综合核心处理平台规范化设计研究

何小亚　李成文　韩强　张彬　余云

摘要：新一代综合航空电子系统正向开放式、综合化、模块化的方向发展，作为其基础平台的综合核心处理平台属于机载实时分布式计算机系统，它的设计和研制方式直接地影响到综合航电系统的研制周期和生产成本。为了适应商用货架技术的发展趋势，从功能模块、封装结构、基础软件及工程化等方面进行规范化设计研究，实现综合核心处理平台产品的标准化、模块化和通用化研制生产。

关键词：综合核心处理平台；规范化

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）18-0205-03

综合模块化航空电子（IMA）是目前机载航空电子系统结构发展的最高阶段，其特征和优势已经在美国四代机上得到充分展现和发挥，为我国四代机综合航电的研制工作提供了参考依据。综合核心处理平台提供公共计算、数据接口和驻留功能应用等基础类服务，是IMA的物理基础，也是整个综合航电的“大脑”和“神经”。当前行业分工更加精细，交叉合作更加广泛和紧密，为了适应模塊化研发和生产，实现产品货架技术的趋势化发展，需要对综合核心处理平台产品进行规范化设计，使综合核心处理平台产品设计更加标准化、规范化、通用化，从而降低研发和生产成本，实现更大范围的协同合作。

1总述

综合核心处理平台是一个提供公共计算、数据接口和驻留功能应用的模块化的系统。它由多个功能模块硬件部件综合在一起，通过运行应用功能软件实现飞机上的系统功能。综合核心处理平台规范化设计需要从功能模块、封装结构、基础软件和工程化等方面进行考虑。

2功能模块

综合核心处理平台的功能模块组成结构如图1所示。所有功能元件，除处理单元外，其他功能是相同的。功能模块其内部组成如下：

模块支持单元（MSU）完成控制和监视，并为功能模块提供通用的功能；

处理单元（Pu）完成功能模块的特定功能；

模块物理接口（MPI）规定了功能模块的物理特性，实现模块的机械、光、电和冷却等接口；

路由单元（RU）完成功能模块内部的通信功能，实现NIU与PU、MSU间的内部互连。RU也提供网络输入输出的直接连接功能。RU在MSU的控制下进行工作；

网络接口单元（NIU）通过连接了模块外部网络与RU所实现的内部数据通路，完成功能模块与外部的通信功能。NIU支持MLI的通信部分与网络特性部分的实现；

电源支持元件（PSE）将外部供电电压转变为所需的内部供电电压，PSE可支持冗余电源输入。

3封装结构

电子设备封装方式一般和产品的顶层维修性需求密切相关。采用三级维修体系的电子设备，一般采用LRU封装方式进行；采用两级维修体系的设备，就需要设计成LRM模块+集成机架的封装方式。由于二级维修体系比三级维修体系少一级维修，对外场保障方面需求降低，LRM方式的备件更少，成本更低。因此，在电子设备高度综合化的技术背景下，集成机架被广泛应用于飞机的综合化电子设备中，因此，LRM封装形式是综合核心处理平台普遍采用的封装形式。

3.1集成机架结构设计

集成机架是综合核心处理平台的重要组成部分，负责LRM模块的拆装和电气互连。实现LRM模块结构强度刚度加固与防护、降温散热、腐蚀防护、电磁屏蔽等性能需求。标准集成机架宜选用标准机架形式，例如：可采用HB7704标准的封装形式；该封装中对应的模块为ARINC650外形。集成机架亦可根据内部模块封装尺寸，做最小化机架结构设计。

3.2 LRM模块封装结构

模块的封装形式与系统需求密切相关，常见的综合核心处理平台LRM模块封装形式有SEM-E封装、ASAAC封装、ARINC650封装等。标准的模块封装尺寸如表1示。

从各种板面积有效利用的情况考虑，板面积越大，结构需要的非布线区占面积也越多，但相对而言，面积越大，结构占比越小，可布线面积相对较大。SEM-E标准产品比较适合目前小体积，多功能，模块化的设计需求。

