1、机载计算机发展现状与趋势机载计算机发展现状与趋势牛文生牛文生 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所机载计算机的特性机载计算机的特性定义：在机载环境下用于机载设备控制、计算功能的定义：在机载环境下用于机载设备控制、计算功能的专用计算机系统。如机载火力控制计算机系统、飞行专用计算机系统。如机载火力控制计算机系统、飞行控制计算机系统、机载雷达信号处理计算机、弹载飞控制计算机系统、机载雷达信号处理计算机、弹载飞行控制计算机等。行控制计算机等。ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所机载计算机的作用机载计算机的作用传感器物理量数字量计算机决策信息数模变换物理量数字量决策飞行员飞机
2、传感器、数据链信息.飞机控制、发射武器.机载计算机是航空电子的核心部件 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所机载计算机的主要构成机载计算机的主要构成模拟量离散量数字总线电源输入接口处理器输出接口模拟量离散量数字总线 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所机载计算机的物理组成机载计算机的物理组成 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所典型模块外观典型模块外观 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所机载计算机的主要特点机载计算机的主要特点特点：同
3、其他计算机相比，机载计算机具有实时性、可靠特点：同其他计算机相比，机载计算机具有实时性、可靠性和抗恶劣环境的突出特点。性和抗恶劣环境的突出特点。ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所实时性实时性q计算机在给定的时间里完成规定的计算任务的特性。计算机在给定的时间里完成规定的计算任务的特性。机载计算机属于强实时系统，在该类系统中如果实时机载计算机属于强实时系统，在该类系统中如果实时性不能满足将产生严重的后果，如丧失武器的最佳发性不能满足将产生严重的后果，如丧失武器的最佳发射时机，甚至影响飞行安全。射时机，甚至影响飞行安全。q实时性体现在计算机软硬件设计的各个方面，如操作实时性体现在计算
4、机软硬件设计的各个方面，如操作系统的最小响应时间，硬件中断响应最小时间，中断系统的最小响应时间，硬件中断响应最小时间，中断优先级的排列等等。优先级的排列等等。ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所q确定性原则：为了保证实时性，在目前的机载计算机确定性原则：为了保证实时性，在目前的机载计算机系统设计中一般遵循确定性设计原则，如所处理的任系统设计中一般遵循确定性设计原则，如所处理的任务的调度周期、资源分配等都是在地面试验中确定的务的调度周期、资源分配等都是在地面试验中确定的，在实时运行过程中不做动态调整以避免出现不可预，在实时运行过程中不做动态调整以避免出现不可预知的情况导致系统失控。
5、这一点和非实时的计算机系知的情况导致系统失控。这一点和非实时的计算机系统如统如Windows计算机有较大的区别。计算机有较大的区别。ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所可靠性可靠性机载计算机应用于军事、飞行等设计人身安全和国机载计算机应用于军事、飞行等设计人身安全和国家安全的领域，必须能够可靠地工作才能完成预定家安全的领域，必须能够可靠地工作才能完成预定的任务的任务可靠性的度量：可靠性的度量：MTBF，任务可靠度等任务可靠度等提高可靠性的基本手段提高可靠性的基本手段提高部件的可靠性：军用等级元器件，试验等提高部件的可靠性：军用等级元器件，试验等设计中的降额设计原则：如典型驱动器的
6、驱动能力在设计设计中的降额设计原则：如典型驱动器的驱动能力在设计中必须根据器件的带负载能力和负载的实际情况计算确定中必须根据器件的带负载能力和负载的实际情况计算确定负载个数，时序设计必须考虑最坏情况下的时间余量负载个数，时序设计必须考虑最坏情况下的时间余量系统结构上采用容错措施，如典型的飞控系统计算机采用系统结构上采用容错措施，如典型的飞控系统计算机采用四余度容错计算机四余度容错计算机 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所抗恶劣环境抗恶劣环境q主要环境应力主要环境应力气候环境：温度湿度气压沙尘气候环境：温度湿度气压沙尘电磁环境：电磁发射屏蔽电磁环境：电磁发射屏蔽机械应力：振动冲击
7、跌落机械应力：振动冲击跌落辐射环境：核爆炸宇宙射线辐射环境：核爆炸宇宙射线生物环境：盐雾霉菌腐蚀性气体等生物环境：盐雾霉菌腐蚀性气体等q抗恶劣环境设计是机载计算机设计的主要内容之一，抗恶劣环境设计是机载计算机设计的主要内容之一，涉及元器件选择、部件加工、逻辑设计等各个方面涉及元器件选择、部件加工、逻辑设计等各个方面 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所 年代年代特点特点-6060-7080-902000-代表机型代表机型/计划计划F-4 DAIS/F16 宝石柱宝石柱JIAWG/F22ARINC651/B-777宝石台宝石台JASTJSFASAAC系统结构系统结构分立式分立式计算
8、机计算机 联合式分联合式分布计算机布计算机“综合化、模块化综合化、模块化”分布分布计算机系统计算机系统 开放的、先进开放的、先进“综合化、模块综合化、模块化化”分布计算机系统分布计算机系统节点节点一般是小型单机一般是小型单机超级计算机超级计算机先进的超级计算机先进的超级计算机操作系统操作系统无无调度、监控调度、监控程序程序实时、容错、分布式操作系实时、容错、分布式操作系统统高安全的实时、容错、分布式操高安全的实时、容错、分布式操作系统作系统编程语言编程语言专用专用JOVIALAdaAda,C+Ada,C/C+Ada,C/C+Ada,C/C+传输总线传输总线点对点点对点1553B总总线线/1Mb
