复杂环境下专用计算机的设计及验证.pdf

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1、摘要 摘要 本文在研制任务的要求下，展开了对抗复杂环境的专用计算机研究，完成了 专用计算机的系统设计、软硬件实现、系统联试，并通过了各项环境实验考核。 专用计算机的工作主频高达2 0 0 M H z ，有较强的运算能力。主机运算单元为 两片T I D S P c 6 7 4 7 芯片。借助F P G A 芯片完成对D S P 芯片的状态检测和工作状 态切换，本文提出并实现了基于D S P 芯片的快速切换温备份技术，保证了专用 计算机能够对外部接口进行接近无缝的连续操作。测试结果表明，D s P 芯片切换 时间最大为6 1 u s 。 该专用计算机系统每片D S P 芯片挂载了1 6 M 宰3

2、2 b i t 大小的S D 洲作为程 序存储器。在F P G A 芯片控制下，D S P 芯片从N A N DF L A S H 加载，并且可以操 作8 G b i t 的F L A S H 空间，5 1 2 K b i t 的E E P R O M 空间；同样在F P G A 的监测下， D S P 芯片可以操作两路速率为7 2 0 M b p s 的L v D S 接口、一路双通道冗余备份的 1 5 5 3 B 接口、5 路速率为m z 量级的开关量输入接口、5 路速率为l ( H z 量级的时 序输出接口；同时作为状态自检的手段，D S P 可以操作一片实时时钟I 玎C 芯片、 通过两

3、片板上的温度传感器芯片读取当前板上的温度。 经过电系统功能覆盖测试，专用计算机工作在2 0 0 M H z 的主频下，存储器功 能正常、实时时钟工作正常、温度传感器工作正常，D S P 芯片能够完成快速的切 换，并且7 2 0 M b p s 下的L V D s 通信正常，作为远程终端( R T ) 的1 5 5 3 B 接口通 信正常，输入输出接口隔离效果良好，通信正常。 在此基础上，专用计算机通过了常压下1 2 个循环的鉴定级热循环测试、基 于国家军用标准G J B l 5 1 A 的电磁兼容测试和累计1 0 1 4 个小时的长期开机测试。 关键词：复杂环境，专用计算机，快速切换，D s

4、P ，F P G A A b S t m c t A b s t r a c t U n d e rm er e q u i r e I n e n to ft 1 1 ed e V e l o pm i s s i o l l ，t 1 1 i sp 印e rf o c u s e do nt l l es p e c i a 1 i z e dc o m p u t e ru 1 1 d e rc o m p l e xe n V i r o m e n t ，a c c o m p l i s h e dt l l eS y S t e md e s i g mr e a l i z a

5、 t i o no fl l a r d w a r ea I l ds o f - t w a r e ，j o i n t d e b u go ft l l es p e c i a l i z e dc o m p u t e r A R e rt h a t ，t l l e s y s t e mh a Sp 嬲s e da s e r i e so ft e s t su 1 1 d e rc o m p l e xe n V i r o m e n t s n es p e c i a l i z e dc o m p u t e rw o r k sa tam a i l l

6、 能q u e n c yo f2 0 0 M H z ，m em 旬o ro p e r a t i o n & c o n 缸o lu n “o fs p e c i a l i z e dc o m p u t e rc o l l s i S t so ft w oc 1 1 i p sT I - D S PC 6 7 4 7 a I l do n ec h i pS p a r t a n 6F P G A 1 1 1a d d i t i o no ft 1 1 e i rp o 、v e r 如lo p e r a t i o na b i l i 劬t 1 1 eD S P s

7、 ， w h ow o r k 弱aW 锄S t a n d b yt 0e a c ho t h e r ，c a l la C c o m p l i s haf 瓠ts 晰t c h 岫d e rt l l e c o o p e r a t i o no ft h eh a r d w a r e 蛳l t I l sm o I l i t o r i n g & s w i t c hC o n t r o lm o d u l ei I l s i d et l l e F P G A ，s 0t t l a tt 量：I ei n t e r eo p e r a t i o n

8、 so f 也es y s t e mc a I lb ec o n t i n u o u S T e s tr e s l l l t s s h o w st h es 谢t c hc a nb ea C c o l p l i s h e d 谢仳n6 1 肛s ，g i v e na ni 撇c e o p e m t i o np e - r i o do f 5 m s 1 1 1n l es y s t e m ，e a c hD S Ph a Sap r o g r a mm e m o 巧o fl6 M 木3 2 b i t 锄da l s o8 G b i t F L A

