航电系统综合核心处理机研究与实现

何立军　解文涛　俞大磊　石海洋

摘要：随着现代战争环境日益复杂化，态势估计、预警、战场指挥等作战任务越来越需要高性能航空电子系统的支持，航空电子系统已经成为提高军用飞机性能最主要、最有效的手段之一。综合核心处理机（ICP）居于新一代飞机航空电子系统的核心，能够对雷达、通讯导航识别、电子战、显示控制、任务管理、武器管理、人机接口等多种典型航电任务进行综合处理，是整个综合航电的“大脑”和“神经”。该文描述了航电系统综合核心处理机显著特点和关键技术，并给出了一种基于光纤通道网络（FC网络）的综合核心处理机的具体实现。

关键词：综合核心处理机；航空电子系统；光纤通道网络

中图分类号：TP274 文献识别码：A 文章编号：1009-3044（2015）08-0204-04

Abstract： With the development of modern war environment is becoming more and more complex，situation assessment， early warning and control， battlefield command combat mission is need more and more high performance Avionics Systems support. Avionics Systems to improve the performance of military aircraft has become the most important and the most effective means.Integrated Core Processor（ICP） is the core of next generation's avionics system.It has general abilities of processing typical avionics missions such as radar， communication、Navigation and Identification（CNI）， electronic war（EW）， display control， mission management， weapon management and I/O， etc，is the "brain" and "nerve" of Integrated Avionics Systems.This paper demonstrates the research status and distinct characteristics of Avionics Integrated Core Processor， of which an Fiber Channel network based implement is introduced as well.

Key words： Integrated Core Processor； Avionics Systems； Fiber Channel Networks

1 引言

隨着现代战争环境日益复杂化，态势估计、预警、战场指挥等作战任务越来越需要高性能航空电子系统的支持，飞机对航空电子系统的依赖性越来越大，航空电子系统已经成为提高军用飞机性能最主要、最有效的手段之一。综合核心处理机作为航空电子系统的管理和处理中心，承担了系统管理、传感器管理和数据融合、雷达数字功能处理、电子战数字脉冲功能处理、通信导航识别数字功能处理、红外搜索跟踪、分布式孔径、数字地图处理、战场态势处理、图像处理、显示控制和管理处理、音频处理、数据管理、健康管理等多个任务，先进的综合核心处理机系统对于实现航空电子系统的功能、性能及提高飞机的作战和生存能力，起着决定性的作用。因此，本文针对新一代飞机航电系统综合化处理技术开展了研究，实现了航电系统信息综合化处理。

2 综合核心处理机特点

综合核心处理机（ICP）是指综合化航电和高度综合化航电中，具有综合化、模块化、软件化、网络化等多种特征的，在结构上进行了高密度集成的，一个实时的容错的分布式的机群。在新一代综合化航空电子系统中，综合程度已从联合式航电中的显示综合，推进到数据处理系统和传感器系统，如图1所示1。在这样的系统中，以多种共享的资源模块实现各种航电功能，各种航电功能则围绕共享的资源呈放射状分布，再也不能按照传统分辨出各个子系统的界线2。ICP在综合化航空电子系统中居于核心位置，是整个综合航电的“大脑”和“神经”。

一般认为，新一代综合核心处理机的主要特征包括以下几个方面1，3，4，5：

1）具有较高的数据、信号、处理能力并高度综合，为所有的典型航电应用提供统一的综合处理平台，并满足其需要，这些能力能合理的分配给不同的航电应用并有机的结合成为一个整体，使得每个航电应用既拥有足够的资源，又不相互干扰，还备有一定的资源供系统故障或系统扩展时使用。

2）采用模块化的设计方法。硬件功能模块采用深度模块化设计技术，减少模块种类；软件通过采用标准接口的模块化软件设计，减少软件重复开发，增强软件的通用性。通过实现模块化，降低设计、生产的复杂度，减少维护成本和时间，从而降低全寿命周期费用，有利于系统的升级以满足不断增长的系统功能和性能的需求。