9、it七种连接，七种连接，50-400Mbit629/659，2MBit光纤统一网络光纤统一网络SCI/FC,1Gbit FC,2GbitFC/ATM,1-2Gbit模块化模块化4种模块标准种模块标准化、通用化化、通用化12种标准模块种标准模块，采用，采用MCM7类标准模块类标准模块12种种MCP,8种模块种模块6种模块种模块机载计算机的发展过程和特点机载计算机的发展过程和特点 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所飞控系统飞控系统武器外挂系统武器外挂系统机电系统机电系统航电系统航电系统任务计算机任务计算机显示控制计算机显示控制计算机数据传输设备计算机数据传输设备计算机雷达数字和信号
10、处理计算机雷达数字和信号处理计算机通讯导航识别系统计算机通讯导航识别系统计算机NAMPNAMP计算机计算机机载数据链计算机机载数据链计算机先进自保护系统计算机先进自保护系统计算机箔条投放系统计算机箔条投放系统计算机航图计算机航图计算机环控计算机环控计算机EPUEPU应急动力系统计算机应急动力系统计算机燃油测量计算机燃油测量计算机供电管理中心（供电管理中心（PCUPCU）控制控制计算机计算机刹车控制计算机刹车控制计算机电源变换器计算机电源变换器计算机飞控计算机飞控计算机自动驾驶仪计算机自动驾驶仪计算机近地告警计算机近地告警计算机火控计算机火控计算机瞄准吊舱计算机瞄准吊舱计算机激光照射吊舱计算机激
11、光照射吊舱计算机 武器接口单元计算机武器接口单元计算机空空导弹发控装置计算机空空导弹发控装置计算机尾炮控制计算机尾炮控制计算机对地攻击管理计算机对地攻击管理计算机发动机系统发动机系统发动机电调控制计算机发动机电调控制计算机机载计算机在飞机上的应用领域机载计算机在飞机上的应用领域 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所机载计算机的应用领域机载计算机的应用领域-任务系统任务系统 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所机载计算机的应用领域机载计算机的应用领域-机电系统机电系统 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机
12、专用计算机专用计算机专用计算机1553B总线总线1553B总线总线专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机1专用计算机专用计算机2专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机专用计算机三代机联合式航电系统中的机载计算机三代机联合式航电系统中的机载计算机管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件管理软件任务软件任务软件惯导软件惯导软件DTE
13、软件软件采集器软件采集器软件雷达雷达外挂外挂无源干扰无源干扰电子对抗电子对抗显控显控显控显控通讯导航识别通讯导航识别大气处理大气处理NAMP监控监控飞行控制飞行控制q独独立的立的子系子系统统q独独立的立的 计算计算机机q独独立的立的 控制控制和显和显示示 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所ASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000存在的问题Many custom embedded computer subsystemsSoftware bound to hardware-very limited re-usabilityMainte
14、nance Interval ShortUpdates are CostlyLarge Spares InventoryDFF-22F-22的航空电子系统结构的航空电子系统结构传感器区域传感器区域传感器数据分配网络传感器数据分配网络CIP1CIP2座舱座舱 C&D 人机接口人机接口 CIP3飞行器管理区飞行器管理区视视频频数数据据分分配配网网络络外挂子系统外挂子系统 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所 数字数字模拟模拟飞机系统飞机系统传传感感器器网网络络前视红外前视红外/红外跟踪红外跟踪与搜索跟踪与搜索跟踪 大容量存储器大容量存储器 控控 制制 显示器显示器 座舱指示器座舱指示
15、器 大气数据系统大气数据系统 电电 源源 系系 统统飞行控制系统飞行控制系统 惯性传感器惯性传感器视视频频网网络络 录音设备录音设备SWITCHEDNETWORKSPAR.&SERIAL BUSES导弹告警导弹告警 雷达雷达电子战电子战/电子支援电子支援测量测量 通讯、导航与识别通讯、导航与识别声传感器声传感器 显示器显示器 显示器显示器 显示器显示器孔径孔径光纤开光纤开关网络关网络传感器前端传感器前端 显示器显示器信号处理机信号处理机数据处理机数据处理机光纤开光纤开关网络关网络 模拟模拟 数字数字 数字数字/模拟模块模拟模块射射频频传传感感器器阵阵列列综合底板综合底板SWITCHEDNETW
16、ORKSPAR.&SERIAL BUSESJAST航空电子系统结构航空电子系统结构 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所F35航空电子系统结构航空电子系统结构 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所Modular Avionics Unit ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所ASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000Generic Modular ArchitectureDFASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000Generic Modular Archite
