民用飞机飞控计算机处理器选型研究分析论文

时间：2024-10-24 14:17:28 计算机我要投稿

　　飞控计算机是整个飞行控制系统的核心，它控制系统的解算装置，实现飞控系统控制率计算功能并向伺服系统输出控制指令。处理器担负着整个系统的数据处理任务，相当于整个系统的大脑。处理器是整个系统框架的基本平台之一，它在很大程度上决定着飞控计算机的性能，本文从多个角度对处理器选型进行论证，并提出了参考。

民用飞机飞控计算机处理器选型研究分析论文

　　1 系统简介

　　根据民用飞机飞控计算机的设计方案，飞控系统由5 台两余度的控制、监控计算机组成，5 台计算机分成两组，完成对副翼、升降舵、方向舵、襟翼、缝翼、扰流片、水平安定面的控制。

　　计算机系统采用非相似余度设计概念，使用了体系结构非相似、硬件非相似和软件非相似等技术克服系统的共态故障。其中硬件非相似要求主计算机系统和从计算机系统采用不同类型的处理器，处理器的硬件接口及其外围电路也不同，这可以克服使用相同厂家生产的硬件设备而带来的共态故障。体系结构非相似要求主计算机系统和从计算机系统采用不同体系结构的计算机，以克服计算机体系结构设计可能的共态故障。

　　2 处理器选型

　　2.1 选型原则

　　要进行处理器选型，首先必须确定处理器选型的原则。除了性能因素外，处理器选型还要考虑诸如供货，产品兼容性等各种综合因素。因此，应从以下几个方面予以考虑。

　　(1)处理器产品的市场占有率。

　　(2)是否有较强实力的公司和多个制造商支持。

　　(3)是否具有良好的兼容性。

　　(4)是否有工业档或工业档以上质量等级的处理器产品。

　　(5)是否为国外机载产品中使用的主流处理器产品。

　　(6)是否具有较低的功耗。

　　(7)在国内的应用的应用是否成熟。

　　2.2 选型分析

　　2.2.1 产品的市场占有率及支持厂商

　　目前较为流行的处理器产品有Intel 的X86 系列，Motorala 公司的PowerPC 系列等。在市场占有率方面，微处理机芯片( 包括32位和64 位结构) 占领市场份额由大到小的排列次序为：

　　(1)Intel 公司的X86 体系结构产品。

　　(2)Motorola/IBM/Apple 集团的PowerPC 体系结构产品。

　　(3)MIPS 公司的R 体系结构产品。

　　(4)ARM 公司的ARM 体系结构产品。

　　(5)TI 或AD 公司的DSP 系列产品。

　　(6)Sun 公司的SPARC 体系结构产品。

　　(7)HP 公司的PA-RISC 体系结构产品。

　　(8)DEC 公司的Alpha 体系结构产品。

　　其中前五种处理器在嵌入式领域应用较广，因此我们主要在这几种处理器中进行选择比较。

　　X86 系列由目前世界上最大的微电子生产商Intel 公司支持生产，X86 系列是目前使用最为广泛的处理器，占有了PC 机市场上的大多数份额，除Intel 公司外，还有其它支持X86 系列产品的厂商，如AMD、CYRIX、TI 等。另外还有众多厂商支持生产X86 的外围接口芯片和ChipSet。

　　PowerPC 是由IBM、APPLE 和Motorola公司共同推出的新一代的RISC 结构的32 位计算机硬件平台。目前开发和使用PowerPC的用户逐年增加，市场份额也不断扩大，它在通信和嵌入式市场均占有主要份额。MIPS R 系列由微电子生产商IDT 等公司支持生产。以MIPS 为内核的产品大量应用在通讯领域。早在90 年代中期, 美国concurrentcomputer 公司推出了ATR 标准的机载 R4400多机系统。

　　ARM 系列产品由 Intel 公司,Motorala 等大规模芯片生产厂商支持生产。许多公司都在自己的嵌入式产品中采用ARM 内核。手持设备领域成了ARM 的天下。同时许多机载设备在系统中嵌入ARM 内核。

　　TI 及AD 公司DSP 系列产品由TI 及AD公司支持生产。DSP 自80 年代初期问世以来,取得了突飞猛进的发展，近几年在机载领域获得了广泛的应用。

　　2.2.2 处理器产品的兼容性及质量等级

　　一般飞机寿命期通常在30 年左右，而微电子技术的发展使得处理器的更新周期越来越短，3-5 年就会开发出一代新的处理器产品。为了减少处理器的升级换代对已开发出的机载计算机产品的软硬件的影响，我们在处理器选型时需要考虑处理器产品的兼容性。

