基于自主可控SoC的航天控制系统集成应用研究

王晓东 张 磊 江思荣 刘 江 李 慧

1.中国运载火箭技术研究院，北京100076 2.北京航天自动控制研究所，北京100854

0 引言

随着航天控制领域对于电气设备集成化、小型化、高可靠、自主可控的要求，以及对元器件功能、性能、体积、功耗等方面的要求越来越高，SoC技术在重量、体积、性能方面的突出优势，是满足这一需求的重要途径。随着国际形势的变化，核心元器件自主可控是支撑航天事业发展的基石，是我国从航天大国发展为航天强国的必经之路。本文介绍了SoC技术特点与航天SoC的应用特点，提出了以系统需求为牵引、以SoC芯片实现为基础、以自主可控为目标的航天控制系统集成技术是航天控制技术的发展方向，并给出了系统集成架构设计、软硬件协同设计、系统应用验证等关键技术途径，以期为未来航天控制系统设计提供应用借鉴。

1 SoC技术特点

SoC(System on Chip)片上系统是在一个单芯片上集成微处理器、模拟电路、存储器、各类输入输出通讯接口以及专用算法、协议的片上控制系统。在一些专用领域，还可能包括射频器件甚至MEMS传感器等。

SoC设计技术始于20世纪90年代中期，随着半导体工艺技术的发展，IC设计能够将复杂的功能集成到单硅片上，单位面积芯片可集成的晶体管数量成倍增长。电子设备电路设计从追求集成电路性能向系统性能优化转变，SoC正是在这种转变潮流下产生的。SoC芯片的研制相对传统的芯片，具有以下不同的特点：

1)SoC芯片设计规模大，具有数百万门乃至上亿个元器件的规模，电路结构复杂，要求设计起点比普通的ASIC高，验证方法上必须采用数模混合验证方法；

2)SoC 工作频率高，模块之间时序关系复杂，加上高频效应下的电磁干扰和信号串扰现象，设计和验证难度大；

3)SoC芯片的设计不仅仅是硬件电路的设计，还是硬件平台和软件支持系统的并行设计，是一个包含软硬件设计的系统工程。

2 航天SoC应用特点

SoC技术能够带来产品性能、体积、功耗方面的巨大优势，在国内外都得到了高度重视。国外NASA和ESA在X2000、深空计划等多项航天任务中广泛应用了SoC技术[1-3]。从国外发达国家的SoC发展规划可以清晰地看到，航天及武器系统设计研究机构都已经认识到SoC技术的重要性，组织了相应的SoC技术研究，并且已经逐步应用到工程中。国内航天运载、军事武器装备等对于系统集成化、小型化、高性能、高可靠的要求越来越高，特别对于自主可控核心元器件的需求非常迫切。采用中国独立自主设计的SoC芯片，拥有全部独立自主知识产权，可以避免核心技术受制于人，能够有效提升航天产品的保障性。

随着航天控制领域对于电气设备集成化、小型化、高可靠、自主可控的要求越来越高，系统集成设计是航天控制系统的技术发展方向之一，而国产SoC应用正是实现控制系统集成设计的一个重要途径。航天控制系统探索出以系统集成需求为核心和芯片实现为基础的研发思路，实现了系统与芯片的高度结合，牵引了控制系统的技术发展，开创了新的技术领域。常见的航天用SoC芯片设计流程如图1所示。通常由控制系统系统方根据任务特点，进行系统功能梳理、软硬件功能划分，提炼SoC功能和性能指标需求，比如处理器速度和精度、总线控制器、硬件实现专用算法、外设接口集成等需求，完成控制系统基于SoC的系统集成设计[4]。由于SoC芯片属于系统定义的一部分，与系统呈紧耦合关系，因此在芯片成形后除开展芯片级的测试验证工作外，由系统牵头开展系统级应用验证工作是必不可少的。通常通过单机级、系统级各项功能性能测试、环境及可靠性试验来验证其在系统中工作的稳定性和可靠性。

