Перспективная платформа для построения бортовых вычислительно-управляющих систем

Проблемы разработки бортовых вычислительно–управляющих комплексов

При создании бортовых радиоэлектронных систем перед отечественными разработчиками возникает целый комплекс проблем, связанных с непрерывно растущими требованиями к производительности систем, их функциональности и гибкости, а также со все более сжатымие сроками разработок в условиях рыночной конкуренции. Острый дефицит отечественной функционально сложной элементной базы вынуждает применять готовые импортные компоненты из числа доступных, что приводит к многочисленным негативным последствиям. При этом не так опасна гипотетическая возможность «закладок» в микросхемах, как нарушение нормального процесса воспроизводства и модернизации аппаратуры из–за снятия с производства или прекращения поставок элементной базы, не имеющей аналогов у разных производителей. Это лишает разработчиков РЭА возможности влиять на ее развитие и совершенствование, что приводит к систематическому отставанию в отрасли. Вместе с тем нельзя не отметить, что применение хорошо зарекомендовавших себя международных стандартов и использование зарубежного опыта, безусловно, позитивно сказывается на качестве изделий.

Сегодня, к сожалению, невозможно полностью отказаться от импортной элементной базы. Появление в последние годы новых отечественных СБИС — позитивный фактор, свидетельствующий о сформировавшихся в стране благоприятных условиях для развития высокотехнологичных отраслей. Однако сейчас не наблюдается серьезных шагов со стороны производителей микросхем в сторону удовлетворения потребностей разработчиков бортовой аппаратуры ни в архитектуре предлагаемых устройств, ни в технологии изготовления и корпусировки. Решения на базе процессоров, предлагаемые сегодня отечественными производителями, на практике не могут являться основой создания высоконадежного и компактного вычислительно–управляющего комплекса для тяжелых условий эксплуатации (авиация и космос) изза многочисленных факторов, снижающих надежность. Отсутствие интегрированных системных интерфейсов усложняет схемотехнику и ухудшает массо–габаритные показатели вследствие необходимости установки на печатные платы дополнительных микросхем интерфейсных контроллеров. Выполненные по технологии 0,13 мкм в корпусах типа BGA (Ball Grid Array) СБИС имеют невысокую надежность шариковых контактов корпусов в условиях вибрации и низкую стойкость к тяжелым заряженным частицам.

Не пытаясь решить общие проблемы отрасли, попробуем сформулировать требования к бортовым вычислительно–управляющим комплексам и рассмотрим возможные варианты их реализации, которые позволяют наиболее полно использовать международный опыт и при этом минимизировать возможные негативные последствия применения импортных комплектующих.

Стремление к сокращению сроков разработки систем в условиях рыночной конкуренции требует от современных вычислительно–управляющих платформ, при сохранении надежности, производительности и ремонтопригодности, все большей «гибкости» как аппаратуры, так и программного обеспечения. В том числе и за счет применения модулей сторонних производителей. Одним из решений, обеспечивающих возможность гибкой аппаратной реконфигурации, является применение стандартных сетевых и шинных интерфейсов.

Современные технологии

Среди современных решений с точки зрения возможности применения в бортовых вычислительно–управляющих устройствах выделяется стандарт интерфейса CompactPCI, который является промышленным вариантом хорошо зарекомендовавшей себя 32–разрядной системной магистрали PCI (peripheral components interconnect) для тяжелых условий эксплуатации. Отработанная технология дает возможность использовать широкий спектр модулей от относительно несложных плат ввода/вывода до аппаратных ускорителей вычислений и резервированных накопителей данных.

Реализация интерфейса CompactPCI в формфакторе 3U (100×160 мм) позволяет создавать компактные и механически прочные модульные системы. Продуманная схема соединений дает инженерам–схемотехникам и разработчикам корпусов бортовых приборов свободу для реализации различных вариантов конструкции и соединений в рамках стандарта. В пользу данного решения для перспективных изделий говорит обилие готовых модулей различной функциональности, которые выпускают как зарубежные, так и отечественные компании.

