專利名稱：一種適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種嵌入式計算機系統(tǒng)，尤其涉及應用于航空、航天領域中的高性能、高可靠計算機系統(tǒng)。
背景技術：
Compact PCI技術是一種基于標準PCI總線的小巧而堅固的高性能總線技術。1994年PICMG(PCI Computer Manufacturer’s Group，PCI工業(yè)計算機制造商聯(lián)盟)提出了Compact PCI技術，它定義了更加堅固耐用的PCI版本。在電氣、邏輯和軟件方面，它與PCI標準完全兼容。
Compact PCI板具有以下特點· PCI局部總線·標準的Eurocard尺寸(根據(jù)IEEE 1101.1機械標準)·HD(高密度)2mm引腳與插座連接器(IEC認可，Bellcore)一、PCI局部總線PCI即外圍設備互聯(lián)之意，1992年由Intel發(fā)布，很快成為商業(yè)PC機總線標準。PCI是一種獨立于處理器的數(shù)據(jù)總線，不但性能良好而且價格便宜。PCI局部總線大意兩種數(shù)據(jù)寬度32位和64位，總線速度可達66MHZ，理論數(shù)據(jù)處理能力32位為264MB/S，64位為528MB/S。大多數(shù)計算機和操作系統(tǒng)都支持PCI。因為有大量支持PCI的產品，使得PCI產品既便宜又容易買到。擁有這些優(yōu)勢，PCI總線非常適合在高速計算和高速數(shù)據(jù)通訊領域中應用。
二、歐式插卡機械結構歐式插卡機械結構是一種由VMEbus推廣的工業(yè)級包裝標準。有兩種歐式插卡規(guī)格3U和6U。3U Compact PCI卡尺寸為160mm×100mm，6U卡為160mm×233.35mm，其具體形狀如圖1所示。Compact PCI卡的前面板符合IEEE 1101.1和IEEE 1101.10標準，并且可以包含可選的EMC密封圈以降低電磁干擾。典型情況下前面板包含I/O接口，LED指示燈和開關。Compact PCI也支持IEEE 1101.11的后面板I/O。由于其易于維護的特性，后面板I/O在電信設備上用的非常普遍。由于所有的連線都連接在后部轉接板上，前面的Compact PCI插卡沒有任何連線，因此可以在更換板卡時無需重新連線。
三、針孔連接器Compact PCI使用符合IEC-1076國際標準高密度氣密式針孔連接器，其2mm的金屬針腳具有低感抗和阻抗，從而減少了高速PCI總線引起的信號反射，使Compact PCI系統(tǒng)在單總線段即可達到8個槽，Compact PCI定義了5種接口J1到J5，規(guī)范只定義了J1和J2的信號線管腳。3U Compact PCI板卡只有J1和J2兩個接口，6U板J1到J5都包括。J1和J2在3U和6U Compact PCI板卡上的定義是一樣的，因此3U和6U Compact PCI板卡在電氣上是可以互換的。
Compact PCI系統(tǒng)由一個或一個以上的Compact PCI段組成，每一個段包括1塊系統(tǒng)板(System Slot)和7塊外圍板(Peripheral Slot)，板與板中心的間距為20.32mm。系統(tǒng)板為所有該段內的板提供仲裁、時鐘分配和復位功能。系統(tǒng)板負責執(zhí)行系統(tǒng)的初始化，管理每一個本地板的IDSEL信號。在物理上，系統(tǒng)板可以插在背板上的任何位置。為了簡化問題，規(guī)范規(guī)定最左邊的槽位為系統(tǒng)板的插槽(從背板前面看)，具體的位置如圖2所示。系統(tǒng)中卡為垂直安裝，以確保適當?shù)纳?。氣流均勻，散熱性好?br> Compact PCI總線具有良好的機械特性。它增強了PCI系統(tǒng)在電信或其他條件惡劣的工業(yè)環(huán)境中的可維護性和可靠性。Compact PCI板遵從Eurocard封裝標準，從而為PCI環(huán)境增加了工業(yè)級別的可靠性與可維護性。Eurocard特性包括大量可選的板卡特性(可有4096個組合)，如前端面板封擋、減少電磁干擾的EMC保護特性等。Compact PCI電路板采用IEC規(guī)格的2mm插針插接連接器，其插槽電路板可從機箱前面插入，I/O板可從機箱前面插入也可以從背面插入。Compact PCI的連接器本身是高低不同的針和槽式連接器。這些針槽連接器可提供更快的傳播速度，減少總線/連接器接口上的反射，降低噪音，可更好地匹配阻抗，并且提高了機械可靠性。這些針槽連接器、封擋機制等綜合在一起，為每一塊板與系統(tǒng)間的連接提供更好的支持和耐久性，維護、修理和升級等也都得到明顯的簡化。
Compact PCI總線是以PCI電氣規(guī)范為標準的高性能工業(yè)用總線。Compact PCI總線易于擴展，可同時支持多達256個的標準PCI總線設備。它可在每個子系統(tǒng)中支持8個插槽，加上橋接芯片后，Compact PCI可很容易地擴展支持到32個插槽。
基于以上Compact PCI總線技術的優(yōu)點，該總線結構正逐漸取代原有的總線結構，被廣泛應用于工業(yè)控制等領域的計算機系統(tǒng)中。目前APCI5000系列嵌入式工業(yè)控制機采用了Compact PCI總線技術，底板只有一個系統(tǒng)槽，單CPU板卡，其性能得到了大大提高，但是對于系統(tǒng)可靠性和計算機性能都要求較高的領域，例如航空、航天領域，其可靠性和性能都有待提高。