9、 S Hm e m o r y ，512 K b i tE E P R O Mm e m o r y U n d e rt h es u p e i s i o no fF P G A ，e a c h D S P c 趾o p e r 蜀l t e2L v D Si n t e 渤c e sa t7 2 0 M b p s ，1d 砌一c h 锄1 e lb a c k u p15 5 3 B 硫e r f a c e ，5i s o l 蹴d 郇u t sa 】咀5i s o l a t e do u q ) u t s A sam e l o do fs e l f - m o I l

10、i t o 血g ，e a c h D S Pc a I lo p e r a t eaR T Cc l l i p ，a I l d2t e m p e r a _ t l 鹏s e r l s o r sl o c a t e dd i f 6 e r e n t l yo n 也e b o a r d T h r o u 曲t h e 如c t i o n t 跚，e r s i n gt e s t s ，S p e c i a l i z e dc o m p u t e rw o r l ( sp r o p e r l yt e s t i n g m e m 嘶e s ，I H

11、 C ，t e m p e r a n 鹏s e I l S o r S T h eD S P s 、) r j hc a l lb ea c c o m p l i s h e dr 印i d l y 锄dt l l ei m e r f a c e sw o r kw e l l 、) ，i 廿lL V D Sa t7 2 0 M b p s ，15 5 3 Ba Sar e m o t et e m i n a l ，e t c B a S e do nt h e 如c t i o n t r ；l V e r s i n gt e s t s ，s p e c i a l i z e

12、dc o m p u t e rp a S s e dt l l e12 一c y c l e t e m p e r a t u r et e s tu n d e rm ej u d g e m e n tl e v e l ，G J B l 5 1 Ab a S e dE M Ct e s t S ，a I l dal o n g t e mw o r k i n gt e s to f1 0 1 4h o I u I s K 叼啊o r d s ：C o m p l e XC i r c 哪s t a l l c e s ，S p e c i a l i z e dC o m p l

13、】向e r ，F a S tS w i t c l l i I l gS p e e d ， D S P F P G A V 目次 致谢 摘要 A b s t r a c t 目次 目次 l绪论 1 1 课题研究的背景和现状1 1 2 论文研究的目的和意义3 1 3 本文主要研究内容4 2专用计算机方案设计及验证 7 2 1 专用计算机方案设计7 2 1 1总体框架设计7 2 1 2主机部分芯片选型9 2 1 3 D s P 芯片备份技术9 2 1 4D S P 程序加载设计1 l 2 1 5外部存储器设计1l 2 1 6 专用接口设计1 2 2 2 电系统可靠性设计15 2 3 电磁兼容性，

14、温控设计15 2 4任务要求项落实情况1 5 2 5专用计算机方案可行性验证1 6 2 5 1 在仿真器模式下程序代码的外部执行1 6 2 5 2在自举加载模式下程序代码的外部执行1 8 2 5 3D s P 暂停方案以及低功耗模式1 9 2 6 本章小结2 0 3 专用计算机系统的实现。2 3 3 1 专用计算机硬件设计实现2 3 3 1 1电源模块2 3 3 1 2 D S P 模块2 7 3 1 3 F P G A 模块2 8 3 1 4存储器模块31 V 浙江大学硕士学位论文 3 1 5 L V D S 接口3 4 3 1 6 1 5 5 3 B 接口3 5 3 1 7开关量输入和时序

15、输出接口3 5 3 1 8 R 1 模块。3 6 3 1 9 温度传感器模块3 7 3 1 1 0 测试模块、预留测试点和外部接插件3 8 3 1 1 l 专用计算机硬件完成图- 3 9 3 2 专用计算机软件分模块设计实现。4 0 3 2 1专用计算机F P G A 逻辑设计实现4 0 3 2 2 专用计算机D s P 软件设计实现4 1 3 2 3 D S P 和F P G A 通信模式4 3 3 2 4 D S P 切换模式设计实现4 8 3 2 5 存储器模块。5 1 3 2 6 L V D S 接口5 3 3 2 715 5 3 B 接口。5 4 3 2 8 开关量输入和时序输出接口

