1 引言

　　傳統(tǒng)的雙余度計(jì)算機(jī)是采用雙通道模式,，兩個通道工作相當(dāng)于兩臺獨(dú)立計(jì)算機(jī)同步工作。任何一個通道的處理機(jī)故障,、輸入/輸出故障故障,、電源故障,，本通道立即失效，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)立即降級,。

　　采用高速,、高可靠、四余度容錯串行背板總線(ARINC659總線)構(gòu)建的新型雙余度計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，所有處理機(jī),、電源、I/O模塊連接在這條串行背板總線上,，所有模塊處理的信息均在這條總線上傳輸,，所有模塊均可獲取總線上傳輸?shù)男畔ⅰＨ魏我粋€處理機(jī)故障,、輸入/輸出故障,、電源故障，系統(tǒng)的余度采集和余度控制功能不會喪失,，可以較為容易的實(shí)現(xiàn)一次故障工作,、二次故障安全。

　　2 ARINC659總線

　　659總線(ARINC 659總線簡稱)是美國ARINC(航空無線電公司簡稱)公司1993年制定的背板數(shù)據(jù)總線規(guī)范,，它用于實(shí)現(xiàn)普通機(jī)架中航空LRM(在線可更換模塊)間進(jìn)行的通信,，能夠滿足高數(shù)據(jù)吞吐量、嚴(yán)格的故障隔離,、數(shù)據(jù)傳輸確定的綜合模塊化航空電子系統(tǒng)要求的規(guī)范,。659背板數(shù)據(jù)總線是基于時間觸發(fā)機(jī)制、半雙工傳輸?shù)拇锌偩€,，它支持魯棒的時間分區(qū)和空間分區(qū),，具有容錯性、高可用性和高完整性,，總線拓?fù)錇殡p-雙冗余配置的線性多點(diǎn)結(jié)構(gòu),。

　　659總線采用表驅(qū)動比例訪問，所有的總線接口單元(BIU)執(zhí)行相同的表,，使用版本控制機(jī)制實(shí)現(xiàn),，命令表是總線活動的核心。659總線操作被劃分為一系列的窗口,，每一個窗口包含一個長度從32bit到8192bit的消息或者一個大約5 bit的同步脈沖,，窗口由交替的消息和間隙組成，每一個窗口占據(jù)相關(guān)的LRM表命令規(guī)定的固定時間段,。窗口可以包含一個數(shù)據(jù)消息,、同步信息或空閑。659總線支持模塊一模塊(點(diǎn)對點(diǎn))傳送，一個模塊到一組模塊(廣播)以及被選的一個模塊到一組模塊的通信模式,。

　　659總線是由雙總線對(A和B)組成的雙-雙配置,，總線對A和總線對B分別具有“X”和“Y”兩條總線。根據(jù)可用性數(shù)據(jù)有效表和完整性數(shù)據(jù)有效表進(jìn)行數(shù)據(jù)的容錯及有效性判斷,。當(dāng)發(fā)生1條總線異常故障時，依據(jù)總線協(xié)議可以自動糾正,，對整機(jī)的數(shù)據(jù)正常傳輸無影響,，整機(jī)可正常工作完成功能，對系統(tǒng)沒有影響;當(dāng)發(fā)生2條總線異常(可糾正的錯誤),，對整機(jī)的數(shù)據(jù)正常傳輸無影響,，整機(jī)可正常工作完成功能，對系統(tǒng)沒有影響;當(dāng)發(fā)生不可糾正的錯誤時,，整機(jī)數(shù)據(jù)傳輸失敗,。

　　659總線狀態(tài)異常表如圖1所示。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　基于ARINC659背板總線設(shè)計(jì)的雙余度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),，所有處理機(jī),、電源、I/O模塊連接在這條串行背板總線上,，所有模塊處理的信息均在這條總線上傳輸,，所有模塊均可獲取總線上傳輸?shù)男畔ⅲ幚頇C(jī)的同步信息,、反映各模塊工作狀態(tài)的“心跳”信息均在總線上傳輸,，無需專門的交叉通道數(shù)據(jù)鏈(CCDL)。

　　雙余度電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)由以下模塊組成：

　　1)中央處理模塊(CPU1,、CPU2);

　　2)輸入/輸出接口模塊(IOM1,、IOM2);

　　3)電源模塊(PSM1、PSM2);

　　4)659總線背板(MB),。

　　CPU1,、CPU2、IOM1,、IOM2之間通過659總線互連,，離散量輸入信號的余度采集是由兩個IOM完成，離散量輸出控制信號由兩個IOM完成,。雙余度的離散量輸出由應(yīng)用軟件控制,，可以同時輸出，也可以單獨(dú)輸出,。模擬量采集,、1553B總線、429總線通信等均為無余度處理，所有處理的數(shù)據(jù)均在 659總線上傳輸,，CPU1和CPU2模塊均能獲取到無余度采集處理的數(shù)據(jù),。

