基于SM750的嵌入式星载计算机设计

高宗彦 王志国 苏嘉玮 彭飞 金松日

（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）

进入21世纪以来，我国的航天事业日新月异、发展迅速，不仅各种民用卫星、军用卫星需求和任务迅猛增长，商用卫星的需求也与日俱增，航天器的任务要求日益复杂，功能和性能要求也越来越高[1-2]。

星载计算机的发展与工业用计算机的发展类似，已从16位计算机发展到32位计算机。结合国内外发展情况，星载计算机CPU应用的发展趋势如图1所示。

图1 星载计算机的发展趋势

与商用计算机不同，星载计算机均采用了航天专用的CPU芯片，如 P1750、TSC695、TSC697、PowerPC等。这些芯片内部都设计了EDAC校验、冗余设计、错误处理、地址保护等高可靠性措施。1750系列星载计算机和基于SPARC V7系列星载计算机技术已经成熟，并得到成功应用。SPARC V8、V9体系和PowerPC体系星载计算机是后续高性能星载计算机的发展方向。

1 星载计算机系统集成设计

1.1 典型设计方案

典型的星载计算机单机设计以板级电路为主，通过不同功能的分立元器件进行搭建[3-4]。卫星平台星载计算机主要由平台管理计算机和控制计算机作为独立的单机设备组成，每个单机设备包含了电源模块、处理器模块、通信模块、指令模块、采集模块、大功率通用驱动模块、信道关口模块等子模块。这样的系统框架会使整个系统接口复杂繁多、硬件资源浪费严重，同时整个系统设备体积庞大、功耗高，大大降低了整个卫星的承重比。

1.2 系统方案设计

星载计算机工作原理如图2所示。星载计算机是整星的信息处理和调度的核心设备，具备遥测、遥控、程控、姿轨控、GPS/BD定位、热控、时统、载荷业务作业等功能。由综合电子计算机硬件、整星数据管理软件、姿轨控软件等协同实现。

图2 星载计算机原理示意图

作为某卫星核心单机的星载计算机，要求实现接收并处理上行遥控信息、处理并发送下行遥测数据、上行遥控数据解密与下行遥测数据加密、星务管理、平台控制、数据存储、CAN总线管理与维护、时基管理与广播、指令脉冲发送、模拟量遥测采集、磁控电流发送、主备份模块控制及切换、地面测试等功能。

该星载计算机由二次电源模块、信道关口模块、2块处理器模块、综合接口模块、导航及短报文收发模块、1块星间加解密模块通过母板连接组成，采用综合电子机械结构规范，使用插板式连接模式，对外接插件全部设计在单机顶部，通过电缆与其他单机连接[5]。

2 SM750处理器模块

2.1 处理器选型

SM750是一款高性能32位超标量低功耗微处理器，采用PowerPC精简指令集，且功能兼容Motorola公司的MPC750芯片，最高工作主频达到266MHz，工作电压分为内核2.0V和IO 3.3V，功耗不大于6W@266MHz，采用CBGA360的封装形式[6]。

SM750由一个处理器核、一个L2cache接口和60×总线组成。它定义了32位有效地址，8位、16位、32位的整数数据类型，以及32位和64位的浮点数据类型，可同时执行两条指令。SM750包括以下6个执行单元：①浮点单元（FPU）；②分支处理单元 （BPU）；③系统寄存器单元（SRU）；④读/写单元 （LSU）；⑤整数单元1（IU1）：执行所有的整数指令；⑥整数单元2（IU2）：执行除了乘和除指令的所有整数指令。

为满足星载计算机接口应用需求，同时更高的提升系统集成度，处理器模块利用大容量FPGA实现桥芯片实现简化。

“SM750+FPGA”的处理器模块核心组成，将为星载计算机乃至整星平台提供运算资源，同时也为实时操作系统提供高性能硬件平台。

2.2 处理器模块设计

2.2.1 主要功能

星载计算机处理器模块 （或称为计算模块）是星载计算机的关键模块之一，处理器模块主要提供星上公共计算资源，具备整型和浮点型计算能力，可用于星载数据的接收、处理、计算、分发、解析等。处理器模块需实现以下功能：

● 为系统软件提供必要的硬件运算资源，包括处理器、存储器、I/O、其他硬件连接电路等；

● 实现对两套CAN总线的管理和维护，完成总线信息交换；

●具备管理单机内部标准总线通信的功能，可实现对内部总线的时序控制和数据通信；

● 接收并为软件提供星箭分离状态和主/备机标识等；

● 具备响应多个外部的能力，中断优先级根据系统需求确定；

● 提供一个软件不可屏蔽的硬件看门狗，看门狗动作时间为6s，硬件兼容设计，并为软件提供相应的看门狗操作端口和看门狗复位次数；

● 采用冷/热备份工作方式；

● 具备自主开备机功能，主机检测1h内超过2次看门狗复位时，且准自主开B机状态下自主对备机加电；

● 提供地测接口便于地面软件调试；

● 根据需要，收集单机自身工程遥测数据，具备不少于64Gbits的固存存储能力，数据组帧、打包后通过网口输出至数据服务器；

● 具备多路RS422；

● 接收GPS秒脉冲后对48位时钟计数进行锁存。

2.2.2 组成

处理器模块的组织结构和系统组成参照了现有处理器平台的典型设计方式，如图3所示。按片选线和地址线扩展系统，将系统存储空间、I/O空间、扩展空间统一编址、其中处理器模块使用国产SM750完成运算、控制、存储单元的管理操作，外部配置SRAM空间作为数据空间，配置Flash空间作为程序空间，进行了存储器的统一映射。

处理器模块中设计的PROM/Flash存储器用于引导程序和主程序空间，容量为32K×8bit/16M×8bit，未设置 EDAC，通过 ROMCSb信号和地址信号译码进行寻址。

SDRAM为运行处理器程序的数据空间，设计为32M×40bit，提供独立的8bit EDAC校验空间，通过RAMCSb信号进行寻址。

CAN总线地址空间映射在了IO空间区间，对应于CAN空间设计为8K×16bit。

处理器模块接收3个外部中断信号输入，中断设置和优先级由高到低依次为遥控注数中断、下行遥测中断、CAN总线通讯中断。由于SM750仅有一个外部中断引脚，多个外部中断由FPGA程序实现。

处理器模块带有固态存储和复接功能，收集单机自身和整星平台的工程遥测数据，完成存储、复接和组帧数据处理，通过网口将存储的数据送数据服务器。

处理器模块是单板单机工作模式，通过内总线接受+5V二次电源供电，模块内部设计三端稳压器转为2.0V和3.3V等电压，供CPU、FPGA等核心芯片工作。

3 AIC-OS操作系统

图3 处理器模块框图

星载嵌入式操作系统AIC-OS是卫星平台的基本系统软件，应用软件在操作系统的支持下运行。

实际应用时，AIC-OS提供基于多线程的任务框架代码，优先级从高到底分别为GNC应用任务、测控及综合管理任务、电源控制任务、热控任务、背景维护任务。

随着我国航天事业的发展，对星载计算机的性能要求越来越高，而处理器是计算机的核心所在。SM750是一款高性能、低功耗微处理器。本文提出一种基于SM750的星载计算机设计方案，阐述了芯片SM750的特点、处理器模块的设计方案以及星载计算机搭载的嵌入式系统AIC-OS，为高性能嵌入式星载计算机设计提供了一个方向，同时也响应了航天元器件国产化的号召。