多核实时并行处理平台的设计与实现

赵子杰，李成文，丰生磊

（航空工业西安航空计算技术研究所 陕西 西安 710065）

0 引言

随着航空技术和电子集成技术的飞速发展，对新一代高性能飞机核心处理平台的综合水平、计算能力、资源管理、系统调度等方面的要求变得越来越高。 多核实时并行处理平台就是面向新一代高性能飞机复杂多功能任务计算需求而设计的，旨在解决新一代综合核心处理系统高性能计算、多核并行处理、实时任务调度等核心瓶颈问题。多核实时并行处理平台承担新一代高性能飞机的综合化航空电子系统的综合管理等功能，可完成航电系统数据处理、信号处理、图形／图像处理、系统数据管理以及整个航电系统管理。 本文提出了多核实时并行处理平台总体和软件的设计。

1 处理平台总体设计

1.1 处理平台简述

处理平台与飞机航电系统交联图如图1 所示。 整个计算平台包括信号处理单元、图像处理单元、数据处理单元、网络交换单元、远程接口单元以及数据管理单元，该平台完成航电系统数据处理、信号处理、图形／图像处理、系统数据管理以及整个航电系统管理。 数据处理单元提供高性能数据处理能力［1］，完成任务系统数据处理和系统管理；网络交换单元实现余度光纤网络交换，并在环控系统失效时，提供基本计算能力，完成导航计算等最基本的航电功能；图像处理单元完成图像的处理，并通过接口驱动显示器和头盔；数据管理单元存储航电系统参数、故障信息，记录飞行视频，并支持在地面状态下的数据下载操作。系统采用统一光纤通道（fiber channel， FC）技术，用于前端传感器信息、控制命令和中间计算数据以及视频信息的传输。

图1 处理平台与飞机航电系统交联图

处理平台体系结构包括数据处理单元、网络交换单元、图像处理单元。 组成模块及单元如表1 所示。

表1 处理平台组成模块名称、数量

数据处理单元提供高性能数据处理能力，完成任务系统数据处理和系统管理规定。

网络交换单元提供可完成系统管理和导航解算的最基本计算能力，该单元采用自然散热和28 V 应急供电，确保在环控系统故障或270 V 供电故障时，飞机航电系统顶层FC 通信网络可用，系统具有最基本的计算能力，保证飞机安全返航。

图像处理单元通过该接口接收系统管理命令，进行威胁告警。 该单元采用正常供电。

1.2 工作模式

飞机电源系统正常供电时，处理平台完成系统定义的所有功能。

在应急工作模式下，仅保证系统最小资源集工作，最小资源包括两个光纤网络模块、承担系统管理及导航计算任务的两个低功耗GPPM 模块，保证飞机正常飞行、安全返回至地面。

1.3 处理平台供电网络

供电网络可分为两个层次，即飞机层和处理平台层。

飞机层供电系统提供在正常工作状态下使用的270 V 和在应急状态使用的28 V。 当飞机供电系统的270 V故障时，由28 V 应急电源供电。 处理平台系统进入应急状态，处理平台层供电网络仅保证网络交换单元供电。

处理平台层供电网络由两个PSM 组成。 当两个PSM都正常运行时，两个PSM 同时输出为所有其他模块供电。当一个PSM 故障时自动关闭输出，由另一个PSM 为所有其他模块供电。 故障PSM 发出电源故障信号，系统管理者记录故障信息用于模块地面维护。

1.4 处理平台系统管理

处理平台系统管理负责控制和管理处理平台的运行和状态转换，负责从系统初始化、运行到系统关机的整个过程。 此外，处理平台系统管理还负责航电系统其他任务设备的管理。

处理平台系统中故障处理模式分为备份重构和系统降级重构。

（1）备份重构：用功能等同的备份模块替代失效模块，通过在备份模块上重新运行失效模块的软件来实现，该类处理没有任何功能损失，该种处理操作较简单。

（2）系统降级重构：降级处理是指当不能保证备份处理有效的情况下而进行的处理操作。 系统降级处理将保证高优先功能。 在该情况下，将考虑航空电子系统各任务的优先级，进行优先级仲裁操作，重新分配低优先级功能所用模块以保证高优先级功能。

