民用飛機飛控計算機處理器選型研究分析論文
飛控計算機是整個飛行控制系統(tǒng)的核心，它控制系統(tǒng)的解算裝置，實現(xiàn)飛控系統(tǒng)控制率計算功能并向伺服系統(tǒng)輸出控制指令。處理器擔(dān)負著整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，相當(dāng)于整個系統(tǒng)的大腦。處理器是整個系統(tǒng)框架的基本平臺之一，它在很大程度上決定著飛控計算機的性能，本文從多個角度對處理器選型進行論證，并提出了參考。
1 系統(tǒng)簡介
根據(jù)民用飛機飛控計算機的設(shè)計方案，飛控系統(tǒng)由5 臺兩余度的控制、監(jiān)控計算機組成，5 臺計算機分成兩組，完成對副翼、升降舵、方向舵、襟翼、縫翼、擾流片、水平安定面的控制。
計算機系統(tǒng)采用非相似余度設(shè)計概念，使用了體系結(jié)構(gòu)非相似、硬件非相似和軟件非相似等技術(shù)克服系統(tǒng)的共態(tài)故障。其中硬件非相似要求主計算機系統(tǒng)和從計算機系統(tǒng)采用不同類型的處理器，處理器的硬件接口及其外圍電路也不同，這可以克服使用相同廠家生產(chǎn)的硬件設(shè)備而帶來的共態(tài)故障。體系結(jié)構(gòu)非相似要求主計算機系統(tǒng)和從計算機系統(tǒng)采用不同體系結(jié)構(gòu)的計算機，以克服計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計可能的共態(tài)故障。
2 處理器選型
2.1 選型原則
要進行處理器選型，首先必須確定處理器選型的原則。除了性能因素外，處理器選型還要考慮諸如供貨，產(chǎn)品兼容性等各種綜合因素。因此，應(yīng)從以下幾個方面予以考慮。
(1)處理器產(chǎn)品的市場占有率。
(2)是否有較強實力的公司和多個制造商支持。
(3)是否具有良好的兼容性。
(4)是否有工業(yè)檔或工業(yè)檔以上質(zhì)量等級的處理器產(chǎn)品。
(5)是否為國外機載產(chǎn)品中使用的主流處理器產(chǎn)品。
(6)是否具有較低的功耗。
(7)在國內(nèi)的應(yīng)用的應(yīng)用是否成熟。
2.2 選型分析
2.2.1 產(chǎn)品的市場占有率及支持廠商
目前較為流行的處理器產(chǎn)品有Intel 的X86 系列，Motorala 公司的PowerPC 系列等。在市場占有率方面，微處理機芯片( 包括32位和64 位結(jié)構(gòu)) 占領(lǐng)市場份額由大到小的排列次序為：
(1)Intel 公司的X86 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
(2)Motorola/IBM/Apple 集團的PowerPC 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
(3)MIPS 公司的R 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
(4)ARM 公司的ARM 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
(5)TI 或AD 公司的DSP 系列產(chǎn)品。
(6)Sun 公司的SPARC 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
(7)HP 公司的PA-RISC 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
(8)DEC 公司的Alpha 體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
其中前五種處理器在嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用較廣，因此我們主要在這幾種處理器中進行選擇比較。
X86 系列由目前世界上最大的微電子生產(chǎn)商Intel 公司支持生產(chǎn)，X86 系列是目前使用最為廣泛的處理器，占有了PC 機市場上的大多數(shù)份額，除Intel 公司外，還有其它支持X86 系列產(chǎn)品的廠商，如AMD、CYRIX、TI 等。另外還有眾多廠商支持生產(chǎn)X86 的外圍接口芯片和ChipSet。
PowerPC 是由IBM、APPLE 和Motorola公司共同推出的新一代的RISC 結(jié)構(gòu)的32 位計算機硬件平臺。目前開發(fā)和使用PowerPC的用戶逐年增加，市場份額也不斷擴大，它在通信和嵌入式市場均占有主要份額。MIPS R 系列由微電子生產(chǎn)商IDT 等公司支持生產(chǎn)。以MIPS 為內(nèi)核的產(chǎn)品大量應(yīng)用在通訊領(lǐng)域。早在90 年代中期, 美國concurrentcomputer 公司推出了ATR 標準的機載 R4400多機系統(tǒng)。
ARM 系列產(chǎn)品由 Intel 公司,Motorala 等大規(guī)模芯片生產(chǎn)廠商支持生產(chǎn)。許多公司都在自己的嵌入式產(chǎn)品中采用ARM 內(nèi)核。手持設(shè)備領(lǐng)域成了ARM 的天下。同時許多機載設(shè)備在系統(tǒng)中嵌入ARM 內(nèi)核。
TI 及AD 公司DSP 系列產(chǎn)品由TI 及AD公司支持生產(chǎn)。DSP 自80 年代初期問世以來,取得了突飛猛進的發(fā)展，近幾年在機載領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
2.2.2 處理器產(chǎn)品的兼容性及質(zhì)量等級
一般飛機壽命期通常在30 年左右，而微電子技術(shù)的發(fā)展使得處理器的更新周期越來越短，3-5 年就會開發(fā)出一代新的處理器產(chǎn)品。為了減少處理器的升級換代對已開發(fā)出的機載計算機產(chǎn)品的軟硬件的影響，我們在處理器選型時需要考慮處理器產(chǎn)品的兼容性。