同時，現(xiàn)代航天科技的高速發(fā)展，需要航天計算機的數(shù)據(jù)處理能力大幅度提高，而目前國內使用的航天計算機還不能達到這樣的高要求，為此，基于高性能CPU的計算機主板的研究開發(fā)就顯得尤為必要。一個航天電子系統(tǒng)是一個典型的層次結構，越向上層，對計算機的處理能力的要求越高，同時對可靠性的要求也越高，不同的功能塊對計算機的處理能力要求不相同，數(shù)據(jù)信息交換的量也不同。目前，我國的航天電子系統(tǒng)在中低處理能力計算機和中低速率數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸方面已有較成熟的技術儲備，而在高性能計算機和高速數(shù)據(jù)傳輸方面和國際先進水平還有明顯的差距。
此外，衛(wèi)星或飛船系統(tǒng)一般提供給27V電源給載荷，而多數(shù)的集成電路芯片采用的電壓為5V、3.3V、2.5V等；同時，為了控制和監(jiān)測計算機系統(tǒng)的工作方式，使其更加有效地為航天工程服務，須采用的先進合理控制邏輯和有效的監(jiān)測手段?，F(xiàn)有計算機系統(tǒng)的結構和板卡的設計都需要進一步的改進。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種適用于航空航天器的嵌入式計算機系統(tǒng)，以提高單系統(tǒng)主板的計算機系統(tǒng)性能和處理能力，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。
為了解決上述技術問題，本實用新型提供的一種適用于航空航天器的嵌入式計算機系統(tǒng)，基于Compact PCI結構，包括一底板和第一系統(tǒng)主板，其特征在于，還包括第二系統(tǒng)主板及一電源/控制板，兩系統(tǒng)主板和一電源/控制板插接在底板的插槽上，其中，兩系統(tǒng)主板分別插接在底板的兩系統(tǒng)插槽內，互為備份；所述系統(tǒng)通過電源/控制板的控制邏輯來控制信號高低，所述信號通過底板分別傳入兩系統(tǒng)主板，控制兩系統(tǒng)主板的主從關系；兩系統(tǒng)主板均有各自的啟動芯片，并在電源/控制板上有一備份啟動芯片，通過電源/控制板上的控制邏輯產生高低信號來控制所述嵌入式計算機系統(tǒng)的啟動方式；兩系統(tǒng)主板和電源/控制板與底板通過COMPACT PCI總線和X端口總線進行通訊和連接；電源/控制板通過底板向底板上各板提供所需電壓。
在上述技術方案中，所述兩系統(tǒng)主板CPU的只讀存儲器的RCSO#地址空間的一部分可以當作輸入/輸出空間使用，定義為X端口。
在上述技術方案中，兩系統(tǒng)主板和電源/控制板上均有X端口總線和X端口，在底板上，X端口被連接到每個插槽，供需要的設備使用。
在上述技術方案中，兩系統(tǒng)主板通過X端口總線與電源/控制板中的備份啟動芯片連接，所述備份啟動芯片提供備用的啟動代碼地址。
在上述技術方案中，兩個系統(tǒng)插槽中一個相當于是另一個的備份，任一時刻只有一個系統(tǒng)槽處于主系統(tǒng)槽，所述底板除兩系統(tǒng)插槽和電源/控制板插槽外，其它插槽均可插接基于Compact PCI總線或基于Compact PCI和X端口總線的板卡，電源/控制板可插接在底板上非系統(tǒng)插槽的其它任一插槽上。
在上述技術方案中，主系統(tǒng)主板可從本板的啟動芯片啟動，也可從電源/控制板上的備份啟動芯片啟動，從系統(tǒng)主板只能從本板的啟動芯片啟動。
在上述技術方案中，所述計算機系統(tǒng)電復位過程中，作為主系統(tǒng)主板在啟動過程是首先復位其它插槽中的插卡，主系統(tǒng)主板上電復位后，可打開或保持包括從系統(tǒng)主板在內的其它插卡的復位狀態(tài)，其它插卡在復位被解除之后才能正常啟動。
在上述技術方案中，所述計算機系統(tǒng)一般的啟動過程中，主系統(tǒng)主板先啟動，在主系統(tǒng)主板啟動完成之后，才開始從系統(tǒng)主板和其它接口板的啟動；如果主系統(tǒng)主板沒有解除其它插卡的復位信號，則從系統(tǒng)主板和其它的接口板始終保持復位狀態(tài)。
在上述技術方案中，所述計算機系統(tǒng)的時鐘和仲裁信號只由主系統(tǒng)主板提供，所述時鐘和仲裁信號在底板上通過模擬開關連接到各個插槽，且電源/控制板上的雙串口只能由主系統(tǒng)主板使用。
在上述技術方案中，所述計算機系統(tǒng)內的其它設備，即COMPACT PCI總線上的其它插卡向主系統(tǒng)主板申請使用總線，得到許可后才使用總線。
在上述技術方案中，所述底板插槽上的插卡其機械外形均滿足COMPACT PCI 3U標準或COMPACT PCI 6U標準。
在上述技術方案中，所述計算機系統(tǒng)可通過CPU板卡上的1553B總線與和外部設備進行通訊。
由上可知，本實用新型采用基于COMPACT PCI總線結構的設計和可重構技術，對COMPACT PCI規(guī)范做了重新定義，由原來一底板支持單系統(tǒng)板擴展為一底板支持雙系統(tǒng)，且在電源/控制接口板上備份有啟動芯片(BOOTROM)BAK，作為備份啟動，對COMPACT PCI的引腳做了擴展應用和定義，在CPU板卡上和電源/控制接口板上定義有PORTX接口和總線，在底板上定義有PORTX接口，從而通過PCI總線和PORTX總線進行系統(tǒng)內通訊，以上設計充分提高了所述計算機系統(tǒng)的處理能力和性能，并增加了所述計算機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本實用新型提供了一種適用于航空航天器的嵌入式計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高性能、高可靠性的計算機系統(tǒng)，功能強大，可靠性高，體積較小，功耗適中，適用于航空航天等領域，特別適合需要高可靠且處理能力需求較高的項目。