В качестве сетевого интерфейса бортовой системы могут быть использованы различные стандарты сетей, таких как Ethernet, FireWire, МКО, CAN, ARINC 429, USB и многие другие, что дает возможность найти для каждой конкретной задачи наиболее подходящее решение. Доступность мостов в PCI для всех перечисленных сетевых интерфейсов в виде плат c PCI в формате 3U позволяет быстро сконфигурировать целевую систему.

Вместе с тем, ни один из перечисленных вариантов в силу тех или иных особенностей (неудобство протоколов, малая скорость передачи данных или сложность реализации) не пригоден для роли системообразующего решения, в котором организовано структурированное информационное пространство, обеспечивающее эффективную маршрутизацию потоков команд и данных, а также поддержание функционального резервирования узлов, соединений и отдельных ресурсов. Задача реализации подобного решения ранее не ставилась из–за ограниченности схемотехники, однако сегодня развитие технологии передачи и цифровой обработки сигналов, а также рост вычислительных возможностей цифровых систем позволяет изменить подход к проектированию бортовых систем. Цифровые вычислительно–управляющие комплексы, которые изначально проектируются как информационные системы, основанные на принципе коммутации пакетов данных, могут иметь ряд существенных преимуществ по сравнению с «традиционными» комплексами как по стоимости разработки, так и по надежности.

Рассмотрим подробнее один из наиболее перспективных, на наш взгляд, «новых» стандартов для реализации бортовых сетей и возможности, которые открывает его применение для разработчиков РЭА. IEEE 1355–1995 — стандарт, определяющий семейство решений для организации высоконадежных последовательных соединений HIC (Heterogeneous Inter–Conect) как на основе медных проводников, так и при помощи оптического волокна. Наиболее известными вариантами IEEE 1355–1995 сегодня являются поддерживаемый Европейским космическим агентством стандарт ECSS–E–50–12A (SpaceWire) и вспомогательный стандарт ECSS–E–50–11 — SpaceWire/RMAP.

SpaceWire применяется не только в «космических» изделиях, но и в авиационных, сухопутных и морских приложениях, поскольку он ориентирован на решение задачи организации информационно–управляющих систем на борту автономных аппаратов с критическими требованиями к надежности и производительности. Это сеть коммутации пакетов, реализованная как соединение «точка–точка» двумя дифференциальными парами LVDS с DS (Data–Strobe) кодированием. Реально достижимый уровень скорости передачи данных превышает 100 Мбит/с. Связь между узлами сети осуществляется через роутеры (маршрутизаторы). Сеть SpaceWire поддерживает механизм широковещательных пакетов и доставку данных за гарантированное время.

Для полной реализации потенциала стандарта IEEE 1355–1995, а именно для реализации перехода к функциональному резервированию на уровне коммутации информационных пакетов, требуется незначительное изменение системы маршрутизации пакетов в пределах стандарта и кардинальный пересмотр роли сети в обеспечении надежности систем. Отказ от громоздких схем резервирования путем мажоритирования внутрисистемных шин или за счет программных протоколов взаимодействия модулей позволяет существенно упростить как схемотехнику, так и программное обеспечение, что немедленно скажется на стоимости и скорости разработки конечного продукта. «Прозрачность» системы резервирования цифровых узлов для разработчиков целевой РЭА несомненно откроет дополнительные возможности для оптимизации оборудования.

Применение системы функционального резервирования на основе SpaceWire позволяет решать задачи резервирования не только на уровне межмодульных соединений, но и, например, решить задачу резервирования модульных вычислителей путем организации микросегмента сети в пределах одной коммутационной платы.

Выбор оптимальной процессорной архитектуры для перспективного бортового вычислительно–управляющего комплекса во многом определяется как объективными потребностями решаемой задачи, так и субъективными факторами (как, например, наличие подготовленных программистов или готового программного обеспечения). Нет и не может быть единого решения «на все случаи жизни», однако можно выделить некоторые общие тенденции при выборе процессора для бортовой РЭА.

Во–первых, сложные микропроцессорные комплекты, состоящие из множества микросхем, не всегда пригодны для применения в жестких условиях эксплуатации бортовых вычислителей и не обеспечивают требования по компактности, потреблению и т. п.

Во–вторых, можно утверждать, что наиболее актуальны сегодня 32–разрядные микропроцессоры гарвардской архитектуры.