　　電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)組成如圖2所示。

　　各塊組成如下：

　　1) CPU1和CPU2模塊采用完全相同的架構(gòu)：均由高性能處理器子卡,、1553B總線通信子卡,、659總線通信子卡和通用I/O處理基板(GIO基板)組成。GIO基板中的高性能FPGA(含處理器內(nèi)核)實(shí)現(xiàn)兩條PCI總線功能,，PCI1總線為從橋,，PCI2總線為主橋，所有子卡采用PMC標(biāo)準(zhǔn),。高性能處理器子卡通過PCI1總線訪問1553B總線通信子卡和GIO基板的雙口存儲器,，GIO基板通過PCI2總線訪問659總線通信子卡和本板I/O資源。

　　CPU模塊中的高性能處理器子卡運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件,，模塊中的GIO基板運(yùn)行FPGA軟件,，6 59總線子卡上固化命令表通信軟件。GIO基板FPGA軟件主要功能是：雙口訪問功能,，模擬量,、離散量輸入采集功能，離散量輸出功能,，429總線通信管理,、659總線通信管理功能。

　　2)IOM1模塊和IOM2模塊采用完全相同架構(gòu)：IOM1模塊由659總線通信子卡和GIO基板組成;IOM2模塊由659總線通信子卡和GIO基板組成,。GIO基板與CPU中的GIO基板相同,，659子卡為通用子卡。GIO基板通過PCI2總線可以訪問659子卡,。

　　IOM模塊中的GIO基板運(yùn)行FPGA軟件,，659總線卡上固化命令表通信軟件。FPGA軟件主要功能是：模擬量,、離散量輸入采集功能,，離散量輸出功能，429總線通信管理,、659總線通信管理功能,。

　　3) PSM1和PSM2模塊采用完全相同的LRM架構(gòu)，配置完全相同,。包括：尖峰,、浪涌防護(hù)電路，DC/DC變換電路,，過流,、過壓保護(hù)電路等,。

　　4)MB模塊用于659總線、模擬量,、離散量,、總線、電源等各種輸入/輸出信號互聯(lián)和659總線端接,。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)軟件包括：系統(tǒng)軟件,、地面支持工具包和應(yīng)用軟件。

　　應(yīng)用軟件主要完成電氣系統(tǒng)的控制管理和維護(hù)管理,。

　　系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)引導(dǎo)程序,、BIT程序、操作系統(tǒng),、設(shè)備驅(qū)動程序、659總線命令表程序,、操作系統(tǒng)擴(kuò)展服務(wù)組成,，地面支持工具包括嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境、659總線命令表配置工具和在線編程工具,。電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)軟件組成如圖3所示,。

　　5 659總線命令表設(shè)計(jì)

　　電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)由于數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致且多為較短長度數(shù)據(jù),，無法使用DMA方式傳輸增加傳輸效率,，所有的數(shù)據(jù)搬家操作都需軟件實(shí)現(xiàn)。各模塊通過659總線完成數(shù)據(jù)交互,。以1553B數(shù)據(jù)發(fā)送為例,，系統(tǒng)要求該傳輸過程數(shù)據(jù)最大延時小于5ms，因此659總線命令表正常數(shù)據(jù)傳輸周期必須小于 5ms,。

　　為了提高正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性,，命令表設(shè)計(jì)為三個部分：初始化數(shù)據(jù)傳輸幀：正常工作數(shù)據(jù)傳輸幀;維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸幀。其中初始化只有在產(chǎn)品上電時執(zhí)行,，將其數(shù)據(jù)傳輸都放入初始化幀中,，地面維護(hù)時，對系統(tǒng)實(shí)時性要求不是很高,，將維護(hù)BIT等命令和數(shù)據(jù)傳輸都放入維護(hù)數(shù)據(jù)幀中,，將正常飛行過程中所必須的數(shù)據(jù)傳輸放入正常工作數(shù)據(jù)傳輸幀。產(chǎn)品上電總線同步后首先進(jìn)入初始化數(shù)據(jù)傳輸幀,，通過CPU模塊幀切換指令來實(shí)現(xiàn)三種工作幀之間的切換,。正常工作數(shù)據(jù)傳輸幀，通過 659總線的同步時鐘電路,，由總線命令表統(tǒng)一設(shè)計(jì)INT中斷號,，通過PCI中斷上報主機(jī),，主機(jī)中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)各模塊I/O的同步采集功能。

　　6 主要技術(shù)特點(diǎn)

　　1)采用新型的具有容錯能力的串行背板總線,，構(gòu)建了雙余度的電氣系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)架構(gòu),，采用模塊級容錯重構(gòu)方式，提高了系統(tǒng)可用性,。

　　2)通過采用更改659總線通信命令表的方式,，系統(tǒng)具有靈活的可擴(kuò)展性。

　　3)通過采用“通用基板+子卡”組合結(jié)構(gòu)形式,，系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性和開放性,。

　　7 結(jié)論

　　為了提高電氣系統(tǒng)控制管理的可靠性，本文提出了一種基于串行背板總線-ARINC659總線的雙余度計(jì)算機(jī)體系架構(gòu),。與現(xiàn)有的雙余度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比,，可以細(xì)化雙余度系統(tǒng)的顆粒度，達(dá)到系統(tǒng)緩慢降級的目的,，同時大大提高了控制系統(tǒng)的安全性和可用性,。