圖1為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)結構示意圖；圖2為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)啟動邏輯圖；圖3為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)底板上的時鐘和仲裁信號連接示意圖；圖4為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)的系統(tǒng)主板原理圖；圖5為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)的系統(tǒng)主板中現(xiàn)場可編程門陣列芯片的控制雙啟動邏輯圖；圖6為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)的系統(tǒng)主板中X端口地址空間分配圖；圖7為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)的電源/控制板原理圖；圖8為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)的電源/控制板上平面層電源的分割示意圖；圖9為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)的電源/控制板與控制面板的連接示意圖；圖10為本實用新型實施例的嵌入式計算機系統(tǒng)的控制面板的示意圖。
圖面說明一嵌入式計算機系統(tǒng)——10；底板——20；第一系統(tǒng)主板——30；1394接口板——40；以太網(wǎng)接口板——50；電源/控制板——60；數(shù)字信號處理接口板(DSP接口板)——70；第二系統(tǒng)主板——80；第一插槽——21；第二插槽——22；第三插槽——23；第四插槽——24；第五插槽——25；第六插槽——26；第一系統(tǒng)主板——30；CPU芯片——31；同步動態(tài)隨機存儲芯片(SDRAM)——32；啟動芯片(BOOTROM芯片)——33；快閃存儲芯片(FLASHDISK)——34；現(xiàn)場可編程門陣列芯片(FPGA芯片)——35；PCI-1553B接口芯片——36；復位及看門狗電路——37；
10歐姆電阻——38；電源/控制板——60；+27V轉+5V/±12V DC/DC電源模塊——61；備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)——62；+5V轉+2.5V電源芯片——63；+5V轉+3.3V電源芯片——64；第一控制繼電器——65；第二控制繼電器——66；雙串口芯片——67；遙測/遙控/電源接——68；第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕——92；第二系統(tǒng)板為主系統(tǒng)板按鈕——93；系統(tǒng)復位按鈕——94；主啟動芯片啟動按鈕(BOOTROM芯片啟動按鈕)——95；備份啟動芯片啟動按鈕(BOOTROMBAK芯片啟動按扭)——96；第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈——97；第一系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈——98；第一系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈——99；第一系統(tǒng)主板電源監(jiān)測指示燈——100；第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈——101；第二系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈——102；第二系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈——103；第二系統(tǒng)主板電源監(jiān)測指示燈104。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例詳細說明本實用新型的技術方案。
參考圖1-10，一種適用于航空航天器的嵌入式計算機系統(tǒng)，采用了一個底板加6個插卡的計算機硬件結構，其機械外形為標準的PCI 3U結構，6個板垂直安裝，如圖1所示，一嵌入式計算機系統(tǒng)10包括一底板20，第一系統(tǒng)主板30、一1394接口板40、一以太網(wǎng)接口板50、一電源/控制板60、一數(shù)字信號處理接口板(DSP接口板)70及第二系統(tǒng)主板80。所述計算機系統(tǒng)的底板和底板插槽上插入的各個板卡以下將依次說明其結構和具體實施方式
。
標準的Compact PCI結構中，每個底板最多可開8個插槽，其中一個插槽為系統(tǒng)插槽，插接系統(tǒng)主板，另外的插槽為周邊槽，插接除主板外的其它接口板，且電源/控制板可插接在除系統(tǒng)槽外的任一插槽。本實用新型實施例中，底板20，尺寸為130mm×162mm，底板上開有6個插槽，如圖1所示，分別為第一插槽21、第二插槽22、第三插槽23、第四插槽24、第五插槽25和第六插槽26，其中，作為普通外圍接口板的插槽為第二插槽、第三插槽、第四插槽、第五插槽，第四插槽插接電源/控制板，第二插槽插接1394接口板、第五插槽插接DSP接口板，第三插槽插接以太網(wǎng)接口板；第一插槽21和第六插槽26為系統(tǒng)主板插槽，即系統(tǒng)插槽，分別插接第一系統(tǒng)主板和第二系統(tǒng)主板，在兩個系統(tǒng)插槽中，一個相當于是另一個的備份，通過控制邏輯使得在任一時刻只有一個處于系統(tǒng)槽的功能，后述將詳細描述所述控制邏輯。以上6塊PCI板卡與底板上的插槽的連接都是基于Compact PCI總線結構的連接，其中兩系統(tǒng)主板和一電源/控制板與所述計算機系統(tǒng)底板是基于Compact PCI總線和X端口總線(PORTX總線)結構的，在底板上，X端口被連接到每個插槽，供需要的設備(板卡)使用，關于X端口的定義將在系統(tǒng)主板的介紹中詳細說明。