17、ctureDFASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000Generic Modular ArchitectureCNIDisplayRADARMission MgmtVehicle MgmtStores MgmtDFASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000PCMMMMDPMDPMDPMGPMNSMPCMDPMDPMPCMMMMDPMDPMDPMSPMNSMPCMDPMSPMPCMMMMDPMSPMSPMSPMNSMPCMDPMSPMASAAC 系统结构ASAAC PresentationNATO HQ
18、-Brussels-20/7/2000PCMMMMDPMDPMDPMGPMNSMPCMDPMDPMPCMMMMDPMDPMDPMSPMNSMPCMDPMSPMPCMMMMDPMSPMSPMSPMNSMPCMDPMSPM飞行器管理飞行器管理Vehicle Management任务管理任务管理Mission Management目标探测目标探测Target DetectionASAAC 系统结构ASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000PCMMMMDPMDPMDPMGPMNSMPCMDPMDPMPCMMMMDPMDPMDPMSPMNSMPCMDPMSP
19、MPCMMMMDPMSPMSPMSPMNSMPCMDPMSPMDPMASAAC System ArchitectureMission ManagementTarget DetectionASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000Processing UnitLinks to NetworkRouting UnitPower ModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceGeneric Common Functional Module Supporting fu
20、nctionality for the module Provides common functionsModuleSupport UnitJKASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000Processing UnitLinks to NetworkRouting UnitPower ModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceGeneric Common Functional ModuleData distribution between on module
21、 elementsJKASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000Processing UnitLinks to NetworkRouting UnitPower ModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceGeneric Common Functional ModuleTransformation from the standard backplane voltage to the module specific voltage.JKASAAC Presen
22、tationNATO HQ-Brussels-20/7/2000Processing UnitLinks to NetworkRouting UnitPower ModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceGeneric Common Functional ModuleCommunications interface to the off-module network.JKASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000Processing UnitLinks t
23、o NetworkRouting UnitPower ModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceGeneric Common Functional ModuleSpecific processing functionality of a particular module type,DPs,SPs,GPs.JKASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000DPRouting UnitModuleSupport UnitNetwork Interface Uni
24、tPSUModule Physical InterfaceASAAC Module TypesSPRouting UnitModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceGPRouting UnitModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceMMMRouting UnitModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfacePCMRou
