摘 要： 介紹一種可在現代小衛星上應用的高(低)位交叉并行存儲系統，并給出了該存儲系統控制器的FPGA實現。該系統的應用將極大地增強星上計算機的數據通信和圖象處理的能力，并提高整個系統的可靠性。
關鍵詞： 現代小衛星 星載計算機 并行存儲系統 FPGA 硬件描述語言
現代小衛星，通常指80年代以后發展起來的小衛星。它建立在微電子技術，計算機(包括軟件)、微型光學和機械、輕型復合材料及高精機械加工的基礎上，是航天高技術發展的產物。雖然現代小衛星的體積和重量很小，成本和風險都很低，但由于選用了高新技術，整個小衛星的容量和性能，即小衛星的功能密度是很高的。而且小衛星組成星座可拓寬全新的應用領域，能滿足通訊、遙感、對地觀測、科學技術試驗及軍事等各方面的需求。因此，現代小衛星已作為大衛星的必要補充在上述領域顯示出特有的優勢，引起了世界各國，包括許多發展中國家和尚無衛星研制能力的中小國家的普遍重視。
然而，近地空間和大氣環境影響著空間系統的規模、質量、復雜性、可應用的高科技技術和成本，強烈地影響空間系統的運行性能和工作壽命。一些空間環境的相互影響也限制了空間系統技術潛力的發揮，使部件或分系統工作不正常，甚至損壞。等離子環境，特別是處于對地靜止軌道的等離子環境，能使裝在衛星外表面的設備和部件不均勻帶電，這些表面電荷產生的電壓可能超過擊穿電壓，從而導致靜電放電，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部，在絕緣電纜和線路板中產生靜電放電。這種體電荷能干擾分系統信號或中斷電子器件的正常工作。輻射帶中的俘獲粒子、太陽耀斑質子和銀河宇宙射線能在微電子器件中誘發單粒子翻轉事件。這種高能輻射的總劑量效應降低了微電子器件、太陽電池陣和敏感器件的性能。因此，為保證整個系統的正常運轉和壽命，很多地方都必須選用宇航級的器件和進行冗余設計。
單就星載計算機而言，到目前為止，高集成密度、高性能的CPU和內存還沒有相應的宇航級器件，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很難滿足現代和未來小衛星星上自主管理、自主定規、對地觀測圖象的壓縮和傳輸、硬件功能軟件化等諸多要求；而且單片CPU一旦損壞，將導致整個衛星失效，又由于其價格極其昂貴，采用冗余的方案勢必大大提高小衛星的成本。而在采用多CPU并行處理技術后，不僅可以滿足星上計算機數據處理能力的要求，而且增加了整個系統的可靠性。一到兩片CPU的損壞不致引起整個衛星的失效，至多在系統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，考慮采用軍用級的、價格相對便宜，密度和性能都較高的CPU。
圍繞小衛星體積小、重量輕和價格低廉的特點，一個多CPU共享內存的系統(CPU仍然采用有相應宇航級器件的8086)將是比較合適的選擇。同時為了提高共享內存的數據通信帶寬，使其不成為整個系統的瓶頸，本文提出了一個用ASIC設計一個共享總線開關網絡(簡稱SBSN，下同)，組合成Omega網絡的方案，以消除對某一組內存的總線競爭，實現多CPU對共享分組存儲系統的低位交叉并行訪問。
1 SBSN實現的Omega網絡
SBSN是一個2×2的開關，可以級聯使用以實現2n個CPU和2n個內存組的連接，這樣的連接共有N級，從輸入到輸出依次編為0～N－1，通過對二進制目的內存組的編碼來控制數據路徑：從高位開始的第I位為0時，第I級的2×2開關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(＝2k，k為正整數)個CPU一次訪問通過只能占10.16%，所有其它的置換將引起阻塞。但盡管如此，N個CPU的Omega網絡實現非阻塞連接最多需要通過的次數為log2N＝k，從總體上講，Omega網絡的采用能增加內存總線的帶寬，大大提高總線數據的吞吐能力。