此處，兩個互為備份的系統(tǒng)槽是對Compact PCI技術規(guī)范做了擴展和創(chuàng)新應用。第一插槽21和第六插槽26中的一個固定引腳被拉低或拉高，并且此信號被引入到系統(tǒng)主板中的現(xiàn)場可編程門陣列芯片(FPGA芯片)35中(圖4示出)，當系統(tǒng)主板被插入到第一插槽21或者第六插槽26中時，系統(tǒng)軟件運行時通過判斷上述固定引腳信號的高或低就可以知道所述系統(tǒng)主板是被插到第一插槽21或者第六插槽26中。本實施例中，第一插槽的此引腳被拉低，而第六插槽的此引腳被拉高。
由上可知，一嵌入式計算機系統(tǒng)10包括兩塊系統(tǒng)主板，兩個系統(tǒng)主板互為備份，一個作為主設備(HOST)，另一個作為從設備(AGENT)，HOST與AGENT的設定可通過電源/控制接口板的控制邏輯來控制兩邊的系統(tǒng)槽SYSEN#信號來實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方式將在后述系統(tǒng)主板部分詳細說明。在對可靠性要求不是特別高的場合，可只使用一個系統(tǒng)主板。所述嵌入式計算機系統(tǒng)的PCI時鐘和仲裁均由HOST主板提供，PCI總線上的其它設備需要使用總線必須向HOST主板申請，得到許可方可使用總線。
一嵌入式計算機系統(tǒng)10與外界的接口包括1553B總線接口、串口、以太網(wǎng)接口，而且可以通過插卡擴展1394高速總線接口或其它標準的接口。一嵌入式計算機系統(tǒng)10有兩對串口和一對網(wǎng)口(圖中未示出)，其中一對串口掛接在X端口總線上(PORTX總線)(圖7示出)，另一對串口掛接在Compact PCI總線(圖中未示出)，網(wǎng)口掛接在Compact PCI總線上(圖中未示出)。掛接在PORT X上的雙串口只能為HOST主板所使用。
一嵌入式計算機系統(tǒng)10的兩塊系統(tǒng)主板有各自的啟動芯片(BOOTROM芯片)，另外在電源\控制板60上有一個備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)，作為HOST的主板可以選擇從本板的啟動芯片(BOOTROM芯片)啟動或者從備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)啟動，而作為AGENT的主板，只能從本板的BOOTROM芯片啟動。兩系統(tǒng)主板的主從關系控制及系統(tǒng)主板的啟動方式可以通過控制面板90(圖10示出)上傳來的遙控命令來控制。具體實現(xiàn)方式將在后述系統(tǒng)主板部分和電源/控制板部分詳細說明。
在系統(tǒng)上電復位過程中，作為主設備(HOST)的主板在啟動的過程中首先復位其它5個插槽中的插卡，在主設備上電復位完成后，可使用軟件打開或保持包括從設備(AGENT)主板在內的其它插卡的復位狀態(tài)，其它插卡在復位被解除之后才能正常啟動。所以所述嵌入式計算機系統(tǒng)一般的啟動過程是主設備(HOST)先啟動，在主設備啟動完成之后，才開始從設備(AGENT)主板和其它接口板的啟動，如圖2所示。如果主設備沒有解除其它插卡的復位信號，則從設備主板和其它的接口板始終保持復位狀態(tài)。
啟動步驟第一系統(tǒng)主板為主設備(HOST)步驟210，所述嵌入式計算機系統(tǒng)以第一系統(tǒng)主板為主設備(HOST)，并且從第一系統(tǒng)主板啟動芯片(BOOTROM芯片)啟動；第一系統(tǒng)主板啟動時第二系統(tǒng)主板為從設備，且處于復位狀態(tài)。第一系統(tǒng)主板啟動完成，在超級終端打印出“系統(tǒng)從本地啟動芯片(BOOTROM芯片)啟動，HOST為第一系統(tǒng)主板”；步驟220，系統(tǒng)以第一系統(tǒng)主板為主設備(HOST)，并且從備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)啟動；第一系統(tǒng)主板啟動時第二系統(tǒng)主板為從設備，且處于復位狀態(tài)。第一系統(tǒng)主板啟動完成，在超級終端打印出“系統(tǒng)從備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)啟動HOST為第一系統(tǒng)主板”；步驟230，通過超級終端顯示當前執(zhí)行的任務，當前用戶任務為“l(fā)amp1”，通過td“l(fā)amp1”命令停止當前任務(LED閃爍停止)，然后啟動任務“l(fā)amp2”，顯示當前執(zhí)行的任務，(LED以另一種方式閃爍)。
步驟240，然后，可以通過超級終端命令“pciRelease”解除第二系統(tǒng)主板復位狀態(tài)，第二系統(tǒng)主板正常啟動。再通過超級終端命令“pciReset”重新使第二系統(tǒng)主板處于復位狀態(tài)。位于其它插槽的插卡也可以用同樣的方式復位或解除復位。
