民用飛機飛控計算機處理器選型研究分析論文

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的核心，它控制系統的解算裝置，實現飛控系統控制率計算功能并向伺服系統輸出控制指令。處理器擔負著整個系統的數據處理任務，相當于整個系統的大腦。處理器是整個系統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 系統簡介

　　根據民用飛機飛控計算機的設計方案，飛控系統由5 臺兩余度的控制、監控計算機組成，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。

　　計算機系統采用非相似余度設計概念，使用了體系結構非相似、硬件非相似和軟件非相似等技術克服系統的共態故障。其中硬件非相似要求主計算機系統和從計算機系統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的硬件設備而帶來的共態故障。體系結構非相似要求主計算機系統和從計算機系統采用不同體系結構的計算機，以克服計算機體系結構設計可能的共態故障。

　　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，產品兼容性等各種綜合因素。因此，應從以下幾個方面予以考慮。

　　(1)處理器產品的市場占有率。

　　(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)是否有工業檔或工業檔以上質量等級的處理器產品。

　　(5)是否為國外機載產品中使用的主流處理器產品。

　　(6)是否具有較低的功耗。

　　(7)在國內的應用的應用是否成熟。

　　2.2 選型分析

　　2.2.1 產品的市場占有率及支持廠商

　　目前較為流行的處理器產品有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 位結構) 占領市場份額由大到小的排列次序為：

　　(1)Intel 公司的X86 體系結構產品。

　　(2)Motorola/IBM/Apple 集團的PowerPC 體系結構產品。

　　(3)MIPS 公司的R 體系結構產品。

　　(4)ARM 公司的ARM 體系結構產品。

　　(5)TI 或AD 公司的DSP 系列產品。

　　(6)Sun 公司的SPARC 體系結構產品。

　　(7)HP 公司的PA-RISC 體系結構產品。

　　(8)DEC 公司的Alpha 體系結構產品。

　　其中前五種處理器在嵌入式領域應用較廣，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商Intel 公司支持生產，X86 系列是目前使用最為廣泛的處理器，占有了PC 機市場上的大多數份額，除Intel 公司外，還有其它支持X86 系列產品的廠商，如AMD、CYRIX、TI 等。另外還有眾多廠商支持生產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 結構的32 位計算機硬件平臺。目前開發和使用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 系列由微電子生產商IDT 等公司支持生產。以MIPS 為內核的產品大量應用在通訊領域。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。

　　ARM 系列產品由 Intel 公司,Motorala 等大規模芯片生產廠商支持生產。許多公司都在自己的嵌入式產品中采用ARM 內核。手持設備領域成了ARM 的天下。同時許多機載設備在系統中嵌入ARM 內核。

　　TI 及AD 公司DSP 系列產品由TI 及AD公司支持生產。DSP 自80 年代初期問世以來,取得了突飛猛進的發展，近幾年在機載領域獲得了廣泛的應用。

　　2.2.2 處理器產品的兼容性及質量等級

　　一般飛機壽命期通常在30 年左右，而微電子技術的發展使得處理器的更新周期越來越短，3-5 年就會開發出一代新的處理器產品。為了減少處理器的升級換代對已開發出的機載計算機產品的軟硬件的影響，我們在處理器選型時需要考慮處理器產品的兼容性。

　　Intel 的 X86 系列產品有Pentium、PII、PIII 等，AMD的X86系列產品有K5、K6、K7等。X86 的產品已形成了系列化指令系統都保持向下兼容，486 以上的32 位X86 系列的CPU 芯片都支持在386 上開發的軟件。因此當處理器升級時，應用軟件不需要太大的改變。

　　PowerPC 系列產品有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 升級中硬件設計可以保持不變。

　　MIPS R 系列產品有R3XXX、R4XXX、R5XXX 等。任何MIPS R 系列的CPU 上指令都保持兼容。

　　ARM 體系結構共定義了6 個版本, 指令集功能不斷擴大。ARM 處理器系列產品有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 產品為例, 其系列產品有：TMS320CXX,TMS320C2XX,TMS320C5XX 以及TMS320C6XXX 等。同一系列產品的指令也都保持兼容。

　　為了使產品能適應各種應用環境，處理器廠商往往都會提供不同質量等級的產品滿足不同的需求。目前電子元器件的質量等級一般分為：民用檔，工業檔，汽車檔及軍用檔。

　　一般而言，機載產品的使用環境相對比較惡劣，而且飛控計算機又與飛行安全密切相關，它對元器件質量等級的要求相對較高。但民機環境相對于戰斗機而言要好得多，因此民機飛控系統可選擇經過篩選和測試滿足機載產品環境要求的工業檔器件。上面提到的幾種類型的器件都有工業檔質量等級產品。從上面的分析我們可以看出，從產品的兼容性及質量等級角度來看，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，其余產品的功耗都很低。下面給出幾種產品的功耗比較。

　　(1)X86 系列產品的功耗，X86 系列中的PENTIUM 當工作頻率在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 系列產品的功耗數量級為mW/Mhz。(5)DSP 系列中的TMS320C6XXX 功耗為8.5mW/Mhz。

　　2.2.4 機載領域應用

　　從產品在機載領域的應用來看，PowerPC系列產品可謂是獨領風騷，在JSF，B-1，F-16，AV-8B 等許多戰機以及NASA 航天飛機上都使用了PowerPC 產品。另外在多個開發項目，如OSDI(Open System Development Initiative)，SOAP(Scalable Open Architecture Project) 等都選用了PowerPC。

　　X86 系列在機載領域尤其是民機上的應用也較為廣泛。例如，在RAH-66 項目中，波音Defense & Space Group Helicopters Division用133MHz 的Pentium 替代了i960. BOING777飛控系統中采用Intel486 處理器作為其中一個余度的處理器。AIRBUS340 飛控系統中采用Intel386 作為主控計算機的處理器。MIPS R 系列處理器在機載領域的應用相對較少，90 年代中期, 美國concurrentcomputer 公司推出了ATR 標準的機載 R4400多機系統。但后來很少見到有關MIPS R 系列在機載領域應用的報道。

　　DSP 系列處理器近幾年在機載領域應用發展較快，寶石臺中用的八種 LRM 模塊之一就是DSP 模塊，國內也在多種機載產品中采用DSP 系列產品. 但目前DSP 系列產品較多用于信號處理幾簡單的控制系統。對于飛控計算機這種較復雜的控制系統不太使用。

　　3 結論

　　民機飛控計算機的研制應立足于自主研制，因此產品在國內應用的成熟度也應該是處理器選型考慮的一個重要因素。由于飛控系統的特殊性，相對于其他系統而言，它在追求高性能的同時應更關注產品應用的成熟度。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飛控計算機微處理器應該選擇PowerPC 系列和Intel 系列產品。

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