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加固计算机的发展方向及技术要求(泓信嵌入式转载)
发布人:saiy  时间:2012-8-15
1、前言
  根据应用对象的不同,目前的军用加固计算机一般可分为军用嵌入式计算机和军用通用加固计算机两大类。嵌入式计算机主要是指各种弹载计算机和现场控制计算机,这类计算机一般都没有人机接口界面,或只具备一些简单的人机数据交换功能,它们主要是利用预置的程序(软件)对外部输入信息进行计算加工(控制方程解算、能源管理等)生成对外部各种执行机构的控制信号;军用通用加固计算机则是大量应用于导弹测发控系统的加固计算机,他们一般都具有完善的人机界面,不仅能够接收来自导弹与其他发射控制装置的信息,并根据这些信息生成控制输出,还可由人工输入大量的复杂的测试、发射控制命令与数据信息,并将导弹及发射装置的状态数据以多种形式显示存储。
  近十年来,随着集成电路、信息工业的飞速发展和武器装备的不断进步,军用加固计算机也取得了很大的发展,最突出的发展就是军用加固计算机已经开始由过去的专用型向通用型、系列型过渡。
2、军用嵌入式计算机正在向小型化集成化与国产化方向发展
 2.1军用嵌入式计算机正在实现小型化和集成化
  由于集成电路工艺水平的提高,集成更多的功能的SoC芯片与超大规模现场可编程逻辑器件(CPLD、FPGA)已成为设计制造军用嵌入式计算机的主流芯片。这使得军用嵌入式计算机需要使用的电子元器件数量可以得到极大的减少,从而使计算机的体积重量都大幅度的减少,典型的弹载嵌入式计算机的体积已经可以缩小到十年前的1/10以下。同时,军用高密度电子组装工艺正在走向成熟,混合集成电路工艺也已开始在军用嵌入 式计算机研制中应用,这些都使得军用嵌入式计算机可以在更小的空间里安装更多的电子元器件,从而使体积更小,重量更轻,功能更加强大。
  在小型的同时,由于主要的集成电路芯片正在向SoC过渡,芯片集成的功能越来越多,体积上的裕量也使得单个计算机可以集成更多的功能模块,因此上,军用嵌入式计算机必然会也正在实现系统功能的集成化,采用机箱内的分布处理结构将更多的传统计算机以外的功能模块集成到一起,在一个计算机机箱内实现包括GPS、红外制导等在内的所有导航与制导解算。
  嵌入式计算机的小型化与功能集成化对提高导弹武器的射击精度、机动性等性能指标有着重要的作用。
 2.2军用嵌入式计算机逐步进入全国产化时代
  近二十年来,我国军事工业取得的成就是有目共睹的,军用嵌入式计算机有这中间起着至关重要(W)的作用,是现代导弹武器系统最基础的核心组成部分。但由于关键芯片受到国外的制约,军用嵌入式计算机的研究发展并不是非常理想。近年来,在多方面的共同努力下,我国军作集成电路产业取得了长足的进步,军用加固计算机需要的一些核心芯片(包括高性能DSP、CPU、A/D、D/A等)已在国内陆续研制成功,这为军用嵌入式计算机进行国产化打下了一定的基础。
尽管目前已国产化的军用集成电路绝大多数是版图级的仿制产品,且多是国外淘汰产品,也没有形成完整的体系,还不能完全正确满足军用嵌入式计算机今后发展的要求。但是,我们必须看到,在这个国产化的大潮中涌现出来的诸如龙芯Ⅱ、SPARC V8等具有自主知识产权的高性能CPU及其他集成电路产品,它们表明我们国家已初步具备了完成军用嵌入式计算机核心部件国产化的研制能力,假以时日,我们的军用嵌入式计算机一定会全面进入国产化时代。
 2.3分布式处理与数字一体化是技术发展的必然趋势
  随着导弹武器系统中嵌入式计算机的广泛应用和小型化技术的成熟,在各种执行机构及数据采集获取装置中嵌入式计算机智能处理与数字化已成为可能。当高速可靠互连总线不再成为障碍时,在武器系统中采用分布式处理结构,将嵌入式计算机与控制机构进行一体化设计将是导弹武器发展的重要趋势。这样,将可以传统的导弹武器中大量传送的模拟电信号转化为经过预处理的具有很强纠错能力的数字信号通过简单可靠的总线进行传送,从而大大提高导弹武器中电子系统的抗干扰能力,最终提高武器系统的可靠性。
 2.4通用性与可配置性武器系统快速研制的必然要求
  现代武器系统的发展之迅速是以往任何时代都不可比拟的。为了加快武器系统的研制过程,降低研制成本,就要求最好能够利用成熟的原型机器通过适当的配置形成满足武器系统应用要求的嵌入式计算机,以便从武器系统研制最初期就可以在最终的机器上进行,减少因嵌入式计算机反复设计造成的周期延误,从而达到加快研制过程,降低研制成本的目标。