图1 航天用SoC芯片设计流程

3 航天SoC系统集成技术

3.1 基于SoC的系统集成架构技术

SoC技术的核心是通过梳理系统设计思路和设计需求，提炼出研制SoC的功能、性能需求，这是研制SoC的基础和关键。为了达到高度集成化的设计要求，首先从系统的角度深入分析、合理规划，通过对控制系统构成、电路实现方案、功能需求、性能需求等方面进行分析研究，改变以前传统项目中基于大量离散器件和中小规模集成电路设计的模式，通过SoC技术将电路功能和电路实现形式相结合，实现系统集成。

以某项目为例，项目研制从系统顶层规划，以SoC技术为基础，采用1553B总线架构(SoC芯片内嵌1553B总线控制器)进行系统集成架构设计，其典型系统架构框图如图2所示。控制系统根据任务中“减少设备数量、缩小设备体积、减轻系统重量”的研制需求，将系统各组成单机功能的需求进行整合，将系统部分功能通过SoC芯片实现。并对控制系统各重要单机提出基于SoC芯片和1553B总线的智能单机设计要求，完成控制系统集成架构的设计。为降低系统研制难度、减小研制成本，系统控制SoC应用的品种，以提高系统可靠性。

图2 典型控制系统架构框图

3.2 软硬件协同设计技术

传统的先硬件后软件的嵌入式系统设计模式需要反复修改、试验，设计周期长、开发成本高。软硬件协同设计技术为解决此问题提出一种全新的系统设计思想，其设计流程如图3所示。根据系统任务目标，通过综合分析系统软硬件功能和现有资源，从系统集成优化角度，将两者综合权衡分配，最大限度地挖掘软硬件之间的并发性和交互性，缩短系统开发周期、降低开发成本、提高系统性能，避免由于独立设计软硬件体系结构带来的弊端[5-6]。例如为实现航天飞行器的制导、姿态控制、图像处理等运算量大、实时性要求高的系统功能，由控制系统系统方对功能实现形成的经验积累固化，提出专用算法集成需求，由芯片设计方将其对应功能集成到SoC芯片中，将软件实现硬件化，实现数据解算与系统控制并行，满足系统强实时性的要求。

图3 软硬件协调设计流程

3.3 系统集成SoC的验证技术

SoC芯片研制成功与否，除芯片本身的研制外，应用验证技术也是至关重要的一环。为了更好地对SoC功能和性能进行全面的测试和验证，从芯片级、单机级、系统级3个方面对SoC的验证技术开展攻关，通过设计SoC应用验证通用硬件支持平台，覆盖SoC的各种接口要求，并开展SoC应用验证的测试用例研究，覆盖项目设计中的各种应用需求，弥补了传统测试手段无法对SoC全面测试的不足。

3.3.1 芯片级验证技术

引入SoC设计技术以后，控制系统的研制不再是从接收到成熟的芯片开始，而是将系统设计的一部分工作提前到了SoC芯片研制阶段，即SoC需求分析、系统级设计、IP核设计与选型、SoC集成等均成为控制系统设计的环节。其中，作为SoC基本组成单元，IP核的成熟度和可靠性是关系到SoC研制质量的关键[7]。

在航天项目研制过程中开展IP核及SoC元器件质量保证与检验方法研究，从IP核文档清单、代码质量、系统质量、逻辑设计、测试和制造质量、功能验证、时序和功耗质量等几个方面开展IP核评估测试，重点开展指令集处理器的应用验证技术研究，确保项目应用的成功。

3.3.2 单机级验证技术

为充分验证单机SoC应用，搭建通用的SoC硬件支持平台。利用该平台完成SoC芯片的各项功能，如：I2C协议、负载特性测试验证，A/D静态、动态测试验证，1533B总线协议测试验证，芯片全负载功耗、温升测试验证，中断系统测试验证，I/O空间扩展功能测试验证以及事件管理单元测试验证等。通用验证平台框图如图4所示。