3）采用航空电子统一网络，即整个航空电子系统使用一种数据通讯网络实现各设备以及模块之间的互连。统一网络不仅存在于综合核心处理机内部，更是推广到综合核心处理机同飞机传感器和受动器之间。统一网络不仅能够降低系统的复杂度，而且具有灵活的结构和合理的互连方式，具有良好的可扩展性。

4）采用分区技术、容错设计等措施提高系统的可靠性。分区技术避免了航电应用间相互干扰，使不同的航电任务在同一个综合核心处理系统上运行成为可能，满足航电应用对任务可靠度和安全性的需求。

5）具有良好的可升级性。综合核心处理系统必须注意系统的可升级性，以支持不断发展的需求。在硬件上，通过定义标准的结构使之易于提升某种模块的能力，同时整个系统留有一定的冗余。在软件上，通过定义不同层次间的标准接口和使用软件元件的方法，使软件易于更新。

6）高集成度。同以前的航电系统处理资源分散在不同的子系统中不同，所设计的综合核心处理机所有处理资源集中于一个或数个机架内，并大大减少了模块的种类和数量，不仅减少了系统的重量，而且使系统更易维护。

7）可维护性。综合核心处理系统具有故障定位能力，能够通过一系列的软硬件结合的动作，将故障定位在现场可更换模块上，由以往的三级维护体系改进到了二级维护体系。

8）结构灵活，规模可伸缩。系统拓扑结构灵活，支持不同规模的硬件模塊的互联；系统软件采用层次化、模块化结构，能够支持不同规模的系统的分布式管理。

3 综合核心处理机关键技术

3.1 网络通信技术

随着机载系统资源的共享程度越来越高，通信网络上传输的不仅仅是命令和状态数据，而且还有大量的中间结果数据以及语音、图像等信息，因此要求航电系统通信网络提供更高的通信带宽支持，还要满足强实时性、可靠性和可扩展性和低成本等要求。传统的1553B总线采用集中式控制，总线上所有节点共享带宽1Mb/s的总线带宽，网络可扩展性差，难以满足综合化航电系统的应用发展要求。

FC光纤网络是一种首先应用在民用系统中的高速串行通信技术，速率可以达到1Gbps、2Gbps，甚至到4Gbps以上，同时还具备低延迟、可靠性高、重量轻、体积小，且应用灵活等特点，是一种新型的高速通信网络。

FC网络技术是美国国家标准委员会（ANSI）制定的用于连接工作站、大型机、巨型机、存储设备、显示器以及其它IO设备的高速串行数据传输协议标准。光纤通道模型也采用了分层的协议模型，协议共分为5层，分别为：FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4，其分层模型如图2所示。

FC-0是物理层，定义了连接的物理端口特性；FC-1层是信号编码和解码层，实现8b/10b编码和差错控制；FC-2层定义了数据帧传输机制；FC-3层是通用服务层，定义网络上公共服务。FC-4层是协议映射层，定义了高层应用协议到光纤通道的映射方法。FC-AE协议是定义光纤通道在航电通信中的应用方法。

光纤通道提供一种通用网络传输机制，定义各种高层通信协议到光纤通道的映射方法。提供一套完整故障检测手段和流量控制方法，保证通信网络的可靠性。光纤通道支持三种基本的拓扑结构：点到点（Point-to-Point）、仲裁环（Arbitrated Loop）和交换结构（Fabirc）。每一种拓扑结构都适用于不同的目的，并且这些拓扑结构都能够组合起来构成更大规模的网络。

机载FC网络是通过民用FC网络进行剪裁，保留民用FC网络中适合航电系统应用的服务和特性，并定义FC-AE以及ARINC818等专门应用于机载环境的高层通信协议，同时在网络设备设计中，使用专用控制电路增加FC通信的可靠性和确定性，从而提供一个可以用于机载网络的高速、高可靠FC通信网络。