假設第一系統(tǒng)主板發(fā)生故障，第二系統(tǒng)主板為HOST步驟250，模擬當?shù)谝幌到y(tǒng)主板發(fā)生故障時，發(fā)遙控命令切換第二系統(tǒng)主板為主設備(HOST)，從第二系統(tǒng)主板的啟動芯片(BOOTROM芯片)啟動，啟動完成，在超級終端打印出“系統(tǒng)從本地啟動芯片(BOOTROM芯片)啟動，HOST為第二系統(tǒng)主板”；步驟260，第二系統(tǒng)主板作為主設備(HOST)也可以從備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)啟動，啟動完成后，在超級終端打印出“系統(tǒng)從備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)啟動，HOST為第二系統(tǒng)主板”。
如圖3所示，Compact PCI的時鐘和仲裁信號在底板20上是通過模擬開關連接到各個插槽的。當?shù)谝徊宀跾YSENA為低電平，此時第六插槽SYSENF為高電平時，第一插槽21中插入的第一系統(tǒng)主板30為主設備(HOST)，PCI系統(tǒng)的時鐘和仲裁均由第一系統(tǒng)主板30提供；當?shù)谝徊宀跾YSENA為高電平，此時第六插槽SYSENF為低電平時，第六插槽26中插入的第二系統(tǒng)主板80為主設備(HOST)，PCI系統(tǒng)的時鐘和仲裁均由第二系統(tǒng)主板80提供。
第一插槽SYSENA和第六插槽SYSENF電平的高低是通過電源/控制板接受來自控制面板90傳來的外部遙控命令控制繼電器來實現(xiàn)(圖7示出)，后述將詳細描述電源/控制板60和控制面板90的結構和實施方式。通過判斷系統(tǒng)主板SYSTEN#電平信號的高低，系統(tǒng)軟件可以判斷出系統(tǒng)主板是運行在主設備(HOST)模式還是從設備(AGENT)模式，從而執(zhí)行相應的處理程序，詳見后述說明。
所述計算機系統(tǒng)10上的底板插槽上除了插接兩系統(tǒng)主板和一電源/控制板外，其它三個插槽插接的設備只要滿足COMPACT PCI技術標準即可，其它插接板卡與底板之間既可以通過PCI總線通訊，也可以通過PCI總線和PORTX總線通訊，在底板上，X端口被連接到每個插槽，供需要的設備使用。
如圖4所示，第一系統(tǒng)主板(第一CPU板)30遵循Compact PCI 3U標準，尺寸為160mm×100mm，具有J1和J2兩插件接口。所述第一系統(tǒng)主板30包括CPU芯片31、同步動態(tài)隨機存儲芯片(SDRAM)32、啟動芯片(BOOTROM芯片)33、快閃存儲芯片(FLASHDISK)34、現(xiàn)場可編程門陣列芯片(FPGA芯片)35、PCI-1553B接口芯片36、復位及看門狗電路37、10歐姆電阻38、X端口(PORT X)(未示出)、數(shù)據(jù)總線、地址總線、PCI總線及X端口總線(PORTX總線)等。系統(tǒng)主板和整個計算機系統(tǒng)的連接是基于Compact PCI總線和PORTX總線結構的。
在上述CPU板中CPU芯片31采用MPC8240，MPC8240是MOTOROLA公司生產的高性能片上系統(tǒng)，內部集成32位超標量PowerPC 603e處理器內核、內存控制器(支持ECC功能)、PCI總線控制器、DMA控制器、可編程中斷控制器等，運行時鐘可達到250M赫茲，處理能力可達到250MIPS。
CPU芯片31的ROM空間分為兩部分，RCSO地址空間和RCS1地址空間，在設計中RCSO空間被配置成8位數(shù)據(jù)寬度、1M地址空間，用作系統(tǒng)啟動的BOOTROM，RCS1空間被配置成64位數(shù)據(jù)寬度、8M地址空間，用作存放用戶程序，其結構被配置成類似電子硬盤的分區(qū)結構，在本系統(tǒng)中稱為FLASHDISK。
其中，CPU芯片31的RCSO地址空間既可為存儲設備使用又可為非存儲設備使用，即可以作為通用I/O端口使用，稱為X端口(PORTX)(圖中未視出)，在本設計中，通過FPGA，將RCSO地址空間的部分地址用做PORTX使用，雙串口和備份BOOTROM均連接在PORTX總線上，同時PORTX的部分空間被用作PCI設備的復位、喂狗、中斷讀入、中斷隔離控制等輔助邏輯。
如圖6所示，在FPGA芯片35中，通過譯碼邏輯，將RCSO地址空間進行了重新劃分，除高1M空間為引導程序(BOOTROM)區(qū)外，其余的1M空間被劃分為PORTX備用片選1、2，中斷隔離控制，PCI設備復位控制，雙串口片選，外部中斷讀入，喂狗等。除喂狗外，其余的信號當SYSEN為低電平時有效，當SYSEN為高電平時被隔離。這樣就可以保證作為主設備的CPU板對系統(tǒng)資源的控制。
掛接到RCS1地址空間的FLASHDISK被配置成類似硬盤的文件分區(qū)系統(tǒng)，多個用戶程序可以存放到其中，可以通過命令激活某個應用程序，從而執(zhí)行相應的任務。
CPU芯片31的RAM空間為64M地址空間，數(shù)據(jù)寬度為64位+8位ECC校驗，使用了1片5合1同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)，CPU的數(shù)據(jù)總線直接和同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)芯片32的數(shù)據(jù)總線連接，地址總線須經(jīng)過10Ω電阻排后和同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)的地址總線連接。通過配置引腳可以選擇同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)芯片32的工作頻率，在本設計中，同步動態(tài)隨機存儲器(SDRAM)可工作在100MHZ頻率下，此時CPU芯片31工作頻率為200MHZ。
如圖4所示，在CPU板上的1553B接口芯片36和CPU芯片31通過PCI總線連接，在1553B接口芯片36內部集成有PCI橋，將PCI信號轉換為LOCAL信號，1553B總線由1553B總線A和1553B總線B組成，通過1553B總線接口CPU板就可以和外部系統(tǒng)進行通訊。
