劉 宇，李成文，高楊，楊 濤，何小亞（中國航空計算技術(shù)研究所，西安，710119）

?

分布式計算機系統(tǒng)通用接口模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 宇，李成文，高楊，楊 濤，何小亞
（中國航空計算技術(shù)研究所，西安，710119）

摘要：文章的研究目的是研究新一代飛機機載計算機中具用通用化、模塊化的機載通用接口模塊，滿足新一代綜合化航空電子系統(tǒng)要求.文章介紹了一種應(yīng)用于分布式計算機系統(tǒng)的通用接口模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，此設(shè)計解決了新一代飛機對接口模塊綜合化、模塊化的要求，介紹了通用接口模塊具體實現(xiàn)方式，通過驗證證明了設(shè)計的可行性和可靠性，目前，通用接口模塊在機載容錯分布式計算機原理樣機中通過了系統(tǒng)驗證，滿足用戶要求.

關(guān)鍵詞：分布式；通用接口；LRM

0 引言

隨著航空電子系統(tǒng)的快速發(fā)展，系統(tǒng)對機載計算機的性能提出了越來越高的要求，尤其是對機載計算機的綜合化、模塊化要求。機載計算機不僅要計算大量的數(shù)據(jù)，而且還要對各種數(shù)據(jù)進行融合，除具有處理器、RAM、ROM外，還要求具有很強的對外設(shè)備的輸入輸出處理能力，如何實現(xiàn)模塊綜合化、模塊化已經(jīng)成為一個新的研究方向。

本文介紹的通用接口模塊就是一種實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及與對外輸入輸出處理能力的設(shè)計。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

整個系統(tǒng)分成兩個功能塊：CPU和IO、CPU部分負責(zé)整個模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理和資源管理，而IO部分用于整個系統(tǒng)與外部設(shè)備的輸入輸出處理，兩大功能塊通過PCI總線連接。

2 模塊結(jié)構(gòu)與特點

通用接口模塊用于模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)處理、資源滾利幾對外部設(shè)備的輸入輸出處理，圖1是通用接口模塊原理圖，其中上半部分為CPU部分，下半部分為IO部分。兩部分通過PCI總線連接：

3 模塊功能設(shè)計與實現(xiàn)

3.1CPU部分功能設(shè)計

CPU部分實現(xiàn)上電復(fù)位、時鐘電路、電壓轉(zhuǎn)換器、看門狗電路、MPC107橋等電路。

復(fù)位電路由上電復(fù)位電路和復(fù)位處理電路組成，上電復(fù)位電路采用MAXIM公司的MAX791實現(xiàn)，當(dāng)上電、掉電或手動復(fù)位有效時，上電復(fù)位電路產(chǎn)生200ms的復(fù)位信號。復(fù)位處理電路由CPLD邏輯實現(xiàn)，上電復(fù)位電路的輸出復(fù)位信號送到CPLD1（因MAX791產(chǎn)生的是5V信號，不能直接輸入到MPC107上），經(jīng)過CPLD1邏輯驅(qū)動后輸入到MPC107上，由MPC107產(chǎn)生MPC107_ HRST和MPC107_SRST輸入到CPLD1，再由CPLD1產(chǎn)生處理器硬復(fù)位和處理器軟復(fù)位及PCI設(shè)備復(fù)位信號。

時鐘電路輸入時鐘為33MHz（3.3V時鐘），33MHz時鐘由SG-8002JF-33MHz晶振產(chǎn)生，然后輸入到MPC107上，MPC107產(chǎn)生5 路33MHz同步時鐘供PCI設(shè)備使用（到通用接口模塊的通用部分），MPC107內(nèi)部實現(xiàn)時鐘鎖相環(huán)電路，經(jīng)MPC107中的DLL產(chǎn)生4路同步時鐘（66MHz～100MHz）時鐘供SDRAM使用， 產(chǎn)生3路同步時鐘（66MHz～100MHz）時鐘供處理器使用。