3.2 分布式智能电源管理技术

目前数字芯片工作电压越来越低，其工作电流越来越大以及负载响应速度越来越高，对电源模块来说，除去常规电性能指标以外，对其功率密度的要求越来越高，对转换效率的要求也越来越高，要求电源的输出功率超过数千瓦，所以分布式电源系统代替集中式电源供电系统成为机载电源发展的一个方向。在分布式电源系统中，电源管理系统是其中非常重要的组成部分，它实现了对电源自身的健康状态监控，对电源模块的工作状态、输出状态进行监测；对系统内的每一个外场可更换模块（LRM）的供电状态进行有效性控制、管理；对LRM模块的顺序加电控制。通过智能管理可以有效地隔离故障，防止故障蔓延，从而提高系统的可靠性。

为了提高供电系统的可靠性，电源采用冗余设计，一旦某一电源发生故障，另一电源能独立担当起对整个供电网络供电的能力，即使某一路出现问题也不影响其他线路的供电。

冗余电源除完成功率转换外，还具有智能管理和开关矩阵控制处理能力。供电网络的智能管理由系统中的资源管理器控制，它们不但能和系统通信来管理电源并诊断电源有无差错，而且也能基于监控到的信息控制电源开关矩阵，以达到给功能模块正常供电的目的。

该冗余电源可实现灵活的上电时序控制，它可以先对机架中的某些关键模块上电，然后通过通讯总线接收上电时序控制命令，从而对机架中的其他模块进行上电。同时该供电系统还具有过流、过热等多种保护功能，以确保系统在任何情况下的正常工作。

3.3 高性能模块处理技术

更多的功能综合到综合核心处理系统中，这就需要其中的处理模块具备更高的处理能力、实现更强的并行处理能力，同时更多不同类型（任务管理、实时控制、侦察计算等）的任务需要共用计算资源，这就需要处理模块能承担数据处理，信号处理等不同类型的任务。

PowerPC8640属于PowerPC的G6代处理器，一片8640中提供1个e600内核，主频最高可达1.25GHz，e600内核提供1MB的高带宽、低延迟的L2 cache，是一款高性能的处理器。

PC8640有两个64位的DDR2控制器接口，最高工作频率533MHz。PC8640处理器使用e600核和高速内部互连技术来平衡处理器的性能与IO系统的吞吐率。

PC8640配置了两种灵活的高性能IO接口。一种是×1、×2、×4、×8 PCI Express接口，采用PCI-E总线实现板级高性能设备的串行点对点互连。另一种是1×、4×线串行RapidIO接口，由于RapidIO总线具有软件开销小，配置简单，硬件纠错等特点，且支持存储器映射和包传输机制，非常适合作为底板接口。

PC8640还配置了4个以太网控制器，支持10Mbps，100Mbps和1000Mbps速率通讯。每个以太网控制器可以转换为FIFO模式实现高效ASIC互连。此外PC8640还配置有UART接口、中断控制器、DMA控制器、GPIO等资源6。

3.4 液体冷却技术

高性能、高集成度帶来的是功耗的急剧增加，ICP中LRM模块预计功耗为90～150W，整机功耗预计2000W。如此高密度的功耗如果采用常规的风冷散热无法解决机载环境下的散热要求。液冷是一种非常有效的冷却方式。集成机架液冷系统与同等条件下的风冷系统、自然冷却系统相比较，它所能散失的热量非常大。以温升40℃为例，自然冷却所能散失的最大热流密度和体积功率密度分别为0.04W/cm2、0.009W/cm3，强迫空气冷却所能散失的最大热流密度和体积功率密度分别为0.3W/cm2、0.43W/cm3，而冷却液体系统所能散失的最大热流密度和体积功率密度分别为0.6W/cm2、0.6W/cm3。液冷系统的结构原理如图3所示。

液冷集成机架采用闭环冷却系统。冷却液从储液箱中经管道由泵吸入后送至发热的集成机架中，温度较低的冷却液从模块上冷却液入口处的快速接头流入到液冷模块内，带走模块上各器件的热量后从模块出口处的快速接头流出，达到降低器件温度的目的。冷却液在模块内流动情况详见图4。携带热量的冷却液与来自飞机环控系统的冷却液体或气体进行热交换，散失热量后的冷却液流回至储液箱中准备下一次的吸热循环。通过这种源源不断的循环流动，使安装于集成机架上的LRM模块电子元器件的热量不断散失，从而保证模块上的元器件在正常的温升范围内工作。