只要給上述第一CPU板30提供電源，此高性能主板就可以通過1553B總線和外部設備進行通訊，成為一個單板計算機。
綜上所述，所述FPGA完成輔助邏輯，包括對FLASHDISK、BOOTROM芯片、PORT X地址、控制總線的驅動，完成對BOOTROM芯片和PORT X數(shù)據(jù)總線的驅動。
同時由于BOOTROM芯片和PORTX均為+5V芯片，本系統(tǒng)利用FPGA的5V Tolerance特性實現(xiàn)+3.3V的LVTTL電平同+5V的HCMOS電平的轉換。
另外，由于本系統(tǒng)的BOOTROM在電源板上有冗余備份，主、備份BOOTROM占用相同的物理空間，F(xiàn)PGA根據(jù)電源板上的控制邏輯，保證只有處于主份狀態(tài)的CPU板才可使用PORTX接口功能，也只有處于主份狀態(tài)的CPU板才可使用備份BOOTROM。
如圖5所示，SYSEN#信號通過底板傳入CPU板，SYSEN#控制CPU的MAA1信號，當MAA1信號為高，CPU工作在主模式(HOST)，當MAA1信號為低，CPU工作在從模式(AGENT)。同樣SYSEN#信號被引入FPGA，控制備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)的地址數(shù)據(jù)總線，當設備為HOST時，BOOTROMBAK芯片地址數(shù)據(jù)總線通，當設備為AGENT時BOOTROMBAK地址數(shù)據(jù)總線為高阻態(tài)，即當設備為HOST時，既可采用BOOTROM芯片上的引導程序(BOOTROM)啟動，也可采用BOOTROMBAK芯片上的備份引導程序(BOOTROMBAK)啟動；當設備為AGENT時，只能采用BOOTROM芯片上的BOOTROM啟動。
如圖5所示，BOOTSEL信號被引入FPGA中，通過FPGA中的邏輯開關，控制啟動的方式，當BOOTSEL信號為低時，BOOTROM芯片的地址、數(shù)據(jù)總線被開啟，BOOTROMBAK芯片的地址、數(shù)據(jù)總線被隔離；同樣當BOOTSEL信號為高時，BOOTROMBAK芯片的地址、數(shù)據(jù)總線被開啟，BOOTROM芯片的地址、數(shù)據(jù)總線被隔離。
由上可知，上述系統(tǒng)中雙啟動的實現(xiàn)是通過位于CPU板上的FPGA芯片35來控制完成，當外部控制命令SYSEN#信號為低時(此時，該CPU板為主設備)，外部控制命令BOOTSEL信號為低，系統(tǒng)從位于該CPU板上的BOOTROM啟動，BOOTSEL信號為高，系統(tǒng)通過PORTX從位于外部接口上的備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)啟動，BOOTROMBAK芯片來自于電源/控制接口板；當外部控制命令SYSEN#信號為高時(此時，該CPU板為從設備)，系統(tǒng)只能從位于該CPU板上的BOOTROM啟動。以下為啟動的過程1、系統(tǒng)主板插入系統(tǒng)插槽中，輸入的SYSEN#信號為低1)外部控制命令BOOTSEL信號為低，該系統(tǒng)主板為主設備(HOST)，并且從啟動芯片(BOOTROM芯片)啟動；啟動完成，在超級終端打印出“系統(tǒng)從本地啟動芯片(BOOTROM芯片)啟動，HOST為該系統(tǒng)主板”；2)外部控制命令BOOTSEL信號為高，該系統(tǒng)主板為主設備(HOST)，并且從備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)啟動，啟動完成，在超級終端打印出“系統(tǒng)從備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)啟動，HOST為該系統(tǒng)主板”。
2、上述系統(tǒng)主板插槽輸入的SYSEN#信號為高時系統(tǒng)主板只能從BOOTROM芯片啟動，并且不能使用PORTX上的雙串口，超級終端無打印信息。
本實用新型實施例中第二系統(tǒng)主板80的設計實施與第一系統(tǒng)主板30的設計實施相同。
本實用新型實施例中的電源/控制板60，如圖7所示，遵循Compact PCI 3U標準，尺寸為160mm×100mm。電源/控制板60上主要包括以下元器件+27V轉+5V/±12V DC/DC電源模塊61，備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)62，+5V轉+2.5V電源芯片63，+5V轉+3.3V電源芯片64，第一控制繼電器65，第二控制繼電器66、雙串口芯片67，遙測/遙控/電源接口68等。其中，備份啟動芯片(BOOTROMBAK芯片)通過X端口總線與系統(tǒng)主板相連。X端口為系統(tǒng)主板上CPU中只讀存儲器的RCSO#地址空間的一部分被當作輸入輸出端口空間使用，定義為X端口(PORTX)。
當+27V電壓通過+27V轉+5V/±12V DC/DC模塊61后，得到+5V和±12V電壓，因為電源/控制板60上沒有元器件使用±12V電壓，所以±12V被引到Compact PCI接插件上，連接到底板上，供計算機系統(tǒng)中需要的設備使用；位于電源/控制板上的所述BOOTROMBAK芯片、第一控制繼電器、第二控制繼電器、雙串口芯片等元器件都需要+5V供電，所以，在電源層+5V被分為一大塊，同時為了便于電源層分割，如圖8所示，對Compact PCI的標準電源信號進行了重新定義，重新定義后電源排列比較整齊，在Compact PCI接插件區(qū)域，電源從上至下分為+5V、+2.5V、+3.3V，這種分割使得在計算機系統(tǒng)的設計時，底板上的電源層分割也比較整齊劃一。