本模塊上處理器（MPC750）內(nèi)核電壓為2.6V，接口電壓為3.3V；MPC107內(nèi)核電壓為2.5V，接口電壓為3.3V或2.5V，其它芯片均為5V或3.3V電壓。5V，3.3V電壓可由電源模塊提供。處理器內(nèi)核電壓2.6V由線性Linear公司的可調(diào)電壓轉(zhuǎn)換器LT1083CT提供，最大電流7A。MPC107內(nèi)核電壓2.5V電壓由LT1085CM提供，最大電流3A。為了保證同時加電，電壓轉(zhuǎn)換器之間加入二級管，當(dāng)上電時VOUT立刻可達到預(yù)設(shè)值（小于2.6V），再等到電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電壓VOUT達到2.6V時，二級管反向截止，從而電壓穩(wěn)定滿足器件電氣特性。

看門狗電路采用MAX791和CPLD實現(xiàn)，定時周期可根據(jù)應(yīng)用需要用硬件設(shè)置，默認為1.6s。當(dāng)看門狗功能失效后，產(chǎn)生看門狗中斷?？撮T狗設(shè)計，當(dāng)看門狗報警時采用硬件設(shè)計自動喂狗，當(dāng)連續(xù)發(fā)生三次看門狗中斷后產(chǎn)生處理器軟復(fù)位。

MPC107內(nèi)部實現(xiàn)EPIC（嵌入可編程中斷控制器），可以管理5路PCI中斷，中斷控制器示意圖如圖6，處理器1管理5路PCI中斷及MPC107中斷，看門狗中斷和掉電中斷接到處理器的MCP上，查詢FPGA內(nèi)部寄存器可以判斷是看門狗中斷還是掉電中斷。

MPC107PCI橋接器/集成存儲器控制器提供MPC6XX，MPC7XX，MPC74XX處理器到PCI總線的接口，MPC107提供功能有：一個高性能的存儲器控制器，兩處理器的支持，兩通道DMA控制器，一個中斷控制器，一路I2O消息控制器，一路I2C接口，一個時鐘鎖相環(huán)電路，MPC107內(nèi)部有配置寄存器，配置寄存器基地址為0XFEC00000。

3.2 IO部分功能設(shè)計

IO部分實現(xiàn)PCI橋接器、PCI局部總線控制器、接口電路、模擬量處理電路、輸入輸出離散量處理電路等電路。

3.2.1PCI橋接器設(shè)計

PCI橋接器使用PLX Technology公司的PCI9056.PCI9056具有32位、66MHz的PCI總線以及局部總線操作；PCI9056內(nèi)部還是基于原有的PCI9054技術(shù)架構(gòu).PCI9056具有以下特點：

1）含有1個PCI仲裁器，支持7個外部主控設(shè)備；

2）2個獨立的DMA通道，每個通道含有1個雙向的深度為64長字（256字節(jié)）的FIFO；

3）增強的M模式功能，能提供PowerQUICC超出原有16字節(jié)長度限制的突發(fā)傳送；

4）有2個響應(yīng)同樣深度的FIFO，并有可編程的讀信號超過報告及其恢復(fù)；

5）符合PICMG 2.1熱交換技術(shù)規(guī)范，包括電壓偏移容錯、預(yù)充電功能與預(yù)置不支持響應(yīng)功能，支持PCI電源管理，含有D3cold電源事件中斷；

6）可應(yīng)用于嵌入式主機的復(fù)位和中斷引腳設(shè)置功能，具有JTAG邊界掃描；

7）2.5V的CMOS芯核電壓，對3V和5V的I/O信號電平兼容。

圖1 通用接口模塊原理圖

本模塊的PCI9056設(shè)計成PCI總線的目標設(shè)備，采用M模式局部總線。

3.2.2PCI局部總線控制器

PCI局部總線控制器由CPLD2邏輯實現(xiàn)，該控制器包括片選譯碼電路、時序控制電路、AD轉(zhuǎn)換控制電路、429時鐘分頻電路、429控制器和中斷管理器。