2 SBSN的設計與實現
作為共享總線開關網絡，SBSN主要是解決總線之間的共享競爭與沖突死鎖，將來自多個CPU的內存讀寫信號分配到相應的內存模塊組。其內部結構框圖如圖2所示。
為了描述CPU間的共享與競爭，我們把CPU對內存組的訪問分為HOLD，READY，RUN這三種關系。當一個CPU進入總線讀寫之后，SBSN在總線周期的前兩個時鐘將CPU發送到總線上的數據進行鎖存：如果數據通路已被占用，當前CPU就會進入HOLD狀態，直到數據通路釋放。也就是說，如果有兩個或兩個以上的CPU要求同時對同一內存組進行訪問的話，則只能有一個CPU獲得訪問權，其它的必須等待該CPU總線讀寫周期的結束，在此之后，處于HOLD狀態的優先級最高的CPU才會被釋放；如果通路暢通，SBSN經過一個短暫的READY狀態后，在輸出端口仿真出CPU總線周期前兩個時鐘的時序信號，向下一級傳遞。在理想情況下，8個CPU可以同時對內存進行訪問，即8個CPU都處在RUN狀態。
因為系統在運行過程中，總是由CPU主動向內存發出讀或寫的請求，并不存在一個環狀閉合的數據通路，所以不會有沖突死鎖的情況出現。
SBSN可以支持高位交叉和低位交叉這兩種對存儲系統的訪問方式：對20位地址總線來說，如果采取低位交叉尋址方式，那么系統目標模塊的編碼由地址總線的A2，A1給出，A0和BHE信號用來對低8位和高8位尋址；如果采取高位交叉尋址方式，那么系統目標模塊的編碼由地址總線的高四位決定，具體采用哪兩位，則取決于內存的編址。低位交叉主要用于對共享內存的并行訪問，高位交叉則主要用于一CPU對另一CPU的局部內存(雙口)進行訪問。
采用硬件描述語言(HDL)的輸入方法進行SBSN的設計，雖然有可能會犧牲一些FPGA資源，但方便了在不同廠家的FPGA上進行邏輯綜合和實現的過程。因為宇航級的FPGA在XILINX和ACTEL都有生產，但兩者實現的機理不同：XILINX的FPGA是SRAM型的，因此使用時還必須配備相應的SROM以實現對FPGA片子的加電下載，但它可以進行多次刷新和修改，便于在設計階段進行調試；ACTEL的宇航級FPGA采用的熔斷絲技術，只能一次編程下傳，實際應用時不需任何輔助器件，但缺點是設計的每一次修改都必須換用新的FPGA片子。對于原理樣機階段而言，主要著眼于功能和時序的實現，因此本文采用XILINX公司的商業級FPGA(XCS20－4PQ208C)進行設計與調試。XCS20－4PQ208C屬于SPARTAN系列，是XILINX公司新近推出的產品。與4000系列相比，SPARTAN中去掉了許多不常用的資源，在價格上可以便宜很多，對于SBSN來講，最重要的是滿足其多達140個用戶的I/O，因此采用XCS20－4PQ208C是融合了性能、容量和價格的一個綜合選擇。
對于其它將來可能在星上采用的高性能CPU，例如80386，由于其32位地址總線和32位數據總線是分開的，做在同一塊FPGA內部將會面臨I/O數不足的問題。因此必須將地址總線、數據總線、控制總線分在兩塊相互耦合的片子上實現，但其實現原理與SBSN是完全相同的。
SBSN是我們在提高星上計算機處理能力方面一個有益的嘗試。如果能以一個相對簡單、便宜而又高可靠性的系統，達到3～4倍的加速比因子，那么，對小衛星事業來說，將是一件很有意義的事情。
參考文獻
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