一種并行存儲(chǔ)器系統(tǒng)的fpga實(shí)現(xiàn)

　 摘 要： 介紹一種可在現(xiàn)代小衛(wèi)星上應(yīng)用的高（低）位交叉并行存儲(chǔ)系統(tǒng)，并給出了該存儲(chǔ)系統(tǒng)控制器的fpga實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的應(yīng)用將極大地增強(qiáng)星上計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信和圖象處理的能力，并提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞： 現(xiàn)代小衛(wèi)星 星載計(jì)算機(jī) 并行存儲(chǔ)系統(tǒng) fpga 硬件描述語言

現(xiàn)代小衛(wèi)星，通常指80年代以后發(fā)展起來的小衛(wèi)星。它建立在微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)（包括軟件）、微型光學(xué)和機(jī)械、輕型復(fù)合材料及高精機(jī)械加工的基礎(chǔ)上，是航天高技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。雖然現(xiàn)代小衛(wèi)星的體積和重量很小，成本和風(fēng)險(xiǎn)都很低，但由于選用了高新技術(shù)，整個(gè)小衛(wèi)星的容量和性能，即小衛(wèi)星的功能密度是很高的。而且小衛(wèi)星組成星座可拓寬全新的應(yīng)用領(lǐng)域，能滿足通訊、遙感、對(duì)地觀測(cè)、科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)及軍事等各方面的需求。因此，現(xiàn)代小衛(wèi)星已作為大衛(wèi)星的必要補(bǔ)充在上述領(lǐng)域顯示出特有的優(yōu)勢(shì)，引起了世界各國(guó)，包括許多發(fā)展中國(guó)家和尚無衛(wèi)星研制能力的中小國(guó)家的普遍重視。

然而，近地空間和大氣環(huán)境影響著空間系統(tǒng)的規(guī)模、質(zhì)量、復(fù)雜性、可應(yīng)用的高科技技術(shù)和成本，強(qiáng)烈地影響空間系統(tǒng)的運(yùn)行性能和工作壽命。一些空間環(huán)境的相互影響也限制了空間系統(tǒng)技術(shù)潛力的發(fā)揮，使部件或分系統(tǒng)工作不正常，甚至損壞。等離子環(huán)境，特別是處于對(duì)地靜止軌道的等離子環(huán)境，能使裝在衛(wèi)星外表面的設(shè)備和部件不均勻帶電，這些表面電荷產(chǎn)生的電壓可能超過擊穿電壓，從而導(dǎo)致靜電放電，足以毀壞電子元器件。許多高能空間輻射甚至深入到絕緣器件內(nèi)部，在絕緣電纜和線路板中產(chǎn)生靜電放電。這種體電荷能干擾分系統(tǒng)信號(hào)或中斷電子器件的正常工作。輻射帶中的俘獲粒子、太陽耀斑質(zhì)子和銀河宇宙射線能在微電子器件中誘發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)事件。這種高能輻射的總劑量效應(yīng)降低了微電子器件、太陽電池陣和敏感器件的性能。因此，為保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和壽命，很多地方都必須選用宇航級(jí)的器件和進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。

單就星載計(jì)算機(jī)而言，到目前為止，高集成密度、高性能的cpu和內(nèi)存還沒有相應(yīng)的宇航級(jí)器件，在星上用的最多的還是8086和1750a等核加固的、抗輻射的、低帶寬、低mips的cpu，靠單片cpu很難滿足現(xiàn)代和未來小衛(wèi)星星上自主管理、自主定規(guī)、對(duì)地觀測(cè)圖象的壓縮和傳輸、硬件功能軟件化等諸多要求；而且單片cpu一旦損壞，將導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星失效，又由于其價(jià)格極其昂貴，采用冗余的方案勢(shì)必大大提高小衛(wèi)星的成本。而在采用多cpu并行處理技術(shù)后，不僅可以滿足星上計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的要求，而且增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。一到兩片cpu的損壞不致引起整個(gè)衛(wèi)星的失效，至多在系統(tǒng)重配置后損失一些性能，甚至可以在保證一定可靠性的前提下，考慮采用軍用級(jí)的、價(jià)格相對(duì)便宜，密度和性能都較高的cpu。

圍繞小衛(wèi)星體積小、重量輕和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，一個(gè)多cpu共享內(nèi)存的系統(tǒng)（cpu仍然采用有相應(yīng)宇航級(jí)器件的8086）將是比較合適的選擇。同時(shí)為了提高共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)通信帶寬，使其不成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸，本文提出了一個(gè)用asic設(shè)計(jì)一個(gè)共享總線開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱sbsn，下同），組合成omega網(wǎng)絡(luò)的方案，以消除對(duì)某一組內(nèi)存的總線競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)多cpu對(duì)共享分組存儲(chǔ)系統(tǒng)的低位交叉并行訪問。

１ sbsn實(shí)現(xiàn)的omega網(wǎng)絡(luò)

sbsn是一個(gè)2×2的開關(guān)，可以級(jí)聯(lián)使用以實(shí)現(xiàn)個(gè)cpu和個(gè)內(nèi)存組的連接，這樣的連接共有n級(jí)，從輸入到輸出依次編為0～n－1，通過對(duì)二進(jìn)制目的內(nèi)存組的編碼來控制數(shù)據(jù)路徑：從高位開始的第i位為0時(shí)，第i級(jí)的2×2開關(guān)的輸入端與上輸出端連接，否則輸入端與下輸出端連接（參見圖1）。

從理論上說，采用sbsn，n（=，k為正整數(shù)）個(gè)cpu一次訪問通過