4 一种基于FC网络的综合核心处理机实现

综合化航空电子系统要求高性能、高可靠的计算机处理系统，统一的高速网络及高性能处理模块是实现综合化航空电子系统综合核心处理机的基础。设计了一种基于FC交换网络的综合核心处理机系统，ICP内部模块采用FC交换网络互连，该网络也是ICP与外部航电设备交互数据的主干通信网络。FC网络以2个32端口的网络交换模块（NSM）为核心，通过NSM级联构成一个具有56个通信端口的星型交换结构，整个系统互连拓扑如图5所示。

基于综合核心处理机的功能性能需求、用户的实际使用需求，综合核心处理机实现要点如下：

电源模块（PSM）：用于将外部直流270V转换为计算机内部模块使用的28V电压信号，采用1+1结构供电模式，即采用两块相同电源模块采用集中式冗余备份供电形式，具备智能管理功能，能够根据系统需要为各LRM分别提供电源，能够为各LRM独立上下电；

通用处理及输入输出模块（GPIO）：主要承担PHM、火控解算等任务，以及ICP的系统控制与管理功能，包括时间管理、网络管理、配置管理、模式管理等。在GPIO模块上实现ICP与外部航电设备的输入输出接口，包括离散量接口、模拟量接口、RS422接口、RS485接口、1394总线接口以及时间同步接口等，ICP中提供2块GPIO，工作在1+1备份模式下。

通用处理模块（GPP）：主要承担ICP中的数据处理与部分信号处理功能，用于完成ICP中雷达数据处理、电子战信号处理与数据处理、光电控制与目标解算等任务。GPP模块集成高性能处理器与FC接口，ICP中GPP模块设计为n+1备份工作模式，可根据实际使用需求对模块数量进行灵活配置，最多可配置数量为8块。

信号处理模块（SPM）：承担ICP中的光电信号处理和图像拼接。ICP中一共提供2块SPM，每个模块提供5路FC接口，1路连接交换网络，用于和系统内部其他FC节点进行数据交互，其余4路用于接收前端光电设备传感器信号与图像信息。

大容量存储模块（MMM）：主要用于存储数字地图信息并生成数字地图、ICP执行中间状态信息等，也可根据需要存储初始化数据、代码、配置数据，健康监控管理所需要的数据库。

网络交换模块（NSM）：为ICP内部各模块、航电系统之间提供FC交换功能。系统内共含有2块NSM，通过级联端口级联，组成更大规模的网络。每个NSM提供2个数据分析端口，供系统综合时监控网络通讯数据；

背板模块（MB）：分为光背板和电背板，光背板模块实现整个系统光信号互联，电背板实现内部LRM模块间的电源网络、调试信号互联。

5 结束语

综合核心处理机是航电系统高度综合化的重要组成部分。本文设计的核心处理机，运用了通用化、组合化、模块级备份、FC总线、高性能处理、贯通式液体冷却、分布式电源管理等新技术，在实现ICP内部资源通用化、功能可重构以及架构开放性的同时，还保证了ICP强大处理能力、良好的扩展性，为我国新一代飞机任务系统的研制，提供了一套功能齐全，接口完备、可靠性高、综合化程度高的综合处理系统。本文研究成果已经在新一代飞机综合航电系统中逐步得到广泛应用。

参考文献：

[1] ASAAC Standards：Part 1 - Proposed Standards for Architecture. UK defense Standardization. 2005.

[2] 金德琨.综合传感器系统——向纵深发展的航空电子综合技术[J].航空电子技术，2004（12）：11-15.

[3] 袁晓晗.航空电子综合核心处理技术研究[J].航空电子技术，2004（9）：6-10.

[4] Joint advanced strike technology program. Avionics architecture definition issues/decisions/rationale document V1.0. 1997.02.10.

[5] 周耀荣.F-35航电系统介绍.中国一航西安计算技术研究所，2006.7

[6] freescale， Inc. MPC8641D Integrated Host Processor Family Reference Manual. http：//www.freescale.com. 2008（7）.