　　Intel 的 X86 系列产品有Pentium、PII、PIII 等，AMD的X86系列产品有K5、K6、K7等。X86 的产品已形成了系列化指令系统都保持向下兼容，486 以上的32 位X86 系列的CPU 芯片都支持在386 上开发的软件。因此当处理器升级时，应用软件不需要太大的改变。

　　PowerPC 系列产品有60x 系列, 7xx 系列、74xx 等，任何PowerPC 的CPU 指令也都保持兼容。另外PowerPC 处理器在设计时还考虑了硬件升级的兼容性，例如PowerPC 从32 位扩展为64 位时，芯片封装与信号引角定义也保持兼容，CBGA 封装的603 与740 信号引是一致的，在未来CPU 升级中硬件设计可以保持不变。

　　MIPS R 系列产品有R3XXX、R4XXX、R5XXX 等。任何MIPS R 系列的CPU 上指令都保持兼容。

　　ARM 体系结构共定义了6 个版本, 指令集功能不断扩大。ARM 处理器系列产品有ARM7 系列,ARM9 系列,ARM9E 系列,SourceCore 系列,Intel 的Xscale 系列以及Intel的StrongARM 系列等。同版本ARM 体系的处理器, 其软件是兼容的。

　　以TI 产品为例, 其系列产品有：TMS320CXX,TMS320C2XX,TMS320C5XX 以及TMS320C6XXX 等。同一系列产品的指令也都保持兼容。

　　为了使产品能适应各种应用环境，处理器厂商往往都会提供不同质量等级的产品满足不同的需求。目前电子元器件的质量等级一般分为：民用档，工业档，汽车档及军用档。

　　一般而言，机载产品的使用环境相对比较恶劣，而且飞控计算机又与飞行安全密切相关，它对元器件质量等级的要求相对较高。但民机环境相对于战斗机而言要好得多，因此民机飞控系统可选择经过筛选和测试满足机载产品环境要求的工业档器件。上面提到的几种类型的器件都有工业档质量等级产品。从上面的分析我们可以看出，从产品的兼容性及质量等级角度来看，他们都可以作为民机飞控计算机处理器的侯选产品。

　　2.2.3 处理器功耗比较

　　上述的几类器件除了X86 系列功耗较高外，其余产品的功耗都很低。下面给出几种产品的功耗比较。

　　(1)X86 系列产品的功耗，X86 系列中的PENTIUM 当工作频率在100MHz 时，功耗在10W 左右。(2)PowerPC 系列中工作频率在100MHz 的产品，功耗均在4W 左右。(3)MIPS R 系列中的R4700 在100MHZ 时功耗为5W。(4)ARM 系列产品的功耗数量级为mW/Mhz。(5)DSP 系列中的TMS320C6XXX 功耗为8.5mW/Mhz。

　　2.2.4 机载领域应用

　　从产品在机载领域的应用来看，PowerPC系列产品可谓是独领风骚，在JSF，B-1，F-16，AV-8B 等许多战机以及NASA 航天飞机上都使用了PowerPC 产品。另外在多个开发项目，如OSDI(Open System Development Initiative)，SOAP(Scalable Open Architecture Project) 等都选用了PowerPC。

　　X86 系列在机载领域尤其是民机上的应用也较为广泛。例如，在RAH-66 项目中，波音Defense & Space Group Helicopters Division用133MHz 的Pentium 替代了i960. BOING777飞控系统中采用Intel486 处理器作为其中一个余度的处理器。AIRBUS340 飞控系统中采用Intel386 作为主控计算机的处理器。MIPS R 系列处理器在机载领域的应用相对较少，90 年代中期, 美国concurrentcomputer 公司推出了ATR 标准的机载 R4400多机系统。但后来很少见到有关MIPS R 系列在机载领域应用的报道。

　　DSP 系列处理器近几年在机载领域应用发展较快，宝石台中用的八种 LRM 模块之一就是DSP 模块，国内也在多种机载产品中采用DSP 系列产品. 但目前DSP 系列产品较多用于信号处理几简单的控制系统。对于飞控计算机这种较复杂的控制系统不太使用。

　　3 结论

　　民机飞控计算机的研制应立足于自主研制，因此产品在国内应用的成熟度也应该是处理器选型考虑的一个重要因素。由于飞控系统的特殊性，相对于其他系统而言，它在追求高性能的同时应更关注产品应用的成熟度。因此，通过对上述各类处理器的综合分析比较, 我们认为，民用飞机电传飞控系统飞控计算机微处理器应该选择PowerPC 系列和Intel 系列产品。

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