16、。5 5 3 2 9 R 1 r C 模块、温度传感器模块5 6 3 2 1 0U A I 盯模块5 7 3 3 本章小结5 8 4 专用计算机测试 4 1 专用计算机测试平台5 9 4 2 专用计算机测试结果。6 1 4 2 1电性能覆盖长期测试6 1 4 2 2 温度循环测试6 2 4 2 3电磁兼容测试6 5 4 3本章小结6 8 5结论 参考文献 作者简介。 川川川川 V I 川 川川 。6 9 7 1 7 5 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景和现状 在航空航天产品中的电系统，往往面对着极为复杂的温度环境、空间辐射环 境、电磁环境【l 】。专用计算机作为航空航天产品的电系统中监控

17、管理、数据处理 和传输的重要部件，对可靠性有很高的要求。因此，如何研制应对上述复杂环境 的专用计算机，并保证其本身的高性能，成为了一个需要攻克的难题。 本文中所涉及的专用计算机，是指在复杂的环境下，仍具有高可靠性的高运 算能力的电子电路系统。专用计算机具有快的运算速度，并且使用高可靠性的接 口与外界通信，并且在复杂的环境下，能够通过自身内部的可靠性保证措施保证 自身的正常运行，接口的正常操作。 本文中的复杂环境是指对专用计算机的工作性能影响较大的几种外界环境。 在本文研究的专用计算机系统中，影响最大的包括温度环境、空间辐射环境、电 磁兼容环境等。 - 关于温度环境，电子设备中的元件都有一定的温

18、度范围，如果其工作环境温 度超过了规定的范围，就会发生热失效【2 】。热失效的机理主要有两种：一种是由 材料受热退化造成的，随着温度升高，材料的化学反应速度加快，失效率上升； 二是因为热导致的机械应力，温度差导致产生热应力，温度交变则导致热疲劳【3 】。 图1 1 地球辐射带 关于空间辐射环境【4 】，空间带电粒子辐射主要包括地球辐射带、太阳宇宙线、 银河宇宙线、等离子体、太阳风等多个来源，并且与太阳活动密切相关【5 1 。本文 所研究的内容大部分在地球辐射带中的内辐射带内，并可能通过南大西洋异常区 l 浙江大学硕士学位论文 ( S A S o u mA t l 趾t i c A n o m

19、a l ”、地磁南北极( P o l a r ) 。而辐射带粒子的受太阳的扰 动变化在内辐射带表现不明显，故本文不做考虑。 地球辐射带是指在近地空间范围内，被地磁场所捕获的高强度的带电粒子区 域，也称为V 觚赳l e n 辐射带【6 】，如图1 1 辐射带的形状近似于地球赤道上空围 绕地球的环形结构，强度集中在内辐射带和外辐射带两个区域。 其中，内辐射带是离地球最近的捕获粒子区域，主要包括捕获质子( 能量为 0 1M e V 4 0 0 M e V ) 和捕获电子( 能量为0 0 4 M e V 7 M e 【7 1 。内辐射带的纬度边界 大约为“O o ，空间范围大致从L = 1 2 2 5

20、 ( L 为地球半径的倍数) 。在赤道平面上 大约6 0 0 l 【1 1 1 1 0 0 0 0 k m 的高度范围内，能量低的粒子中心位置离地球远，能量高 的粒子中心离地球近嗍。其中心位置分布情况如表1 1 所示。 表1 1 内辐射带中心位置和最大通量 粒子能量范围最大通量中心位置 类型( M e V )( c m s 。1 )高度( k m ) E 4 1 0 65 0 0 0 E 1 5 1 0 54 0 0 0 质子 E 3 4 2 1 0 43 5 0 0 E 5 0 4 1 0 33 0 0 0 电子E O 5 1 0 80 0 0 0 关于电磁环境，大量研究成果和实验数据证明：

21、能够引起电子系统失灵或者 损坏的电磁信号，频率范围一般在2 0 0 M H z 5 G H z 之间【9 1 。在这个频率范围内， 造成恶劣电磁环境的是一系列瞬变的、峰值电场磁场强度高的电磁信号，这些 电磁信号被称之为H P E M ( H i 曲P o w e rE l e c 仃o m a 朗而c s ，高功率电磁环境) 。按 照频谱进行分类，上述各类信号可以分为四类，即N 撇、b a n d H ) ，p o b a l l d ， M o d e m t e b 锄订e s o b a l l d ，U l t m - m o d e r a t e b a l l d S u b -