3.3材料

模块材料除满足机载电子设备的一般要求外，还应满足以下原则：

密度小、强度高、热导率高；

应选用同类金属或电位差小的不同类金属。当不同类金属直接接触时，应有防止产生电化学腐蚀的措施；

所用材料应具有防止霉菌滋生的性能；

应使用阻燃性材料，所用材料决不能易于燃烧。在过热或接近火源的环境下，材料不会产生有害的物质或是有毒的气体；

选用的非金属材料应基本不含酸、碱、盐成份，不含碳或金属颗粒，不变质，不吸收水分；

采用液体冷却时，应考虑冷却介质与接触材料的兼容性问题。

3.4热设计

模块热设计目的是控制模块上所有电子元器件的温度，使其在模块所处的工作环境条件下不超过元器件规定的最高允许温度或系统可靠性分配给元器件的温度指标。散热方式主要有：

自然散热方式，当模块耗散的功率密度较小时，应优先采用自然散热方式进行。

强迫风冷方式，当模块耗散的功率密度较高时，可采用强迫空气冷却方式。强迫风冷方式包括机箱机架侧壁式风冷、模块环绕式风冷及贯穿式风冷等。

液冷方式，当强迫空气冷却难以满足要求时，可采用液体冷却方式。冷却液流经模块内部的换热器并通过对流换热带出热量。

3.5接口

接口类型主要有：

模块机械接口，模块应具有与机架定位、锁紧的功能，模块还应提供便于二级维护的拔插装置。

模块冷却接口，当采用传导冷却时，模块与机架接触面的热阻应尽量减小；采用强迫空气冷却时，接口应采取密闭措施减少空气泄露；采用液体冷却时，接口应采取严格的密封措施不得有泄露现象。endprint

模块电气接口，模块的电连接器应含有光纤接口，选用的电连接器要便于壳体的安装。

3.6重量

模块的重量应根据系统分配的重量设计，并时刻考虑进行优化减重设计。

3.6外观及表面处理

外观及表面处理主要包括一下方面：

外表面外观，模块外表面不允许有腐蚀及明显影响外观质量的伤痕、毛刺、变形和污染。设计时考虑人体工学需求，进行造型设计，减少尖边锐角，力求美观好用。

表面处理，模块应进行适当的表面处理以保证满足电磁屏蔽和“三防”要求。

维护，模块的机械结构设计必须满足二级维护的要求，便于外场维修。采取的维修措施和维修技术不应导致模块性能的降低。

工作环境要求，模块应符合有关规范规定的工作环境要求。

标识，模块应在适当的位置设计标识，标识内容一般应包括模块名称、模块编号、制造厂商信息、出厂检验、静电放电（ESD）标志及二维码等内容。具体以型号要求为准。

4基础软件

基础软件包括系统引导（BOOT）、板级支持包、机内自检测（BIT）、设备驱动、操作系统和基于操作系统的网络通信。

4.1 BOOT软件

BOOT是CPU）2电后首先运行的软件，具备如下功能：完成CPU初始化和系统引导、支持两种引导启动类型设置（离散量输入方式和软件设置方式）、支持启动模式选择及启动地址配置和在线编程。

4.2板级支持包（BSP）

板级支持包提供如下支持：模块硬件初始化、时钟驱动、串口驱动、以太网驱动、中断驱动、FLASH驱动、NvRam驱动和模块复位支持。

4.3机内自检测（BIT）软件

BIT软件提供三种BIT：上电自检测（PBIT）、连续BIT（CBIT）和启动BIT（IBIT）。

4.4设备驱动软件

设备驱动软件为如下设备提供驱动支持：获取硬件标识、看门狗、存储器保护、掉电保护、系统上下电、FLASH驱动等。

4.5操作系统

4.5.1分区操作系统

分区操作系统是支持多应用任务子系统的分区操作系统，其接口满足GJB 5357要求。通过定义一层规范的应用软件接口，以提高應用软件的可移植性和可重用性，使得系统的升级和维护更加容易。依据功能要求，结合应用系统中的软件分层结构，将分区操作系统的功能要求如下：

核心操作系统：提供分区管理（包括分区管理、存储管理、虚中断管理）、分区间通信管理、健康监控、配置数据管理、任务管理、时间管理、定时器管理、扩展管理、任务间通信管理、中断/异常管理、设备管理、调度表管理、系统调用扩展、日志信息输出、错误号管理、核心操作系统初始化和核心操作系统CPU体系结构支持包；

分区操作系统：提供分区管理（包括分区管理服务、进程管理、分区时间管理、分区存储管理、虚中断处理）、分区内通信管理、分区间通信服务、进程级健康监控、调度表管理服务、共享数据区、系统调用、分区内日志信息输出、分区内错误号管理、分区内异常管理、看门狗管理、分区操作系统初始化和分区内CPU体系结构管理功能；

可配置组件：提供C运行时库、BIT管理、文件系统、C++运行时库支持、分区级调试代理和任务级通信代理。

4.5.2平板操作系统

平板操作系统应支持应用任务的调度与管理功能、任务间通信管理、内存管理、时间管理、错误处理、中断/异常管理、高速缓存（Cache）管理、自检测（Brr）管理和基本调试功能。

4.5.3基于操作系统的网络通信

基于操作系统的网络通信包括总线通信软件和网络软件。总线通信软件基于操作系统给上层提供的总线通信接口。网络软件基于协议软件为用户提供如下功能：设备管理、网络管理、通信管理、时钟服务和中断回调处理。

5工程化

工程化规范化设计主要依据具体产品的研制要求和实施环境，从可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性等方面进行考虑。

6结束语

通过对综合核心处理的功能模块、封装结构、基础软件和工程化等方面进行规范化设计研究，实现产品的模块化研制和生产，能够大大缩短产品的研制周期，降低研制成本，增强行业内更广泛的合作。endprint