+5V電源分別通過所述+5V轉+2.5V電源芯片63和所述+5V轉+3.3V電源芯片64轉換成+2.5V和+3.3V電壓，連同+5V電源一起，通過底板送到系統(tǒng)主板和其它接口板，供系統(tǒng)主板和其它板上的芯片使用。+5V轉+2.5V電源芯片63和+5V轉+3.3V電源芯片64均采用MAXIM MAX1644電平轉換芯片。
如圖9所示，電源/控制板60通過遙測/遙控/電源接口68連接到一個控制面板90，通過控制面板90可以發(fā)控制命令使電源/控制板60處于一種工作既定的工作狀態(tài)，同時控制面板90上的指示燈可以顯示出目前系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)。
如圖10所示，控制面板90上有5個控制按鈕和8個狀態(tài)指示燈，分別是
5個控制按鈕包括，第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕92，第二系統(tǒng)板為主系統(tǒng)板按鈕93，系統(tǒng)復位按鈕94、主啟動芯片啟動按鈕(BOOTROM芯片啟動按鈕)95、備份啟動芯片啟動按鈕(BOOTROMBAK芯片啟動按扭)96。
8個狀態(tài)指示燈包括，第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈97、第一系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈98、第一系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈99、第一系統(tǒng)主板電源監(jiān)測指示燈100、第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈101、第二系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈102、第二系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈103和第二系統(tǒng)主板電源監(jiān)測指示燈104。
當?shù)谝幌到y(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕92按下時，通過第一控制繼電器66使SYSENA信號為低，計算機系統(tǒng)中第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板，第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈97點亮；同樣，第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕93按下時，通過控制繼電器1使SYSENF信號為低，計算機系統(tǒng)中第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板，第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈101點亮。
主啟動芯片啟動按鈕95按下時，通過第二控制繼電器66使BOOT信號為低，主系統(tǒng)板從主啟動芯片啟動，如果此時第一系統(tǒng)主板作為主系統(tǒng)主板，則第一系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈98點亮，如果此時第二系統(tǒng)主板作為主系統(tǒng)板，則第二系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈102點亮。
同樣，備份啟動芯片啟動按扭96按下時，通過第二控制繼電器66使BOOTBAK信號為低，主系統(tǒng)板從備份啟動芯片啟動；如果此時第一系統(tǒng)主板作為主系統(tǒng)板，則第一系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈99點亮，如果此時第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板，則第二系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈103點亮。
當系統(tǒng)復位按鈕94按下時，整個計算機系統(tǒng)處于復位狀態(tài)，然后保持上次啟動的狀態(tài)重新啟動。
通過控制面板90上的按鈕，可以得到預期的結果，通過控制面板90上的指示燈，可以看到系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)。
在電源/控制板60上的備份啟動芯片62，通過X端口總線(PORTX總線)和系統(tǒng)主板相連，目的是提供一個備用的啟動代碼地址，當位于主設備上的主啟動芯片受到意外損害而不能時正常啟動時，可以通過控制命令切換到備份啟動芯片啟動，這也適應了航天工程高可靠性的特點。
此外，如果系統(tǒng)的電壓的波動超出正常的波動范圍，控制面板上的監(jiān)測燈就會提示報警。
以下為系統(tǒng)正常啟動后，控制面板90的工作過程1)系統(tǒng)設備正常啟動后，按下第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕92，設備復位后重新啟動，第一系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈97亮，表明控制命令得到正常響應。
