一种宇航用智能计算机架构设计*
2020-08-12滕树鹏沈奇刘攀高宗彦叶曦
滕树鹏 沈奇 刘攀 高宗彦 叶曦
（上海航天电子技术研究所/八院智能计算技术重点实验室，上海，201109）
随着卫星组网技术的日益完善，星载计算机产品的高速化、智能化逐渐成为星载计算机技术的发展趋势。在星载智能计算机架构中，所有数据均需通过星地链路下传后才能进行数据处理及分析，这样就需要能够覆盖全球的地面测控站，而这是难以做到的。为了能够及时获取所有有效信息，需要能够在星上对关键数据进行处理及分析，通过星间链路将重要信息发送至能够与地面通信的卫星上，再向地面下传。这也是宇航用智能计算机的设计需求背景。
1 宇航用计算机架构设计
根据宇航用智能计算机的需求背景分析，智能计算机架构中应包含：①高性能处理器；②能够兼容不同载荷输入的非标准化接口模块；③能够提供快速装备的标准化数据接口模块；④能够对待处理数据和处理后数据进行存储的存储模块；⑤对外发数据进行编码的处理模块；⑥根据需要可能存在的对重要星间或数传信息进行加密的加密模块。
在本设计架构下采用层叠式结构设计，架构设计如图1所示，各模块功能描述见表1，信息流如图2所示。
图1 智能计算机架构设计
表1 智能计算机各模块功能
图2 智能化计算机信息流程图设计
2 二次电源模块设计
二次电源模块主要提供将星上一次电源供电转换为单机内5V电源，电源模块应该具备以下功能：①软启动电路，降低单机上电浪涌；②过流保护功能，若单机内模块异常导致电流异常增加，应关闭一次电源，并且在重新上电后能恢复供电；③保险丝保护功能，若单机内出现不能恢复的硬件故障则应熔断保险丝，保证单机损坏不会影响整星供电；④良好的散热特性。根据以上特点设计电源模块设计框图。
3 固存模块设计
固存模块是本单机的重要组成部分，为处理器运行模块，对数据进行处理并对处理前后数据进行存储。固存模块选用了freescale公司的低功耗PowerPC为主要处理器进行设计，操作系统采用风云翼辉操作系统，文件系统采用EXT2，文件的检索基于文件系统及文件信息列表的方式实现，存储介质采用加固型固态硬盘。
固存模块设计可同时进行双硬盘读写，实现数据存储。PowerPC可提供双SATAII标准协议接口，单盘理论最大传输速度2.5Gbps。同时PowerPC对外可提供双1Giga以太网接口。PowerPC采用DDR进行数据缓存，PowerPC与接口模块之间采用PCIe 2.0×4（Gen1）接口通信，理论最大速度为10Gbps。模块采用自定义VPX高速内总线接口。
主控芯片选用NXP公司的PowerPC P1022NSE2LFB，该芯片详细性能指标[1]：①双核e500v2高性能PowerPC；②提供256Kbyte带ECC二级缓存；③双10/100/1000Mbps千兆MAC；④高速串行总线两组，一组双接口高速串行总线，一组四接口串行总线 （共六路高速串行总线最高速度 3Gbps）；⑤支持 64bits DDR2/DDR3接口同时支持8bitsECC校验；⑥可编程中断接口；⑦双四通道DMA控制器。
4 接口模块设计
接口模块主要提供非标接口转换功能，兼有高速数据缓存功能。能够实现对TLK2711双接口峰值3.2Gbps数据转发，实现3路LVDS数据各50M数据转发，通过DDRII进行1GB数据缓存。接口模块还实现了与固存模块的PCIe接口，PCIe接口主要负责将所有对外的非标接口数据传递给固存模块。硬件设计框图如图3所示。接口模块主控采用Xilinx公司的XC7K410T-2FBG900I FPGA。
5 网络交换及AOS处理模块设计
网络交换及AOS处理模块，主要包含两部分主要功能：①与载荷和计算机星内网络通信，并将数据通过以太网转发给固存模块；②接收固存模块上传的以太网数据，进行AOS格式化，并根据信息头判断是否进行加密处理，若不进行加密处理则直接发给编码调制器，若需加密则发给加密模块加密后转发。
本模块是分布式系统中的重要组成部分，主要由 FPGA、DSP、PHY、DDR、FLASH等硬件构成。FPGA主要用于完成AOS处理，DSP完成网络协议处理及信息流的控制等工作。硬件设计上备了一路千兆网络以及一块DSP。其中挂接在FPGA上的DDR目前也是备用器件。本模块主要完成以太网交换功能，可完成8路百兆及两路千兆以太网交换。
图3 接口模块硬件拓扑图
6 母板设计
数据服务器母板用于将各个模块的内部并行总线接口信号通过走线连接起来，是连接各模块电信号的重要单元。母板各插槽使用统一接插件，各模块在母板的槽位分配和接插件选用如图5所示。
我们通过对宇航用星载智能计算机架构的背景及需求进行分析，总结星载智能计算机应具备的性能，并针对所列举性能设计了一种完整的星载计算机架构，对所设计的架构进行了模块化分析。所设计的系统架构已经进行实物研发能够实现对外通信接收数据总速度超过3.2Gbps，发送总速度450Mbps。本系统运行Linux及翼辉操作系统并运行自制应用软件，可实现数据分析、处理、存储、回放及实时通信转发等功能。