22、 h y p e r b 锄d ，H y p e r b a n d l l o 。根 据上述带宽分类标准，我们可以把现在的卸 E M 进行分类和特征总结【1 1 1 。 表1 2 不同带宽类型的H P E M 环境系统举例以及频域特征 带宽类型 系统举例 频域特性 N 绷w b 锄d H P M ( M T F ，O R J O N ，H Y P E 刚o N ，S U P R A ) 中心频率：0 5 5 G H z M o d e r a l e b a n d D a m p e dS i n u S o i d s ( 衰减正弦波) ( M A T R I X )中心频率：1 0 0

23、 5 0 0 z U l t r a m O d e r a t e b a n dS h o r tp u l s e ( T H o HS e r i e s )N A H y p e r b 孤d S h o np u l s e ( 12 P r o t o 妙p eI R AS y s t e m ) N A 2 绪论 1 2 论文研究的目的和意义 复杂环境对电子系统的影响主要体现在“软”“硬”杀伤两个方面，硬杀伤 指的是干扰能量强到对系统造成了不可恢复的错误，如芯片的闩锁、烧毁；软杀 伤指的是电子系统及其内部器件因为温度异常、电磁干扰而短暂失灵，比如存储 内容被擦除翻转、程序运行出

24、错【1 2 1 。航空航天产品的电系统具有高性能要求， 所以我们需要采用高新技术的元器件。如高性能的计算机芯片、D S P 、F P G A 、 大容量存储器等，很多器件国内无法生产，而从国外采购又面临着出口限制问题， 所以如何使用商业器件制造高可靠性的电系统成为了迫切需要解决的问题。 本文根据项目研制任务的要求，展开了复杂环境研究，目的是为了研制采用 商业级器件的，在复杂环境下仍具有高可靠性的专用计算机系统。从对抗复杂环 境的角度，采用高速的运算单元，并且采用温备份的手段加强运算单元的可靠性， 采用高可靠性( 双通道冗余、低电压差分等形式) 的特定接口完成与外界电系统 的通信。 目前国内外已

25、有的对专用计算机的可靠性设计方法对本文的工作具有重要 的指导意义。随着航空航天产品中电系统的高性能、小型化的发展趋势，专用计 算机运算单元的可靠性保证主要有三模冗余和双模备份两种方式。 三模冗余( 甚至多模冗余) 通过多片C P U 同时工作的方式，进行多数判决 的投票，从而保证系统的可靠性【1 3 以5 1 。这种多模冗余的方法会使用到大量的C P U 和其最小外围电路，硬件开销非常的可观，不能很好的符合电系统小型化的要求； 双模冗余通常有冷备份【1 6 1 、热备份【1 7 邶】、温备份【1 9 】三种方式。其中，冷备 份对器件来说相对单粒子翻转事件【2 0 。2 1 】( S i n g

26、 l eE v e n tU p s e t ，S E U ) 最为安全， 但是冷备份的实时性很差，整个系统需要暂停很长的时间来等待备份单元进入到 正常工作状态；热备份实时性最好，但是其相对于S E U 的可靠性没有本质的提 升，备份机仍然与主机有相同的概率受到S E U 的影响；温备份介于两者之间， 可以一定程度上降低S E U 事件的影响，又保证整个系统的实时性。哈尔滨工业 大学研制的“试验卫星一号”中的主要管理、运算单元【2 2 】采取了温备份的策略， 并且在控制周期5 0 0 m s 以内可以完成切换。 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 针对以上现状，本文在研制任务的要求

27、下，展开了对抗复杂环境的专用计算 机研究，完成了专用计算机的系统设计、软硬件实现、系统联试，并通过了各项 环境实验考核。从可靠性设计、系统设计开始，进行专用计算机方案设计，然后 从软硬件分模块设计实现了具有高可靠性的专用计算机系统。随后研制了专用计 算机测试平台，在复杂环境下对整个专用计算机系统进行了验证。 与研制任务的要求落实情况如表1 3 ： 表1 3 任务要求对应落实结果 任务要求项要求细节落实情况 D S P 芯片主频2 0 0 M H 厶6 4 位浮D S P 芯片主频2 0 0 M H z 、6 4 位浮 主机 点运算、2 0 0 M F P s点运算、最高1 8 0 0 M F