片選譯碼電路是對PCI9056局部總線進行地址PCI_ A［31：28］、PCI_A［15：0］、傳輸類型碼PCI_SIZE［1：0］進行譯碼產(chǎn)生各種IO接口片選CS_L和字節(jié)使能BE_L［3：0］。PCI_ A［31：28］產(chǎn)生IO設(shè)備的基地址0x80000000，PCI_A［15：2］產(chǎn)生IO設(shè)備的偏移地址0x0000-0xFFFF。所有IO設(shè)備均按32位方式訪問，訪問地址加4，有效數(shù)據(jù)為低8位或低16位。

時序控制電路實現(xiàn)IO設(shè)備訪問的讀/寫信號，及對PCI主設(shè)備訪問應(yīng)答等功能。CYC_L為周期信號，DEN_L為數(shù)據(jù)使能信號，這兩個信號控制IO設(shè)備訪問時間，讀信號RD_L和寫信號WR_L均與時鐘CLK同步，各IO設(shè)備的訪問時間按芯片手冊提供的典型值來設(shè)計。

AD轉(zhuǎn)換控制電路用于啟動AD轉(zhuǎn)換、讀取AD碼、鎖存AD碼及模擬通道的選擇，該電路還包括輸入離散量的驅(qū)動。

429時鐘分頻電路產(chǎn)生1MHz時鐘供ARINC429協(xié)議處理器使用，該電路由一個4位計數(shù)器實現(xiàn)，計數(shù)器輸入時鐘為16MHz，輸出時鐘為1MHz。

429控制器用于控制ARINC429接口電路收發(fā)數(shù)據(jù)，是本模塊設(shè)計的重點和難點之一。429控制器要完成ARINC429接口電路的讀/寫、配置、接收數(shù)據(jù)處理、發(fā)送數(shù)據(jù)處理等操作。

中斷管理器用于管理RS422通信中斷、ARINC429通信中斷和AD轉(zhuǎn)換器中斷，中斷管理器接收16路中斷：1路AD轉(zhuǎn)換中斷、9路RS422中斷、6路ARINC429中斷，所有中斷均為電平觸發(fā)方式。中斷管理器設(shè)有16位寄存器保存16路中斷請求，中斷管理器的寄存器地址為0500H。

3.2.3接口電路電路設(shè)計

接口電路由RS422接口電路和ARINC429接口電路組成。

RS422接口電路實現(xiàn)9路RS422協(xié)議的數(shù)據(jù)通信，該電路由5片TL16C552芯片和9片MAX488實現(xiàn)。5片TL16C2552芯片實現(xiàn)10路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，本模塊使用其中的9路。RS422數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道的物理數(shù)據(jù)寬度為8位，本模塊設(shè)計成32位訪問方式。MAX3490實現(xiàn)3.3V TTL電平與差分RS422串行通信電平的轉(zhuǎn)換。

ARINC429接口電路實現(xiàn)4路ARINC429協(xié)議數(shù)據(jù)接收、2 路ARINC429協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送，該電路由2片HS4-3282芯片和2片HS4-3182芯片實現(xiàn)，4路ARINC429接收通道與RS422接口電路的6、7、8、9接收通道復(fù)用，2路ARINC429發(fā)送通道與RS422接口電路的8、9發(fā)送通道復(fù)用，通道的切換通過設(shè)置12個跳線實現(xiàn)。

3.2.4模擬量處理電路

模擬量處理電路用于處理3路-10V～+10V輸入模擬量，本部分電路由模擬量輸入信號前端處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。

模擬量前端處理電路由RC電路和運算放大器（OP200）組成，3路-10V～+10V外部模擬量輸入接口，采用差分或單端輸入方式，高低端通過一階濾波，經(jīng)運放（OP200）進行1：1的比例放大，然后送入A/D轉(zhuǎn)換電路。

A/D轉(zhuǎn)換電路由多路器ADG508和模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1674組成，AD1674內(nèi)部有采樣保持器，允許單極性和雙極性輸入，輸入電壓可為±5V，±10V， 0V-10V， 0V-20V。本模塊的AD1674設(shè)計成可以是單極性輸入，也可以是雙極性輸入，由跳線來設(shè)置，輸入電壓可為±10V和0V-20V。