В–третьих, несмотря на продолжающийся рост тактовых частот в процессорах персональных компьютеров и стационарных вычислителей, острой необходимости повышения тактовых частот в бортовых системах в большинстве случаев нет. Реализация алгоритмов управления, как правило, не требует от центрального процессора системы рекордной производительности, а обработка потоковых данных может быть переложена на аппаратные спецвычислители или цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Несмотря на отсутствие адекватной отечественной альтернативы современным импортным микропроцессорам, решение, более–менее гарантирующее безопасность разработчика/производителя РЭА, все же есть — это применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Еще недавно из–за малого количества внутренних ресурсов и технического несовершенства ПЛИС их использование ограничивалось заменой дискретных логических цепей и организацией различных интерфейсов. Значительный рост емкости, а также повышение производительности позволяет сегодня рассматривать платформу ПЛИС как актуальную альтернативу СБИС в различных применениях и, в том числе, как платформу для реализации микропроцессорного ядра, совместно с сетевыми и шинными контроллерами в одном кристалле ПЛИС (СнК — «системы на кристалле»), которая открывает дополнительные возможности для разработчиков РЭА. Очевидное следствие применения ПЛИС — это рост надежности системы при уменьшении габаритов, достигаемый за счет замены нескольких отдельных микросхем, размещаемых на плате, одной высоконадежной ПЛИС.

Другое, менее очевидное, следствие перехода на технологию СнК на платформе ПЛИС заключается в существенном снижении зависимости от зарубежного производителя. Вся интеллектуальная собственность (в виде RTLмоделей — описания схемотехники на языке HDL), относящаяся к функциональности изделия, остается в руках разработчика. Она, при необходимости, может быть сравнительно легко перенесена на платформу другого производителя, в том числе при изготовлении заказной СБИС. Проект может храниться неограниченное время или быть модифицирован в соответствии с текущими требованиями к целевому продукту. Разумеется, не все ПЛИС одинаковы. Однако сегодня есть возможность выбора. Доступны высоконадежные решения, к примеру, радиационно–стойкие матрицы со встроенным аппаратным мажоритированием каждого логического элемента по схеме 2 из 3 (семейство ПЛИС RTAX корпорации Actel).

Разработка решений на основе технологии СнК на платформе ПЛИС требует значительного изменения процесса проектирования РЭА и внедрения современных систем проектного менеджмента, что, в свою очередь, требует переподготовки инженерных и руководящих кадров и существенных затрат на внедрение изделия. Кроме того, для качественной верификации RTL–модели микропроцессорного ядра, полученного из открытых источников или приобретенного у разработчика IP– и его интеграции в «систему на кристалле» необходим комплекс специальных знаний и средств.

В качестве компромиссного решения, не требующего этих затрат и дающего быстрый результат, может быть предложена интеграция в систему готовых модулей, выполненных по данной технологии, однако, к сожалению, подобные модули до последнего времени производились только за рубежом.

В заключение обзора перспективных технологий для бортовых вычислительно–управляющих систем стоит упомянуть и о программном обеспечении. Надежной и универсальной операционной системы реального времени для решения комплекса задач управления и обработки данных, характерных для автономных объектов, по сей день нет. Снижение роли программного обеспечения центрального процессора в реализации высокоскоростных алгоритмов управления и процедур обработки потоков данных за счет более широкого применения локальных логических узлов и спецвычислителей позволяет вернуться к рассмотрению возможности использования операционных систем семейства UNIX. Стабильные ядра ОС, доступные, в ряде случаев, в виде открытого кода, помогают решать различные задачи и облегчают процесс разработки и отладки программного обеспечения. Развитие семейства ОС Linux и решений на ее основе наглядно показывает возможности подхода, но, вместе с тем, для многих задач по–прежнему единственным приемлемым решением остается написание специализированного программного обеспечения, взаимодействующего с аппаратурой непосредственно или при помощи драйверов низкого уровня.