  军用嵌入式计算机在实现小型化以后,可以完成更多的功能,同时分布式处理的系统结构又可以使得嵌入式计算机更加模块化和功能相对完整化。这些都为军用嵌入式计算机走向标准化、通用化提供了重要的技术保证。小型化与功能集成化技术使得嵌入式计算机可以实现更多的通用功能,结合超大规模可编程逻辑器件的应用,未来的军用嵌入式计算机将具有很强的可配置能力,使得军用嵌入式计算机可以实现柔性(通用可配置)制造。
 2.5军用嵌入式计算机技术要求的变化
  由于技术上的进步,与过去相比,军用嵌入式计算机的应用要求也会发生一些相应的变化,主要体现在以下几个方面:
(1)外部通信总线将增加标准的高速高可靠串行总线,而不再局限于传统的RS232/422,这主要是为了满足武器控制系统各分布式功能模块间的大量实时数据交换的要求。短期内,大多武器系统将首先采用1553B或其变种总线协议;
(2)可靠性要求将更高,随着电子元器件数量的减少和系统间模拟信号传送量的逐步消除,武器控制系统的可靠性将会有一个很大的提高,相应地对嵌入式计算机的可靠性指标要求也会有数量级的提高;
(3)处理能和的要求也会有很大的提高,可以预计未来的弹载计算机的处理能力要求将会突破5000MIPS,内部存储器容量将超过64MB(甚至更大),对外信号采集通道可能会超过256通道;
(4)国产化程度与可制造性将会与可维修性一样成为军用嵌入式计算机的一项重要指标。
3、军用通用加固计算机正在向可信型和网络型演化发展
 3.1可信计算正在成为军用通用加固计算机的追求目标
  传统的军用通用加固计算机主要从抗恶劣环境的应用要求出发,主要追求环境适应性与传统意义上的可靠性。这种可靠性的提高只是降低了设备出现故障的概率,并不能保证加固计算机不出现故障。由于导弹武器应用的特殊性,其发射控制系统就不仅要保证很高的可靠性,还要保证很高的可信性,也就是说不仅要保证系统的可用性,还要保证系统工作状态的可信赖性,只有这样才能保证导弹测试发射控制系统在作战与训练过程中不会由于系统的故障出现错误的控制输出。因此,在故障状态下如何保证军用加固计算机还能够安全地对输入/输出信息进行处理,这是在可靠性技术基本成熟之后,导弹武器测发控通用加固计算机在未来需要重点研究的一个主要方向。
 3.2 COTS技术在军用通用加固计算机中应用更加广泛
  随着集成电路等基础工业的迅速发展,很多商用电子设备的性能已远远超过了军用电子系统的性能,尤其是在通用计算机方面,以个人计算机(PC)为代表的商用计算机已开始成为军用通用加固计算机发展的基本原型,无论国内还是国外,军用通用加固计算机目前都是以PC为原型进行二次开发的。同时,目前的绝大多数商用计算机部件(主机芯片、部分外设)都进行了必要的可靠性加固,都能够初步满足地面军用环境在温度、机械应力方面的要求,只是在可靠性筛选及一些其他特殊要求(耐电磁干扰、化学防护等)方面与军和加固计算机有一些差距。另一方面,由于应用范围的限制,传统的军用集成电路及其他军用加固计算机部件的供应也在不断地萎缩。因此,在军用通用加固计算机中通过必要的可靠性保证措施,大量应用COTS(商用成熟的)部件与技术已成为军用加固计算机研制必须面对的一个重要课题。
可以预见,未来的军用通用加固计算机将主要以COTS部件(元件)为基础通过部件级或整机的二次加固来实现。
 3.3良好的网络支持成为通用加固计算机的基本要求
  传统的军用通用加固计算机主要是通过RS232/422通信接口实现与其它计算机系统进行数据交换。随着军用加固计算机性能的提高和武器系统的飞速发展,测发控系统中各计算机之间交换的信息量也在急剧增加,传统的通信方式无论在数据量还是实时性方面都已不能满足武器各测发控系统间数据交换的要求。目前已有一些武器型号的测发控计算机系统开始采用高速以太网进行数据交换。今后一段时期内,高速以太网将会迅速代替传统的点对点通信(RS232/422)机制成为军用通用加固计算机之间进行数据交换的主要通信方式,RS232/422将只是为了与传统设备兼容而保留的作为一种辅助通信手段。
 3.4电子盘将代替传统的硬盘成为军用通用加固计算机的标准配置
  硬盘在军用通用加固计算机中一直是一个可靠性薄弱的环节,是军用加固计算机设计制造中需要进行特别处理的一个外设,其力学环境适应能力与低温启动都存在着严重与军用加固计算机应用要求不兼容的问题,但它作为大容量的数据与程序存储部件又是军用通用加固计算机中不可或缺的一个重要的组件。