2)再按下主啟動芯片啟動按鈕95，設備復位后重新啟動，第一系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈98亮，表明控制命令得到正常響應；然后再按下備份啟動芯片啟動按紐96，設備復位后重新啟動，第一系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈103亮，表明控制命令得到正常響應。
3)系統(tǒng)設備正常啟動后，按下第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板按鈕93，設備復位后重新啟動，第二系統(tǒng)主板為主系統(tǒng)板指示燈101亮，表明控制命令得到正常響應。
4)再按下主啟動芯片啟動按扭95，設備復位后重新啟動，第二系統(tǒng)主板從主啟動芯片啟動指示燈102亮，表明控制命令得到正常響應；然后再按下備份啟動芯片啟動按紐96，設備復位后重新啟動，第二系統(tǒng)主板從備份啟動芯片啟動指示燈103亮，表明控制命令得到正常響應。
5)按下系統(tǒng)復位按紐，設備復位后重新啟動，保持上一次的啟動狀態(tài)。
此外，本實用新型的技術方案同樣可應用于Compact PCI 6U標準下，只是板卡的尺寸發(fā)生變化。
權利要求1.一種適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，基于Compact PCI結構，包括一底板和第一系統(tǒng)主板，其特征在于，還包括第二系統(tǒng)主板及一電源/控制板，兩系統(tǒng)主板和一電源/控制板插接在底板的插槽上，其中，兩系統(tǒng)主板分別插接在底板的兩系統(tǒng)插槽內，互為備份；所述系統(tǒng)通過電源/控制板的控制邏輯來控制信號高低，所述信號通過底板分別傳入兩系統(tǒng)主板，控制兩系統(tǒng)主板的主從關系；兩系統(tǒng)主板均有各自的啟動芯片，并在電源/控制板上有一備份啟動芯片，通過電源/控制板上的控制邏輯產生高低信號來控制所述嵌入式計算機系統(tǒng)的啟動方式；兩系統(tǒng)主板和電源/控制板與底板通過COMPACT PCI總線和X端口總線進行通訊和連接；電源/控制板通過底板向底板上各板提供所需電壓。
2.如權利要求1所述的適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述兩系統(tǒng)主板CPU的只讀存儲器的RCSO#地址空間的一部分當作輸入/輸出空間使用，定義為X端口。
3.如權利要求2所述的適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)主板和電源/控制板上均有X端口總線和X端口，在底板上，X端口被連接到每個插槽，供需要的設備使用。
4.如權利要求1或2所述的適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)主板通過X端口總線與電源/控制板中的備份啟動芯片連接，所述備份啟動芯片提供備用的啟動代碼地址。
5.如權利要求1或3所述的適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一系統(tǒng)和第二系統(tǒng)插槽中一個相當于是另一個的備份，任一時刻只有一個系統(tǒng)槽處于主系統(tǒng)槽，所述底板除兩系統(tǒng)插槽和電源/控制板插槽外，其它插槽均可插接基于Compact PCI總線或基于Compact PCI和X端口總線的板卡，電源/控制板可插接在底板上非系統(tǒng)插槽的其它任一插槽上。
6.如權利要求1所述的適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機系統(tǒng)的時鐘和仲裁信號只由主系統(tǒng)主板提供，所述時鐘和仲裁信號在底板上通過模擬開關連接到各個插槽，且電源/控制板上的雙串口只能由主系統(tǒng)主板使用。
7.如權利要求1所述的適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述底板插槽上的插卡其機械外形均滿足COMPACT PCI 3U標準或COMPACT PCI 6U標準。
8.如權利要求1所述的適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述計算機系統(tǒng)可通過CPU板卡上的1553B總線與和外部設備進行通訊。
專利摘要本實用新型涉及一種適用于航空航天器中的嵌入式計算機系統(tǒng)，基于Compact PCI結構，包括一底板和第一系統(tǒng)主板，第二系統(tǒng)主板及一電源/控制板，兩系統(tǒng)主板和一電源/控制板插接在底板的插槽上，其中，兩系統(tǒng)主板分別插接在底板的兩系統(tǒng)插槽內，互為備份；所述系統(tǒng)通過電源/控制板的控制邏輯來控制信號高低，從而控制兩系統(tǒng)主板的主從關系。本實用新型采用基于COMPACT PCI總線結構的設計和可重構技術，對COMPACT PCI規(guī)范做了重新定義，由原來一底板支持單系統(tǒng)板擴展為一底板支持雙系統(tǒng)板，且在電源/控制接口板上備份有啟動芯片BOOTROM BAK，作為備份啟動，充分提高了所述計算機系統(tǒng)的處理能力和性能，并增加了所述計算機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號G06F13/42GK2694339SQ20032012219
公開日2005年4月20日 申請日期2003年11月28日 優(yōu)先權日2003年11月28日
發(fā)明者安軍社, 李揚, 劉艷秋, 孫輝先, 陳曉敏, 張健, 辛敏成 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心