高可靠性星载多处理器计算机设计

摘要

空间技术的发展是国家科技水平和综合国力的重要体现，对国家的经济、国防和军事建设有着重大影响。随着我国空间探索脚步的不断前进，宇航任务对星载计算机提出了更高的要求。空间环境的恶劣条件，对星载电子产品的性能、可靠性、寿命提出了严重的挑战，亟需研发出适应未来空间飞行任务需要的高性能、高可靠的星载计算机。
　　本文以航天器高级电子系统技术研究项目为背景，研究符合高级电子系统规范的星载容错计算机体系结构，针对性的提出多处理器模块并行冗余工作的计算机系统架构。在此基础上，研究基于高速串行数据传输实现的重定向系统，实现处理器与接口电路的切换互连以及多个处理器之间的数据交互设计，研究串行传输的时钟同步系统实现方法。根据任务特点，提出了在子计算单元故障或者数据传输通道故障情况下的系统重构策略。在完成架构设计和重定向系统研究的基础上，详细阐述了星载容错计算机的电路设计。
　　文中对基于重定向互连的串行传输延时进行分析计算，完成了同步时钟系统的相位校准测试和信号电气特性测试，已验证设计方法和电路实现的正确性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 星载计算机的发展和现状

1．2．1 国外星载计算机的发展

1．2．2 国内星载计算机的发展

1．3 论文背景及主要研究内容

1．4 论文的组织安排

2 计算机总体架构设计

2．1 航天任务对多处理器容错计算机的需求

2．2 星载容错计算机的总体设计技术

2．3 整机容错实现方法研究

2．4 处理器模块容错实现方法研究

2．5 本课题星载容错计算机整体架构选择

3 基于串行传输的重定向系统研究

3．1 重定向模块的功能

3．2 重定向系统数据传输方式研究

3．2．1 并行总线结构重定向系统

3．2．2 串行总线结构重定向系统

3．2．3 数据传输方式的选择

3．3 基于重定向的互连设计

3．3．1 重定向系统的双通道互连方式

3．3．2 信息交互设计方式

3．3．3 多处理器间采用双口RAM实现数据交换分析

3．3．4 读写工作机制

3．3．5 数据传输过程

3．4 同步时钟系统的实现

3．4．1 传输速度计算

3．4．2 同步时钟设计

3．5 容错计算机组成分析

3．6 容错系统可靠性分析

4 计算机电路设计

4．1 子计算单元设计

4．1．1 处理器选择

4．1．2 TSC695F计算单元设计

4．1．3 AT697E计算单元设计

4．1．4 BM3803计算单元设计

4．1．5 子计算单元FPGA设计

4．2 重定向模块设计

4．2．1 重定向模块组成

4．2．2 重定向模块的切换控制设计

4．2．3 重定向模块FPGA设计

4．2．4 同步时钟校准设计

4．3 IO接口模块设计

4．3．1 接口模块电路组成

4．3．2 接口模块FPGA设计

5 计算机重构策略

5．1 子计算单元容错

5．2 数据传输通道容错

5．3 数据传输通道工作状态检测

6 设计分析和测试验证

6．1 传输路径延时分析

6．1．1 串行数据传输系统的帧结构设计

6．1．2 传输路径延时计算

6．2 同步时钟系统相位校准测试

6．3 同步时钟系统信号电气特性测试

6．3．1 20MHz时钟信号传输特性测试

6．3．2 200MHz数据信号传输特性测试

7 总结和展望

7．1 工作总结

7．2 工作展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文情况