  近年来,半导体集成电路工艺的迅猛发展,固态非易失存储器的容量正在急剧增加,8GB的FLASH存储器已开始大量供货,利用FLASLL存储器构成超大容量(80GB)的电子盘,在军用加固计算中替代硬盘已经指日可待。采用电子盘替代硬盘,不仅可以非常方便地解决前述的可靠性问题,同时还可以极大地提高海量数据存储的访问速度,对提高军用通用加固计算机有着很好的积极作用。
 3.5嵌主式实时操作系统最终成为军用通用加固计算机的主流操作系统
  军用通用加固计算机目前主要是采用PC结构,包括测发控软件在内的绝大多数应用软件多在WINDOWS类操作系统下进行开发,WINDOWS一类的操作系统是面向商业应用的通用型操作系统,有着大量的软件开发环境及支持工具,具备良好的人机界面,图形化能力非常强大,为各种军用应用软件开发提供了极大的方便。但是,它们毕竟是为商业应用目的开发的,鲁棒性(robustness,也可理解为健壮性)稳定性都存在一些问题,因此蓝屏、死机是这类操作系统在兼容性方面的固有问题,也是多年来一直困扰军用通用加固计算机的一个突出问题。同时,这类操作系统为了兼容更多的PC制造商和更多的用户,它一般都集成了大量冗余的软件代码,对具体应用和特定计算机来说,这些冗余的软件代码无疑都是软件拉圾,甚至在一些特定的条件下可能还会触发一些莫明其妙的错误。由于这类操作系统功能极度复杂、代码量极大,在出现问题后,用户一般是没有任何有效的分析与解决手段的。
  另外,WINDOWS类操作系统虽然支持多任务调度,但它绝不是一个实时操作系统,对一些突发的异常事件的处理能力要远远低于实时操作系统,这点对于导弹武器的控制系统(尤其是发射控制系统)的应用是非常不利的。
  嵌入式实时操作系统在上述各项问题上具有WINDOWS及其他桌面操作系统(如MNUX)不可比拟的优势。首先,其代码量较小,且多数可以提供源代码,在出现应用问题后,应用软件研制方与计算机制造方可以较为方便的进行深入分析;其次,由于更新换代周期较长,嵌入式实时操作系统的鲁棒性和稳定性要明显好于各种桌面操作系统;第三,这类操作系统对突发异常事件的反应时间都非常短,可以最大程度的满足武器系统对异常情况或故障情况进行快速处理的要求。
  正是由于以上这些原因,在一段时期的对比选择之后,嵌入式实时操作系统最终将会成为导弹武器控制系统中军用通用加固计算机的操作系统平台,WINDOWS类操作系统只能作为文档处理应用类计算机或单元测试类计算机的操作系统平台。
 3.6军用通用加固计算机技术要求的变化
 根据以上预测的发展动向和计算机技术自身的发展,军用通用加固计算机的技术要求与目前相比将会发生以下变化:
(1)尽管目前还没一个有效的评价标准,可信性仍将会成为军用通用加固计算机的一项重要的技术要求;
(2)嵌入式实时操作系统会成为测发控计算机操作系统的标准配置;
(3)电子盘将替代硬盘成为军用通用加固计算机的标准技术配置,存储容量将达到128GB以上;
(4)100Mbps以上的网络接口将成为军用通用计算机的基本要求;
(5)1553B或其他IMbps上高速高可靠串行通信总线也会成为军用通用加固计算机的一次常见的技术要求;
(6)随着嵌入式计算机模块的广泛应用,通用加固计算机直接外部信号采集口将会减少;
(7)未来的军用通用加固计算机将会是一个机箱内分布式处理系统,内部采用CompactPCL总线,外部采用1000Mbps网络接口,基于软件框图进行应用开发的一种虚拟仪器。
4、结束语
  NASA(美国国家航空及太空总署)认为:没有先进的测试和控制技术就没有先进的航天事业,军用加固计算机随着航天事业的发展而发展,当今导弹武器的发展也给军用加固计算机的发展提供了机遇,同时提出了更加严格的要求。国产化和可扩展性是军用加固计算机的总要求,也是发展的前提条件,可靠性、维修性、保障性是军用加固计算机必须具备的技术性能指标。军用加固计算机的应用单位,主要是型号总体和分系统,应该为军用加固计算机的国产化、通用化、标准化提出有力的技术支持和需求牵引。
  作者简介:张彦文(1979- ),男,山西人,,主要研究方向为计算机系统设计、计算机发展战略研究、计算机安全、计算机抗恶劣环境技术。

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