3.2.5輸入輸出離散量處理電路

輸入輸出離散量處理電路由輸入離散量處理電路和輸出離散量處理電路組成。

輸入離散量處理電路實現(xiàn)0V-32V的輸入離散量處理，0V-3V定義為邏輯‘1’；18V-32V定義為邏輯‘0’，輸入離散量處理電路由光電隔離6N140芯片、電壓調(diào)節(jié)電阻和CPLD2邏輯實現(xiàn)，

輸出離散量處理電路要實現(xiàn)12路離散量輸出，其中4路為TTL電平、4路+15V/地、4路為4路+28V/地。5V離散量輸出電路是由CPLD2的邏輯實現(xiàn)，4路5V離散量直接從CPLD2輸出到底板總線，15V離散量輸出電路是由CPLD2的邏輯、電壓變換器MC14504和限流電阻實現(xiàn)，4路15V離散量從CPLD2的鎖存器輸出，然后電壓變換器MC14504把5V TTL電平離散量轉(zhuǎn)換成15V離散量，最后經(jīng)過10KΩ電阻送到到底板總線。15V輸出離散量使用并口1的高4位。15V離散量輸出端口地址為0x80000200，28V離散量輸出電路是由CPLD2的邏輯、繼電器驅(qū)動器SG2803、繼電器S172和限流電阻實現(xiàn)。4路28V離散量從CPLD2的鎖存器輸出，送到繼電器驅(qū)動器SG2803，SG2803驅(qū)動S172繼電器，使繼電器接+28V或接28V地，產(chǎn)生+28V/地的離散量，最后經(jīng)過50KΩ電阻送到到底板總線。28V輸出離散量使用并口2的低4位，28V離散量輸出端口地址為0x80000204。

4 分布式計算機系統(tǒng)通用接口模塊功能驗證與分析

通過JTAG調(diào)試接口、串行總線接口以及故障輸出接口來檢測模塊工作的正確性，檢測結(jié)果正確，達到技戰(zhàn)術(shù)指標，滿足用戶需要，同時也可以對模塊進行調(diào)試，跟蹤等。模塊的驗證主要包括可編程邏輯器件的仿真驗證和功能的驗證。目前，通用接口模塊已在機載實時容錯分布式計算機系統(tǒng)原理樣機中通過了系統(tǒng)驗證，本分所實現(xiàn)的一種通用接口模塊已經(jīng)應(yīng)用于分布式機載計算機系統(tǒng)，前景廣闊。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種應(yīng)用于機載實時容錯分布式計算機系統(tǒng)的通用接口模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，本課題在應(yīng)用預(yù)研成果的基礎(chǔ)上，針對新一代飛機機載計算機系統(tǒng)，突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，為新一代飛機的綜合航電系統(tǒng)的研制提供了有力的支持。

參考文獻

［1］鄭緯民.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［2］MPC750 RICS Microprocessor Family User' s Manual［Z］. USA： Motorola Inc，2001.

［3］MPC107 PCI Bridge /Memory Controller User's Manual ［Z］.USA： Motorola Inc，2000.

［4］李貴山.PCI 局部總線開發(fā)者指南［M］.西安： 西安電子科技大學(xué)出版社，2001，3.

［5］Universe IITM User Manual［Z］.USA：TUNDRA，1998.

［6］PCI 9056BA Data Book［Z］.USA： PLX Technology Inc，2003.

作者簡介

劉宇（1987～ ），男，黑龍江綏棱人，學(xué)士，助理工程師，主要研究方向為計算機及應(yīng)用。

Design of A Genneral I/O Module for Distributed Computer System

Liu Yu，Li Chengwen，Gao Yang，Yang Tao，He Xiaoya
（Aeronsutical Conputing Technique Research Institute，Xi’an，710068，China）

Abstract：To research general airborne I/O module for next-generation airplane ，fulfilling integrated avionics system’s requirements， is the main purpose of integration and modularization.Thispaper also presents a method of verification for feasibility and reliability.The general I/O module passed user acceptance tests and functions well in prototype airborne distributed cpmputer systems.

Keywords：distributed；common interface；LRM