1.5 时间管理

处理平台有3 种类型的时间：

（1）绝对全局时间（average generation time， AGT）：提供当地时区的年、月、日、小时、分、秒、毫秒的日历时间。该时间可以通过全球定位系统（global positioning system，GPS）、数据链或手工授时给处理平台。

（2）绝对本地时间（local date time， ALT）：是航电系统中的系统参考时间，比AGT 的分辨率高，用于处理平台内部任务间的同步。 在处理平台系统中，由系统中唯一的参考时间源维护。 它需要在整个系统中同步。

（3）相对本地时间（relative retention time，RRT）：是模块的本地时间，有比AGT 和ALT 高的分辨率，用于分区、进程的同步和调度。

1.6 网络管理

处理平台提供数据通信功能［2］和网络管理等功能，具体包括：

（1）网络信息维护与交互：通过对网络信息的收集与交互判断网络及系统当前的运行状态，提交给管理者作为决策依据。

（2）网络控制权获取：系统上电后，网络管理器及备份网络管理器进行网络控制权获取；当网络管理器失效时，备份网络管理器会进行网络主控权的获取。

（3）网络运行方案加载／切换：网络运行方案包括网络拓扑和网络消息规划信息；在网络初始化过程中，需要进行网络运行方案的加载；在网络运行过程中，有可能需要进行网络运行方案的切换。

（4）健康监控与故障管理：进行本地的错误状态统计与监控。

1.7 处理平台区域级故障预测与健康管理（prognostics and health management，PHM）

任务区域PHM 是任务成员PHM 和飞机级PHM 之间的接口。 利用其系统底层的数据和信息，实现成员子系统／部件异常检测、故障诊断以及关键部件的寿命预测等功能。

（1）任务区域PHM 通过状态监控，按照一定的预置触发条件，通过异常检测、故障检测、征兆检测等方法，捕获并存储来自成员子系统／部件的异常信息、故障信息、征兆信息以及相关的状态信息、飞行参数、环境信息等。

（2）任务区域PHM 把上述各种信息进行相关联以解决各种数据的不一致性，通过对上述成员级PHM 结果进行关联融合完成故障诊断。

（3）任务区域PHM 结合其他相关信息，通过算法分析和模型推理，进行预测推理。

（4）任务区域PHM 将确认后的异常、故障及确认／修正后的预测信息提交给区域级综合评估模块及飞机级的报告过滤模块，并予以存储。

（5）在异常检测、故障诊断、预测推理的基础上完成任务区域的综合健康状态评估。

1.8 数据管理

处理平台的数据存储管理运行在地面加载状态，数据存储管理通过比较各模块上的数据和数据管理系统中保存的数据／映像的版本信息，将数据管理系统中最新的数据／映像加载到各模块上。

数据管理系统中存储处理平台的相关数据库及文件系统提供两种数据擦除方法：第一是直接烧毁存储器，通过外部毁钥信号直接触发，第二是闪存（FLASH）扇区擦除方法，通过外部命令触发。 数据管理系统采用直接烧毁存储器方法，其他模块采用FLASH 扇区擦除方法。

处理平台的模块可接收从数据管理分系统加载的数据库［3］，并将数据向处理平台模块分发，加载数据包括威胁数据库、参数库等。

在飞行过程中，处理平台按照航电系统工作过程和任务流程，对航电系统、分系统设备的数据进行分类整理和存贮，并将数据传送给数据管理分系统。 按照系统任务阶段整理记录，记录数据按用途分为评估和故障分析两类。任务逻辑流程数据包括飞行操作命令、系统对命令解释、系统模式、对分系统控制命令和分系统响应等。 任务数据记录包括传感器输入参数、任务解算的数据结果等。 按报故时间和故障等级对全机故障数据进行分类整理，同时按任务模式对相关故障分类整理。 通过系统时间以及系统逻辑流程对上述数据进行关联。

处理平台文件系统包括局部文件系统与远程文件系统两部分，远程文件系统驻留在数据管理设备的存储器中，局部文件系统驻留在处理平台内各模块。

1.9 容错／冗余设计

处理平台的容错和冗余设计具体情况如下：

（1）FC 容错设计：航电系统顶层光纤网络为容错网络，每个网络终端采用双多址接入信道（multiple access channel， MAC）收发，分别与两个交换机相连，构成容错星型网络结构。