28、P S 内存 F L A S H 1 6 M B ：S D R A M 1 6 M BF L A S H1G B ：S D R A M6 4 M B 1 5 5 3 B 总线接口功能正常功能正常 L V D S 接口 带宽6 0 0 M b p s7 2 0 M b p s 隔离接收，门槛电压大于1 5 V 、数光耦隔离接收，门槛电压大于 开关量输入接口 字滤波l m s1 5 v 、数字滤波1 m s 时序输出隔离输出光耦隔离O C 输出 直流供电2 8 v 3 V ，允许功耗不 大于9 0 W 。仪器用电一律经二次直流供电2 8 v 3 v ，功耗5 4 6 W ， 电源要求 变换，二次电

29、源地线不得与一次通过隔离D C D C 给系统供电 电源地线相连。 切换时问要求 5 0 0 小时平均无故障工作时间 5 0 0 小时 耐温及温变要求- 4 5 7 0 ；温度变化率5 佃血4 5 7 0 ；温度变化率5 钿i n 电磁兼容问题 满足G J B l 5 1 A 要求满足G J B l 5 l A 要求 本文展开了在保证高运算性能的情况下，又保证一定的系统可靠性的研究。 之后提出并实现了一种基于温备份的专用计算机系统可靠性设计方法，在保护系 统不受S E u 影响的情况下，专用计算机可以在6 1 p s 内完成故障切换，在接口控 制周期为5 m s 的背景下，保证了系统的实时性。

30、6 1 p s 的故障切换时间相对于前 人的5 0 0 m s 有了较大的提高。 作者全程参与了整个专用计算机项目的研制与测试。从复杂环境调研开始， 总结了电子设备系统可靠性设计的方法，完成了专用计算机的方案设计；之后设 计实现了专用计算机的硬件电路系统，并且完成了D S P 软件设计、F P G A 逻辑 4 绪论 设计、基于双模温备份的高速切换模块设计、F l a S h 加载控制模块设计、S D 洲 控制模块设计、L v D S 接口设计、开关量输入和时序输出接口设计。 项目中，F P G A 内部I I C 模块和S P I 模块的设计、1 5 5 3 B 接口设计、专用计 算机测试平

31、台设计为与师弟共同完成。 文章中具体的章节安排如下： 第l 章，绪论，从复杂环境开始，描述了专用计算机所需要面对的温度环境、 空间辐射环境、电磁环境背景，接着说明了论文研究的目的和意义，最后叙述了 本文所做的工作以及文章的章节安排； 第2 章，专用计算机方案设计及关键技术验证，首先分模块介绍了专用计算 机的可靠性的方案设计，然后针对空间辐射环境、电磁兼容环境、温度环境，对 关键技术作分解，逐一提出设计方案，并对任务要求项的落实情况做了对应；然 后对部分关键技术的可行性作了前期实验验证，以确保方案设计的正确性； 第3 章，专用计算机系统的实现，首先分模块描述了专用计算机的硬件实现， 并对纯硬件模

32、块的单元测试结果进行了展示。然后分模块描述了专用计算机的软 件实现，讲述了关键芯片D S P 和F P G A 基于温备份切换的软件联试设计方案和 联试结果，以及各模块中关键芯片D S P 和F P G A 的调试方法和结果： 第4 章，专用计算机测试，讲述了为了验证专用计算机的可靠性设计，研制 的测试平台的结构和设计实现，以及基于此测试平台所做的复杂环境实验以及结 果，其中包括电性能覆盖测试、l O l 4 小时的长期开机测试、常压下1 2 个循环的 鉴定级热循环测试、基于军用标准G m l 5 l A 的电磁兼容测试； 第5 章，结论，对本文的工作作了总结，并且提出了本文的不足之处和后续

33、改进点和注意点。 1 接口原理验证【3 4 1 ，设计 片) 、F P G A 芯片、S D R f 蝴 芯片) 、R T C 芯片、温度 传感器芯片、D S P 芯片的J T A G 接口以及外部接口( 包括L ) S 、1 5 5 3 B 、5 路 开关量输入、5 路时序输出、G P S 接口、电源模块、测试模块) 等构成。 整个专用计算机系统，以F P G A 为中心，其它器件围绕该芯片组合而成，具 体模块连接示意图如图2 1 所示。 ： 一；二。， 图2 1 专用计算机模块连接示意图 在该方案中，F P G A 芯片将管理所有信号链路，包括：D s P 芯片的状态检测、 复位、上电加载

