算技術，2009，39（2）：130-134.

[2] 郭華.解析美國機載計算機的三化道路[J].航空計算技術，2009，39（2）：126-129.