Платформа, разрабатываемая в СКБ ИС

Проанализировав потребности рынка и возможности, предоставляемые новыми стандартами и технологиями, СКБ Интегральных Систем, многие годы работающее в области разработки аппаратуры для тяжелых условий эксплуатации на основе подхода СнК, в настоящее время разрабатывает принципиально новую платформу для создания бортовых информационно–управляющих систем. Участие в различных проектах создания автономных систем и комплексов, а также многолетнее взаимодействие с Actel Corporation в качестве технического центра позволили накопить значительный опыт по разработке системных решений РЭА.

В качестве базовых технологий для разработки платформы специалисты СКБ ИС выбрали системную шину CompactPCI, процессорную архитектуру SPARC V8, сетевое решение на основе SpaceWire, операционную систему Linux, платформу ПЛИС Actel и формфактор 3U. Выбор процессорной архитектуры обусловлен, с одной стороны, зарубежным опытом применения SPARC V8, рекомендованного Европейским космическим агентством для перспективных разработок бортовой аппаратуры, и с другой — удобством реализации данной архитектуры на платформе ПЛИС Actel. В рамках сотрудничества c Actel Corporation и партнерами в СКБ ИС была синтезирована версия микропроцессорного модуля SPARC V8 3–го поколения и ведутся дальнейшие работы по развитию семейства решений и глубокой интеграции сетевого интерфейса в «систему–на–кристалле» на платформе ПЛИС.

Безусловное преимущество платформы, получившей название ASYSDccp, — это отсутствие в ее составе импортных готовых функционально сложных микросхем. Поскольку все принципиально важные узлы реализованы в виде HDL–кода — модуль микропроцессора, контроллеры PCI, SpaceWire, EDAC (error detection and correction), схемотехника платформы, по сути, не зависит от выбранного технологического базиса. Применение на начальном этапе развития платформы базиса ПЛИС Actel позволяет достичь рекордных показателей надежности и радиационной стойкости и оправдано экономически, однако при необходимости решение может быть перенесено и на ПЛИС других производителей. В перспективе возможно серийное изготовление заказных СБИС.

В таблице приведены общие характеристики новой платформы, которая разрабатывается одновременно как в радиационностойком «космическом» исполнении, так и в общепромышленном. Плата центрального процессора, на которой размещена СнК со встроенными модулями микропроцессора, контроллера памяти, контроллера PCI и сетевого контроллера SpaceWire и некоторое количество оперативной и постоянной памяти, может быть использована как одноплатный компьютер или основа для разработки интеллектуального прибора с SpaceWire–интерфейсом. Изначально заложенная в архитектуру платформы гибкость позволяет реализовывать большинство решений без переделок ключевых элементов. Так, например, для создания бортовой цифровой системы управления сверхмалым космическим аппаратом достаточно дополнить стандартное 5–слотовое радиационно–стойкое исполнение платформы специализированным контроллером радиоканала и платой ввода/вывода для управления рабочими органами и приема информации от датчиков.

В составе большого космического аппарата три комплекта ASYSDccp, объединенные в схему функционального резервирования через роутеры SpaceWire, позволяют заменить центральный компьютер космической платформы — БЦВК.

Для реализации сложных специализированных приборов, как, например, система сканирования на основе ФАР, может быть применено многослотовое шасси и стандартная конфигурация ASYSDccp, дополненная модулями управления — сегментами ФАР со встроенными блоками памяти и спецвычислителями, что позволит на относительно «медленном» центральном процессоре получать изображения высокого разрешения со значительным темпом обновления.

Применение данной платформы и схемы функционального резервирования на основе SpaceWire может найти свое место и в авиационной электронике. Полностью «прозрачная» схема резервирования позволяет быстро создавать высоконадежные вычислительно–управляющие устройства с тройным, четырехкратным (и более) резервированием без дополнительных расходов на модификацию функциональных узлов.

Благодаря использованию стандартных интерфейсов есть возможность быстрой интеграции в систему новых узлов, как собственной разработки, так и сторонних производителей, что ускорит создание новой конфигурации целевого изделия и снизит стоимость разработки, а также благоприятно отразится не только на конкурентоспособности продукции предприятия, но и на его возможности оперативно реагировать на изменяющиеся требования рынка.

Литература

1. www.actel.com
2. http://spaceware.esa.int
3. SPARC International, Inc. «The SPARC Architecture Manual Version 8».