34、程序；D S P 芯片切换控制；D s P 芯片数据读写管理、数据纠检 错与表决逻辑、存储器管理、R T C 操作、温度传感器操作、L v I ) S 和1 5 5 3 B 接口 7 浙江大学硕士学位论文 的控制逻辑、开关量输入和时序输出管理逻辑、G P s 接口管理逻辑、测试管理等 逻辑和功能。 D S P 芯片完成代码的运行、数据处理，以及响应F P G A 芯片中断要求的工 作，包括2 片芯片，构成互为备份的系统。 外部电源模块完成2 8 v 士3 V 外接电源的隔离和电压转换功能，为其它芯片提 供相应工作电压。与外接电源通过隔离D C D C 芯片实现隔离。隔离D C D C 的 输出

35、电压( 2 8 v 士3 V ) ，通过D C D C 或L D O 芯片进行电压再次变换，这些芯片的 输出电压采用滤波措施来保证电源质量。 测试模块完成对专用计算机内芯片( D S P 芯片、F P G A 芯片、1 5 5 3 B 控制芯 片) 的电压和电流状态监测、与F P G A 的内部模块通讯功能，并通过U A I 玎接 口与外部测试系统连接。 s D 删用于存储临时数据，或可以根据需要配置成D s P 芯片的外置存储 器，存放D S P 的程序代码，以及堆、栈、中断向量等空间。每片D S P 芯片所挂 载的S D 洲的存储空间不低于1 6 M B 。 非易失性大容量存储模块由E E

36、 P R O M 和F L A S H 芯片构成。其中E E P R O M 的存储空间不低于1 M B ，用于存储F P G A 或D s P 运算过程中产生的关键数据。 F L A S H 存储空间不低于1 6 M B ，用于长久保存数据以及存放D S P 的加载程序。 G P S 接口用于连接外部G P S 设备，其信号线与F P G A 连接。在F P G A 上设 计有相应的逻辑控制模块，用于发现和管理G P S 设备。D S P 可以通过专设地址 访问该设备j 时序数据接口，通过光电隔离器件向外部设备提供5 路数字信号输出。D s P 可通过特定地址访问该接口。 开关量输入接口，通

37、过光电隔离器件向外部设备提供5 路开关量输入。在 F P G A 上对输入的开关量进行1 m s 数字滤波。D S P 可通过特定地址访问该接口。 1 5 5 3 B 接口，向外部设备提供1 5 5 3 B 接口通讯功能，由总线控制芯片及配套 耦合变压芯片构成。该接口模块的数字信号线与F P G A 连接，并在F P G A 上设 计专用的管理模块。D S P 可通过特定地址访问该接口。 L v D S 接口，提供L V D S 通讯服务。该模块的数字信号线与F P G A 连接，并 在F P G A 上设计专用的管理模块。D S P 可通过特定地址访问该接口。 8 专用计算机方案设计及验证

38、R T C 芯片用于使专用计算机系统拥有一个实时时钟，必要的时候也可以配 置为看门狗模块。 温度传感器芯片用于提供专用计算机电路板上的实时温度，以方便电路板的 状态检测以及温度试验验证。 2 1 2 主机部分芯片选型 对于C P U 模块：根据专用计算机任务要求，D S P 芯片的工作频率应可以达 到2 0 0 M H z ，可以支持6 4 位浮点运算，处理能力大于2 0 0 M F L O P S 。根据项目组 原先对T IC 5 4 x x 、C 5 5 默芯片已有的应用基础，为了保持技术上一定的继承性， 专用计算机系统选择了T I 公司的凇芯片作为主运算单元( c P U ) ，其可以运

39、行 在最高3 0 0 M H z 的主频下，支持3 2 位整形运算，以及6 4 位双精度浮点运算，处 理能力最高为2 4 0 0 M I P S ( 流水线完全使用时) ，1 8 0 0 M F L O P S 【2 3 1 。 对于逻辑控制模块( F P G A 芯片) ：根据本项目方案，F P G A 芯片是整个计 算机系统的中心，要求具有大量的I O 接口，同时要求该芯片的逻辑单元数量达 到一定程度。根据该要求，在原理样机阶段选择x i l i l l ) 【公司的双芯片F P G A ， 容量为1 4 7 4 4 3 个叫T 逻辑单元，约7 2 M 逻辑门，I O 速率可达到2 0 0