图4 SoC单机应用通用验证平台

3.3.3 系统级验证技术

3.3.3.1 系统集成应用验证测试平台设计

在完成单机测试验证和应用软件开发验证后，需要在系统级对SoC芯片应用进行验证。构建系统级应用验证测试平台的基本思路是以单机通用应用验证软硬件平台为基本组成，以总线为系统传输纽带，组建可覆盖系统级应用和SoC功能、性能的可配置、开放型的系统级软硬件集成测试平台，其组成示意如图5所示。

图5 SoC系统集成应用验证平台示意图

该系统集成应用验证平台由若干SoC应用验证单机组成，通过1553B、以太网和CAN总线连接在一起，通过接口模拟和故障注入设备模拟各个单机需要的外部接口信号，可根据需求编程设置接口信号，模拟各种外设故障；数据处理监控系统主要用于监视信息流量，进行数据处理和分析。

3.3.3.2 系统集成应用验证测试用例集研究

根据SoC不同的应用场合，构建系统集成应用验证系统平台，结合项目具体系统级应用和SoC的功能、性能验证的需求，设计软硬件测试用例集，完成系统应用验证，主要包括：

1)覆盖项目应用软件需求和SoC功能、性能的系统软件应用用例集；

2)覆盖项目应用软件需求和SoC功能、性能的系统软件测试用例集；

3)覆盖项目应用需求和SoC功能、性能的硬件接口设计及其测试用例；

4)故障模拟测试用例集等。

3.3.4 系统环境适应性验证

航天项目研制过程除开展针对基于SoC芯片的整机功能验证工作外，还需开展基于SoC整机的各类可靠性试验、电磁兼容试验、抗强电磁脉冲试验和系统级综合环境试验考核，以验证其在系统中工作的可靠性和稳定性。

3.4 集成开发系统统型

基于SoC芯片的软件设计工作一般采用集成开发系统(简称“IDE”)进行软件代码设计。集成开发系统主要完成处理器初始化和中断管理工作、源代码优化工作、检查源代码的语法错误，并提供通用功能函数库和易于用户使用的集成开发环境供用户使用。在项目研制过程中约束各单机单位采用统一集成开发系统，有利于规范设计过程，便于开展横向一致管理，快速提高产品成熟度，提高项目产品应用的可靠性。各单机单位专注于系统应用开发，可加速项目研制进程。

4 SoC在航天领域的系统应用

4.1 飞控系统应用

由于控制系统弹/箭上飞控系统对于控制运算性能、实时性、可靠性及小型化要求较高，飞控计算机需要运行复杂的控制算法，所以对SoC芯片处理速度提出了较高的要求。某项目研制飞控系统选用2款SoC芯片，分别用于飞控计算和弹载测试功能。SoC芯片基于SPARC体系架构开发，芯片在-55℃～125℃军温范围可正常工作。内核电压为1.8V，I/O电压为3.3V，最大工作频率为100MHz。SoC芯片功能框图如图6所示。

4.2 测发控系统应用

测发控系统测控计算机作为地面设备控制中枢，需要实现数据采集、数据处理、数据通信、系统监控、导航定位及故障诊断等操作。同时还需要有丰富的人机接口以满足用户使用需求。某项目测发控系统采用基于龙芯SoC的系统集成设计，该款SoC芯片是基于64位超标量微处理器核的SoC型微处理器，整体架构基于两级互连实现，芯片在-55℃～125℃军温范围可正常工作，龙芯SoC芯片功能框图如图7所示。

图6 飞控SoC功能框图

图7 龙芯SoC芯片功能框图

5 结论

航天运载和导弹武器控制系统设备一方面必须严格控制重量、体积，实现轻质化、小型化、集成化，另一方面必须提高性能，加强自测试功能，缩短发射准备时间。另外，基于军事装备发展对于核心技术、产品坚持国产化的迫切需求，在航天控制系统研制中逐步形成了基于国产化SoC的控制系统集成设计技术，使控制系统具有集成化、小型化、高可靠、自主可控的特点。航天领域的国产化SoC应用为我国独立研发具有自主知识产权的核心芯片起到了牵引作用，对于我国国防建设和国民经济的发展具有重要意义。