国产标准机载计算机的研制构想

吴蓬勃

摘 要：该文阐述了进行国产标准机载计算机的标准化、模块化、通用化、系列化研制和发展思路。机载标准计算机是在一定的架构下通过不同的通用标准化模块组合、软件配置进行多用途扩展应用的一类机载计算机。上世纪70年代， 美国为提高机载计算机的功能、性能、可靠性、保障性和安全性，在机载计算机的发展初期就着手通用化、系列化、标准化机载计算机的研究工作。AN/AYK-14作为美军的标准机载计算，在美国海军和空军作战平台中发挥了重要作用，是机载计算机的发展趋势和方向。现代信息化战争对机载装备可靠性、保障性和安全性的高标准要求以及国外器件的断档、停产禁运，要求我们必须立足国内，探索一条适合国情的机载国产标准机载计算机发展道路。

关键词：计算机 通用 国产化

中图分类号：V247 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0006-02

机载标准计算机是在一定的架构下通过不同的通用标准化模块组合、软件配置进行多用途扩展应用的一类机载计算机。

上世纪70年代， 美国为提高机载计算机的功能、性能、可靠性、保障性和安全性，在机载计算机的发展初期就着手通用化、系列化、标准化机载计算机的研究工作。AN/AYK- 14作为美军的标准机载计算机[1]，在美国海军和空军作战平台中发挥了重要作用，是机载计算机的发展趋势和方向[2]。

现代信息化战争对机载装备可靠性、保障性和安全性的高标准要求以及国外器件的断档、停产禁运，要求我们必须立足国内，探索一条适合国情的机载国产标准机载计算机发展道路。

1 机载计算机的典型架构

机载电子系统经历了分布式、联合式、综合化发展阶段，起于上世纪50～60年代的分布式系统，由于体积庞大、资源共享能力低、维护成本高等特点，很快的被联合式所替代。

1.1 联合式机载计算机的架构

联合式机载计算机是一个集中控制、分布执行的分布式计算机系统。

相对于分布式，联合式具有相对独立、全机统一的调度和管理、采用模块化软件设计、便于维护和扩充；采用1553B总线，简化了设备连接，减轻了系统体积和重量。但存在总线带宽窄、硬件共享低、容错能力有限、标准化低等局限性。

1.2 综合化机载计算机的架构

综合化机载计算采用层次化设计、用系统共享的综合核心处理器（ICP）来完成几乎全部的信号与数据处理，其功能分配在公共模块上，这些模块通用性强，可支持各种不同安全等级的应用；可通过软件配置实现功能的增减以满足维护和余度备份要求，具有容错性强，资源共享，维护方便、易扩展、低成本、体积小、重量轻、可靠性高的特点。机内外通信基于无阻、实时的FC光纤交换网络。

2 我国目前的硬、软件基础资源现状

国产关键元器件和软件系统是机载嵌入式国产计算机的核心。国内在机载计算机软、硬件研发、制造及测试验证方面均具有一定基础。

2.1 国产关键电子元器件方面

对于阻、容等分立器件国内具有大量成熟的器件和厂商；处理器、存储器等关键器件国内具有一定的研发能力。

国防科大一直致力于自主可控处理器的自主研发，已开发出飞腾系列单、多核处理器，中科院已推出龙芯系列处理器，国微公司具有国外多种型号处理器的逆向替代研制能力。

2.2 软件方面

机载计算机软件一般由模块支持层、操作系统层、应用程序层软件和地面支持软件组成。

模块支持层主要包括板级BSP、设备驱动及BOOT软件；地面支持软件包括软件开发环境、数据下载软件和在板编程软件；应用软件主要包含系统管理和任务管理软件，各类软件均需第三方测试。

操作系统是机载嵌入式国产计算机软件中的关键所在，目前国产操作系统主要有天脉、ReWorks、中标麒麟等操作系统。

天脉操作系统包括天脉1型和天脉2型嵌入式操作系统，天脉1为平板式实时操作系统，具有实时性高，配置简单，体积小，兼容VxWorks5.x接口等特点。天脉2为分区操作系统，主要用于多应用任务系统，目前这两款国产操作系统已成为国产机载操作系统的主力。

