一種宇航用智能計算機架構設計*

滕樹鵬 沈奇 劉攀 高宗彥 葉曦

（上海航天電子技術研究所/八院智能計算技術重點實驗室，上海，201109）

隨著衛星組網技術的日益完善，星載計算機產品的高速化、智能化逐漸成為星載計算機技術的發展趨勢。在星載智能計算機架構中，所有數據均需通過星地鏈路下傳后才能進行數據處理及分析，這樣就需要能夠覆蓋全球的地面測控站，而這是難以做到的。為了能夠及時獲取所有有效信息，需要能夠在星上對關鍵數據進行處理及分析，通過星間鏈路將重要信息發送至能夠與地面通信的衛星上，再向地面下傳。這也是宇航用智能計算機的設計需求背景。

1 宇航用計算機架構設計

根據宇航用智能計算機的需求背景分析，智能計算機架構中應包含：①高性能處理器；②能夠兼容不同載荷輸入的非標準化接口模塊；③能夠提供快速裝備的標準化數據接口模塊；④能夠對待處理數據和處理后數據進行存儲的存儲模塊；⑤對外發數據進行編碼的處理模塊；⑥根據需要可能存在的對重要星間或數傳信息進行加密的加密模塊。

在本設計架構下采用層疊式結構設計，架構設計如圖1所示，各模塊功能描述見表1，信息流如圖2所示。

圖1 智能計算機架構設計

表1 智能計算機各模塊功能

圖2 智能化計算機信息流程圖設計

2 二次電源模塊設計

二次電源模塊主要提供將星上一次電源供電轉換為單機內5V電源，電源模塊應該具備以下功能：①軟啟動電路，降低單機上電浪涌；②過流保護功能，若單機內模塊異常導致電流異常增加，應關閉一次電源，并且在重新上電后能恢復供電；③保險絲保護功能，若單機內出現不能恢復的硬件故障則應熔斷保險絲，保證單機損壞不會影響整星供電；④良好的散熱特性。根據以上特點設計電源模塊設計框圖。

3 固存模塊設計

固存模塊是本單機的重要組成部分，為處理器運行模塊，對數據進行處理并對處理前后數據進行存儲。固存模塊選用了freescale公司的低功耗PowerPC為主要處理器進行設計，操作系統采用風云翼輝操作系統，文件系統采用EXT2，文件的檢索基于文件系統及文件信息列表的方式實現，存儲介質采用加固型固態硬盤。

固存模塊設計可同時進行雙硬盤讀寫，實現數據存儲。PowerPC可提供雙SATAII標準協議接口，單盤理論最大傳輸速度2.5Gbps。同時PowerPC對外可提供雙1Giga以太網接口。PowerPC采用DDR進行數據緩存，PowerPC與接口模塊之間采用PCIe 2.0×4（Gen1）接口通信，理論最大速度為10Gbps。模塊采用自定義VPX高速內總線接口。

主控芯片選用NXP公司的PowerPC P1022NSE2LFB，該芯片詳細性能指標[1]：①雙核e500v2高性能PowerPC；②提供256Kbyte帶ECC二級緩存；③雙10/100/1000Mbps千兆MAC；④高速串行總線兩組，一組雙接口高速串行總線，一組四接口串行總線 （共六路高速串行總線最高速度 3Gbps）；⑤支持 64bits DDR2/DDR3接口同時支持8bitsECC校驗；⑥可編程中斷接口；⑦雙四通道DMA控制器。

4 接口模塊設計

接口模塊主要提供非標接口轉換功能，兼有高速數據緩存功能。能夠實現對TLK2711雙接口峰值3.2Gbps數據轉發，實現3路LVDS數據各50M數據轉發，通過DDRII進行1GB數據緩存。接口模塊還實現了與固存模塊的PCIe接口，PCIe接口主要負責將所有對外的非標接口數據傳遞給固存模塊。硬件設計框圖如圖3所示。接口模塊主控采用Xilinx公司的XC7K410T-2FBG900I FPGA。

5 網絡交換及AOS處理模塊設計

網絡交換及AOS處理模塊，主要包含兩部分主要功能：①與載荷和計算機星內網絡通信，并將數據通過以太網轉發給固存模塊；②接收固存模塊上傳的以太網數據，進行AOS格式化，并根據信息頭判斷是否進行加密處理，若不進行加密處理則直接發給編碼調制器，若需加密則發給加密模塊加密后轉發。

本模塊是分布式系統中的重要組成部分，主要由 FPGA、DSP、PHY、DDR、FLASH等硬件構成。FPGA主要用于完成AOS處理，DSP完成網絡協議處理及信息流的控制等工作。硬件設計上備了一路千兆網絡以及一塊DSP。其中掛接在FPGA上的DDR目前也是備用器件。本模塊主要完成以太網交換功能，可完成8路百兆及兩路千兆以太網交換。

圖3 接口模塊硬件拓撲圖

6 母板設計

數據服務器母板用于將各個模塊的內部并行總線接口信號通過走線連接起來，是連接各模塊電信號的重要單元。母板各插槽使用統一接插件，各模塊在母板的槽位分配和接插件選用如圖5所示。

我們通過對宇航用星載智能計算機架構的背景及需求進行分析，總結星載智能計算機應具備的性能，并針對所列舉性能設計了一種完整的星載計算機架構，對所設計的架構進行了模塊化分析。所設計的系統架構已經進行實物研發能夠實現對外通信接收數據總速度超過3.2Gbps，發送總速度450Mbps。本系統運行Linux及翼輝操作系統并運行自制應用軟件，可實現數據分析、處理、存儲、回放及實時通信轉發等功能。