（2）集成电路总线网络采用余度网络设计：系统配置两条集成电路总线，当一条故障时，使用另一条。

（3）视频转换容错：在模块内部实现，内部交换开关采用冗余设计，当一个交换芯片／端口故障时，则关闭故障芯片／端口。

（4）电源冗余设计：处理平台具有两块电源模块，采用1+1 冗余供电结构。 正常工作时，由两个并联的PSM为系统供电，每个PSM 承担系统中的一半负载，当其中一个PSM 模块故障时，由另一块PSM 模块自动接替并独立向整个系统供电。

（5）时间服务器冗余设计：系统采用4 种授时方式，包括全球定位系统（GPS）授时、数据链时钟信号授时、物理计时器授时和人工授时。 只要系统中存在一个可用时间源，处理平台时间服务器可正常工作；当一个时间服务器故障时，系统可使用处理平台中另一个时间服务器。

（6）系统控制器冗余设计：处理平台中的GPPM 均可作为系统控制器，系统包含主／从两类系统器。 当当前主系统控制器故障时，模块标识符比当前主控制器大1 的模块可升级为主系统控制器，其余模块认为是从系统控制器。 当数据处理单元故障时，网络交换单元GPPM 成为系统控制器。

2 处理平台软件设计

2.1 软件架构

处理平台软件架构包括目标机执行软件和软件开发支撑环境。 目标机执行软件运行在处理平台中，分为操作系统段、I／O 服务段、平台服务段、传输服务段、应用程序段。 软件开发支撑环境运行在PC 机端，提供软件开发辅助功能。

处理平台开发环境包括基本调试工具与综合支持工具两部分。 基本调试工具支持应用软件开发工作。 综合支持工具支持处理平台系统综合人员进行子系统软件的综合调试，包括系统配置数据工具、分析工具、网络配置工具。

处理平台采用基于以太网络的调试环境，用户通过该网络可调试任意模块上运行的程序，观察任一程序的输出结果。

2.2 操作系统

处理平台采用实时操作系统（OS），其结构如图2 所示，应用运行在应用分区中［4］，每个应用分区包含一个分区OS。 每个分区OS 管理自己的进程／线程、信号量、库以及内部的调度［5］。 分区OS 运行在用户态，它只能访问自己的内存堆，不能直接访问I／O 设备或者特权层的处理器资源，不能直接接收硬件中断或异常。

图2 操作系统结构示意图

2.3 平台服务段

平台服务段由系统管理、图形图像支持以及平台设备管理构成，提供与平台相关的系统服务。

处理平台系统管理负责处理平台从系统初始化、故障检测、故障定位、故障隔离、故障处理、系统重构直到系统关机的管理，共分为两级管理：处理平台系统级是处理平台内部的最高管理者，负责整个处理平台系统的管理，管理和控制每一个RE 级；资源元素级负责一个处理单元的管理，负责资源和应用任务的控制和管理。

图形图像支持采用开放图形库OpenGL 规范，提供图形／图像处理功能，直接调用图形图像驱动。

平台设备管理将系统平台中的具体设备抽象为相应的设备对象，为应用程序段中的航电应用提供相应的服务。

2.4 传输服务段

传输服务段负责向平台服务段、应用程序段中的各个软件提供数据传输服务，平台服务段和应用程序段中的软件必须使用传输服务段提供传输服务接口与这两个段中的其他软件进行通信。

2.5 应用程序段

应用程序段由各类应用程序构成，根据其用途可分为通用服务软件和航电应用软件。

3 结语

综上所述，多核实时并行处理平台承担新一代高性能飞机的综合化航空电子系统的系统综合管理等功能。 该平台由信号处理单元、图像处理单元、数据处理单元、网络交换单元以及数据管理单元组成。 数据处理单元提供高性能数据处理能力，完成任务系统数据处理和系统管理；网络交换单元实现余度交换，并在环控系统失效时，提供基本计算能力，完成导航计算等最基本的航电功能；图像处理单元完成服务器附加存储、电子光学瞄准系统以及逐次逼近式模拟数字转换器图像的处理，并通过接口驱动显示器和头盔；数据管理单元存储航电系统参数、故障信息，记录飞行视频，并支持在地面状态下的数据下载操作。