2.3 国产器件的应用验证能力

國产软、硬件测试以及软硬件适配测试验证，对于产品的性能具有举足轻重的影响。我国具有专门的从事机载计算机整机系统研制和综合测试验证的部门，具有一定的国产整机系统研发和系统综合测试能力基础，能够肩负起国产标准机载计算机的系列化集成研制和综合测试验证的重任。

3 发展思路

国产标准机载计算机的自主研制，要在协同国内软、硬件发展的基础上，立足国内现状，合理规划、按步奏协调发展、逐步拓展。

3.1 科学规划

针对装备阶段性需求，立足国内基础。根据机载计算机的不同应用、功能、性能、特定使用要求、国产器件的成熟度、研制进度制定研制计划；按不同的整机、功能模块、国产化率、功能、性能指标特点分步奏进行标准化、模块化、通用化、系列化功能模块研制，通过不同模块组合和软件加载构建相应的机载计算机。

3.2 提升研发和测试验证能力

3.2.1 采用基于模型的设计

首先进行研制需求分析，挖掘明确产品研制的功能、性能研制需求，建立的系统需求模型。

根据需求模型，明确和构建系统行为级仿真模型进行行为级仿真。并在模块研制完成之前进行系统功能分解和功能模型仿真，提前验证产品设计是否满足系统需求。

模块功能模型采用全软件仿真，可操作性强，主要对处理器、存储器和I/O设备进行仿真。

建立模块时序级模型进行板级时序仿真，时域、频域、直流工作点、参数扫描噪声与失真分析。

进行小体积、低功耗、轻重量设计，增强产品可靠性、安全性和保密性设计。

3.2.2 验证能力建设

针对国产软、硬件现状，建立系统开发和验证环境，进行器件级、板级、整机级、系统级应用验证；器件级验证主要进行器件功能、性能和等封装的测试；板级主要进行板内硬件资源，软硬件适配性测试。

整机级主要进行各模块间的适配性、软硬件综合适配、环境适应性、可靠性验证；系统级进行系统交联、容错和典型应用验证。

3.3 分步发展、逐步拓展

3.3.1 进行联合式机载计算机全国产化研制

采用国产SM750+天脉1+VME+1553B的架构开展单应用计算机全国产化率研制。

3.3.2 逐步开展全国产综合化机载计算机研制

采用“国产多核操作系统+国产分区操作系统+FC网络总线”的技术架构，以模块化、综合化、系列化为主线，立足国内基础、国产器件成熟度，分层次进行小体积、低功耗、重量轻综合化模块研制；逐步构建全全系列通用处理模块、数据处理模块、信号处理模块、图形处理模块、大容量存储模块、网络交换模块、智能电源模块研制。

开展数据加密、数据安全性设计、动态重构、芯片级容错技术预研，建立系统的数字仿真建模型，进行系统性能初步计算和故障模式分析和方案论证选择。

加强通用模块推广，通过需求模型分析、模型验证，系列化的配置形成系列化整机并推广应用。

进行系统可剪裁性、擴展性研究，建立相应的规范，指导机载嵌入式计算机设计，促进综合系列化发展。

进行综合国产LRM研制、国产化计算机推广扩展应用研究，探索新一代国产计算机研制需求，探索工业级器件应用的开放式平台等预研。为新型装备的研制奠定基础。

3.4 达成目标

能够验证一系列国产器件、形成系列化国产经验电路和模块；积累一系列成熟的国产化器件及其使用经验。形成国产化元器件应用验证方法、应用指导、性能评估、经济性、风险分析报告、国产化计算机设计和研制指南。

4 总结

标准化、系列化、综合化是国产标准计算机的发展之路，相信立足国内基础，合理规划，采用先进的研制手段研发设计和测试验证，逐步拓展，一定能够提升航空装备的研制质量和水平。

参考文献

[1] 王成昆.美国机载计算机AN/AYK14分析及应用研究[J].航空计算技术，2009，39（2）：130-134.

[2] 郭华.解析美国机载计算机的三化道路[J].航空计算技术，2009，39（2）：126-129.