40、 M H z 【2 4 1 。 该专用计算机在进入工程应用阶段时，需使用反熔丝F P G A 代替洲型 F P G A 。下表为A c t e l 公司典型反熔丝F P G A 的特性参数【2 5 1 ： 表2 1A c t e l 公司典型反熔丝F P G A 比较 系列型号系统门数 典型门数 最大I O 数 A x c e l e r a t o rA X 2 0 0 02 M1 0 6 M6 8 4 A x c e l e 戌吨o rA X l 0 0 01 M6 1 2 k5 1 6 S X AA 5 4 S X 7 2 A1 0 8 k7 2 k3 6 0 S X A 5 4 S X

41、 3 24 8 k3 2 k2 4 9 M X A 4 2 M X 3 65 4 k3 6 k2 0 2 ：S X 系列为军品，对我国禁运 据F P G A 工作量评估，拟选用门数l M 以上、I O 数5 0 0 以上的反熔丝F P G A 。 2 1 3D S P 芯片备份技术 为了提高专用计算机的可靠性，需要对D S P 芯片进行备份。根据项目组技 9 专用计算机方案设计及验证 情况下进行D S P 执行切换操作。D S P 状态监测与控制逻辑描述如下： ( 1 ) 看门狗异常情况 当F P G A 监测到看门狗模块发出复位信号后，在看门狗异常计数器中计数， 并向控制逻辑发出切换D S

42、P 要求。 ( 2 ) D S P 控制逻辑 D S P 控制逻辑在收到切换要求信号后，检查备用D S P 是否已准备好。如果 备用D s P 已准备好，那么执行D S P 切换策略；否则，等待备用D S P 准备好后再 执行切换策略。切换完成后，在D S P 切换计数器中计数。 2 1 4D S P 程序加载设计 为了保证D S P 程序加载的可靠性，可在程序加载过程中采取纠检错( E D A C 方法) 或三模冗余( 眦方法) 措施。这两种方案的结构框图如下所示： ( A ) E D A C 模式 图2 2 两种加载模式 I 非易失性存储器l ! 医豳! 际磊面磊磊习 匿困； 厩点磊 ；匿

43、圈： ( B ) n 很模式 对比上图中两种方案，E D A C 模式要求存储单元相对较少，但需要E D A C 模块进行纠检错处理；T M R 模式的结构简单，但对外部存储空间要求大。 根据前期的D S P 加载设计可行性验证，决定采用E D A C 模式。 2 1 5 外部存储器设计 外部存储器包括S D R A M 和非易失性存储器( 包括F L A S H 和E E P R O M ) ， 如下图所示： 在专用计算机系统中，每片D S P 外挂的S D R A M 空间大小为1 6 M 宰3 2 B i t ( 两 浙江大学硕士学位论文 片S D 删芯片，型号碰) ；D S P 可通过

44、F P G A 操作的E E P R O M 空间大小为 5 1 2 K B i t ( 两片E E P R O M 芯片，型号X X ) ；D S P 可通过F P G A 操作的F L A S H 空 间大小为8 G B “( 一片F L A s H 芯片，型号毅) 。 图2 3 外部存储器组织结构图 D S P 通过特定地址访问S D R A M 、E E P R O M 和F L A S H 。 2 1 6 专用接口设计 专用计算机接口包括1 5 5 3 B 总线接口、L V D S 接口、开关量输入、时序输出、 电源接口等，都需要预先进行接口可靠性研究和设计 2 1 6 1 电源设计 电源系统设计中，采用两次电压变换，具体框图如图2 4 所示。第一次变换 采用隔离式D C D C 进行1 ：1 的直流电压变换，使得外部电源地与内部电源地隔 开；第二次交换采用D C D C 变换器( T I 公司的酸芯片) ，变换产生系统所需 要的四种数字供电电平( 3 3 V 、2 5 V 、1 8 V 、1 2 V ) 和一路模拟供电电平( 3 3 V ) 。 其中，模拟供电电平使用L D O ( T I 公司的X X 芯片) 进行稳压，抑制纹波。以 满足系统供电的要求。