Intel 的 X86 系列產(chǎn)品有Pentium、PII、PIII 等，AMD的X86系列產(chǎn)品有K5、K6、K7等。X86 的產(chǎn)品已形成了系列化指令系統(tǒng)都保持向下兼容，486 以上的32 位X86 系列的CPU 芯片都支持在386 上開發(fā)的軟件。因此當(dāng)處理器升級時，應(yīng)用軟件不需要太大的改變。
PowerPC 系列產(chǎn)品有60x 系列, 7xx 系列、74xx 等，任何PowerPC 的CPU 指令也都保持兼容。另外PowerPC 處理器在設(shè)計時還考慮了硬件升級的兼容性，例如PowerPC 從32 位擴展為64 位時，芯片封裝與信號引角定義也保持兼容，CBGA 封裝的603 與740 信號引是一致的，在未來CPU 升級中硬件設(shè)計可以保持不變。
MIPS R 系列產(chǎn)品有R3XXX、R4XXX、R5XXX 等。任何MIPS R 系列的CPU 上指令都保持兼容。
ARM 體系結(jié)構(gòu)共定義了6 個版本, 指令集功能不斷擴大。ARM 處理器系列產(chǎn)品有ARM7 系列,ARM9 系列,ARM9E 系列,SourceCore 系列,Intel 的Xscale 系列以及Intel的StrongARM 系列等。同版本ARM 體系的處理器, 其軟件是兼容的。
以TI 產(chǎn)品為例, 其系列產(chǎn)品有：TMS320CXX,TMS320C2XX,TMS320C5XX 以及TMS320C6XXX 等。同一系列產(chǎn)品的指令也都保持兼容。
為了使產(chǎn)品能適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境，處理器廠商往往都會提供不同質(zhì)量等級的產(chǎn)品滿足不同的需求。目前電子元器件的質(zhì)量等級一般分為：民用檔，工業(yè)檔，汽車檔及軍用檔。
一般而言，機載產(chǎn)品的使用環(huán)境相對比較惡劣，而且飛控計算機又與飛行安全密切相關(guān)，它對元器件質(zhì)量等級的要求相對較高。但民機環(huán)境相對于戰(zhàn)斗機而言要好得多，因此民機飛控系統(tǒng)可選擇經(jīng)過篩選和測試滿足機載產(chǎn)品環(huán)境要求的工業(yè)檔器件。上面提到的幾種類型的器件都有工業(yè)檔質(zhì)量等級產(chǎn)品。從上面的分析我們可以看出，從產(chǎn)品的兼容性及質(zhì)量等級角度來看，他們都可以作為民機飛控計算機處理器的侯選產(chǎn)品。
2.2.3 處理器功耗比較
上述的幾類器件除了X86 系列功耗較高外，其余產(chǎn)品的功耗都很低。下面給出幾種產(chǎn)品的功耗比較。
(1)X86 系列產(chǎn)品的功耗，X86 系列中的PENTIUM 當(dāng)工作頻率在100MHz 時，功耗在10W 左右。(2)PowerPC 系列中工作頻率在100MHz 的產(chǎn)品，功耗均在4W 左右。(3)MIPS R 系列中的R4700 在100MHZ 時功耗為5W。(4)ARM 系列產(chǎn)品的功耗數(shù)量級為mW/Mhz。(5)DSP 系列中的TMS320C6XXX 功耗為8.5mW/Mhz。
2.2.4 機載領(lǐng)域應(yīng)用
從產(chǎn)品在機載領(lǐng)域的應(yīng)用來看，PowerPC系列產(chǎn)品可謂是獨領(lǐng)風(fēng)騷，在JSF，B-1，F(xiàn)-16，AV-8B 等許多戰(zhàn)機以及NASA 航天飛機上都使用了PowerPC 產(chǎn)品。另外在多個開發(fā)項目，如OSDI(Open System Development Initiative)，SOAP(Scalable Open Architecture Project) 等都選用了PowerPC。
X86 系列在機載領(lǐng)域尤其是民機上的應(yīng)用也較為廣泛。例如，在RAH-66 項目中，波音Defense & Space Group Helicopters Division用133MHz 的Pentium 替代了i960. BOING777飛控系統(tǒng)中采用Intel486 處理器作為其中一個余度的處理器。AIRBUS340 飛控系統(tǒng)中采用Intel386 作為主控計算機的處理器。MIPS R 系列處理器在機載領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少，90 年代中期, 美國concurrentcomputer 公司推出了ATR 標準的機載 R4400多機系統(tǒng)。但后來很少見到有關(guān)MIPS R 系列在機載領(lǐng)域應(yīng)用的報道。
DSP 系列處理器近幾年在機載領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展較快，寶石臺中用的八種 LRM 模塊之一就是DSP 模塊，國內(nèi)也在多種機載產(chǎn)品中采用DSP 系列產(chǎn)品. 但目前DSP 系列產(chǎn)品較多用于信號處理幾簡單的控制系統(tǒng)。對于飛控計算機這種較復(fù)雜的控制系統(tǒng)不太使用。
3 結(jié)論
民機飛控計算機的研制應(yīng)立足于自主研制，因此產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用的成熟度也應(yīng)該是處理器選型考慮的一個重要因素。由于飛控系統(tǒng)的特殊性，相對于其他系統(tǒng)而言，它在追求高性能的同時應(yīng)更關(guān)注產(chǎn)品應(yīng)用的成熟度。因此，通過對上述各類處理器的綜合分析比較, 我們認為，民用飛機電傳飛控系統(tǒng)飛控計算機微處理器應(yīng)該選擇PowerPC 系列和Intel 系列產(chǎn)品。
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