25、ting UnitModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceNSMRouting UnitModuleSupport UnitNetwork Interface UnitPSUModule Physical InterfaceJKASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7/2000 Common Functional Module ConceptJKF35 综合核心处理机的性能指标综合核心处理机的性能指标q它占两个架子一个它占两个架子一个23插槽，一个插槽，一个 8
26、 个插槽，初期能力是以前任务与武器计个插槽，初期能力是以前任务与武器计算机和专用信号处理器管理的任务：算机和专用信号处理器管理的任务：数据处理：数据处理：40.8 GOPS 它使用它使用G4，128位位Altivec技术；技术；图形处理信号处理：图形处理信号处理：75.6 GFLOPS图形处理：图形处理：225.6 GMACS（G乘累加操作）用乘累加操作）用FPGA和和VHDL写的专用写的专用图形引擎；图形引擎；q设计有设计有7种种22模块：模块：4xGP,2xGPIO,2xSP,5xSPIO,2xIP,2xSwitch,5xPower ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所操作系
27、统发展历程操作系统发展历程应用软件应用软件专用计算机专用计算机没有操作系统没有操作系统F4专用计算机模块专用计算机模块管理软件管理软件子系统应用软件子系统应用软件操作系统的雏形操作系统的雏形管理软件管理软件F16公用计算机模块公用计算机模块专用操作系统专用操作系统飞机应用软件飞机应用软件专用操作系统专用操作系统F22公用计算机模块公用计算机模块标准操作系统标准操作系统飞机应用软件飞机应用软件标准操作系统标准操作系统ARINC653接接口口DO-178B验证验证F35 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所ASAAC PresentationNATO HQ-Brussels-20/7
28、/2000Module Support LayerOperating SystemAPOSMOSGeneric System ManagementSoftware ArchitectureFunctional ApplicationsFunctional ApplicationsFunctional ApplicationsSystem ManagementApplication ManagementHealth MonitorFault ManagerConfig ManagerSecurity ManagerJK虚拟分区管理虚拟分区管理任务操作任务操作系统系统（TOSTOS）应用任务应用任
29、务任务操作任务操作系统系统（TOSTOS）应用任务应用任务任务操作任务操作系统系统（TOSTOS）应用任务应用任务任务操作任务操作系统系统（TOSTOS）通用系统通用系统管理管理分区操作系统（分区操作系统（POS）分区分区1分区分区2分区分区3系统分区系统分区系系统统态态ACoreOS653操作系操作系统统系统划分层次图系统共享库系统共享库用用户户态态 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所机载软件开发工具机载软件开发工具-SAE AS5506标准标准 MetaH 工具 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所提出的挑战
30、提出的挑战北约的观点：北约的观点：qWorlds most complex real-time systems（指航电系统）（指航电系统）qSevere Operational EnvironmentTemperature Range,Vibration,Humidity etc.Contaminants-Fuel,Oil etc.Electromagnetic CompatibilityqAircraft Lifetime Getting Longer:40+yearsqComponent Lifetime Getting Shorter:3 years?qSemiconductors:Mi
31、litary Market Less Than 1%qSystems Obsolete During Developmentq“Lifetime Buy”Unsatisfactory SolutionqAircraft Infrastructure,e.g.Wiringq150 Flying hours/30 days without maintenanceq95%availability ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所提出的挑战提出的挑战q高性能核心处理机设计技术高性能核心处理机设计技术开放式系统结构开放式系统结构高性能基于交换结构的统一网络高性能基于交换结构的统一网络分布式系统的系统管理技术（资源分配、健康监控、重构等）分布式系统的系统管理技术（资源分配、健康监控、重构等）q高性能模块设计和制造技术高性能模块设计和制造技术系统结构的定义系统结构的定义IC/SOC/MCM的设计与制造的设计与制造液体冷却技术液体冷却技术q分布式实时操作系统技术分布式实时操作系统技术q大型实时软件设计、管理技术及其开发环境技术大型实时软件设计、管理技术及其开发环境技术 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所谢谢谢谢 ACTRI-中国航空工业第一集团公司第六三一研究所
