[转帖]机载实时、容错、分布式计算机系统结构技术

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　　英文名称：Airborne Real-time、Fault- tolerance、Distributed Computer System Architecture Technology

　　相关技术：航空电子综合技术;机载核心处理技术;机载数据传输技术;高性能计算技术;微电子技术

　　分类：机载设备;航空电子综合;

　　定义与概念：机载计算机系统的实时性是适应军用飞机对航空电子系统快速响应性能的要求，它指机载计算机对输入的响应速度足以对下一个输入作出反应，或者对外部数据的处理满足外界过程对它的时间要求。

　　机载计算机系统的容错性是指计算机具有发现并纠正软/硬件错误，使其能够可*地连续操作的技术，它包含三方面的功能：第一是约束故障，限制过程或进程的动作，以防止错误在被检测出来之前继续扩大;第二是检测故障，对信息和对过程或进程动作进行动态检测;第三是故障恢复，更换或修正失效的部件。

　　机载计算机系统分布性即一种具有分散计算特征的由多台处理机共享存储器的计算机系统，其在功能上具有数据并行处理和计算机内部操作同时性的特征，其中每台计算机都有自己的局部存储器，系统中的每一台处理机或计算机均完成指定的功能，它们可以分别处理同一程序的各子程序，也可分别处理一个程序的各个阶段，它们在逻辑上、物理上都连接在一起，实现彼此间通信和资源共享，并有统一的操作系统。

　　机载实时、容错、分布式计算机系统是航空电子综合化的基础，其主要研究内容包括分布式计算机系统体系结构、高速光纤数据传输总线、模块化设计以及支持软和硬件容错的软件和电路设计，它的主要特点为：通用模块，高速光纤数据传输总线，Ada语言，多层次、多种类的容错机制，二级维护概念，高效的冷却技术，数据融合和人工智能的设计和实现。

　　国外概况：机载计算机体系结构的发展是与航空电子系统的发展密切相关的，航空电子系统的发展对机载计算机的体系结构提出了新的要求，而计算机和微电子技术的发展又为航空电子系统的更新换代提供了坚实的基础。

　　随着航空电子系统的发展，机载计算机体系结构经历了四代的变革。第一代是分立式结构。这是60年代以前普遍采用的系统结构形式，每个系统均有各自的传感器、执行机构和专用模拟计算机，完成特定的功能。其典型飞机是F-4战斗机。这种系统结构专用性很强,任何改进或任务的变更,均需通过硬件更改来实现，缺乏灵活性，此外，由于采用模拟信号传输，难以实现子系统间的大量信息交换。第二代是集中式结构。60年代初，由于数字计算机的迅速发展，在航空中也开始得到应用。这种结构是将相关联的各子系统功能由一台集中的数字计算机进行处理,有关传感器信号经模/数转换后与中央处理机交联，计算结果经数/模转换后控制各执行机构。其典型代表是美国的 A-7E，F-111，瑞典的Saab-37和英国的"鹞"式飞机。70 年代初，由于微型计算机的出现和数据通讯技术的发展，美国空军适时提出了数字式航空电子信息系统(DAIS)计划，导致了第三代集中分布式体系结构的产生。这种结构通常由一台(或两台)性能较强的中央处理机与若干台各子系统专用的处理机构成，中央处理机主要完成与飞机作战有关的任务，并对数据多路传输总线进行控制，对各子系统进行管理和调度，而各子系统专用的处理机则完成各子系统有关的信号处理和数据处理任务,由于数据多路传输总线的使用,在减轻了导线重量的情况下大大提高了子系统之间的信息交换能力。目前正在服役的F-15、F-16和F-18均采用了这种体系结构。80年代中期，在DAIS设计思想的基础上，结合80年代出现的新技术 (超高速集成电路、高速光纤总线技术等),美国空军适时提出了"宝石柱"计划，全面开展了第四代战斗机航空电子系统研究工作。其相应的计算机体系结构为分布式结构(也有文章称光纤局域网)。该分布式计算机系统以超高速集成电路和通用模块为基础; 采用高速光纤总线技术以进一步提高数据通讯能力，适应数据交换的需要;通过多层次的容错和重构能力提高了整个系统的工作可*性;加强了对故障部件的检测和诊断能力，使原先的三级维护概念更新为二级维护。该分布式系统是由多个构形完全相同或相近的计算机簇(Cluster)组成，这些计算机簇通过高速光纤总线连接，并通过另一条高速光纤总线从系统海量存贮器动态加载程序和数据，每个计算机簇本身是一个采用消息传输机制的多处理机系统。该计划的典型产物是F-22和RAH-66。90年代初,美国空军在"宝石柱"计划的基础上又进一步提出了"宝石台"计划，向人们展示了21世纪初航空电子综合系统结构的概貌。它主要从二个方面对"宝石柱"计划进行改进,一是使通讯、导航和识别(CNI)、雷达和电子战等系统进一步高度综合,从而在功能和性能方面有了一个新的飞跃;另一方面是综合核心处理机(ICP)的使用，这包括二个方面：一是用光子交换网络 (PDN--高速无阻塞点对点光纤传输网络)替代原先的分时复用的高速光纤数据网络,另一方面是将"宝石柱"计划中的计算机簇取消,簇中各处理机直接与光子交换网络相联。这带来二个方面的好处：一是不再需要分配一个大的、连续的空间给计算机簇，使飞机设计更灵活;二是由于物理上的更有效的分布，使之具有更好的抗毁性。"宝石台"计划的其它重要方面还有人工智能(专家系统和神经网络)的采用、多芯片模块(MCM)的普遍应用以及模块的进一步通用化("宝石台"计划的ICP由12种MCM组成的8种SEM-E型模块构成)。

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　　数据传输总线是机载计算机系统中的关键技术之一，随着计算机体系结构的演变，总线技术也发生了深刻的变革。最初在航空中得到应用的总线是ARINC 429，这是一种单向数据总线，最多可与20个接收终端相连接，数据传输速率最高为100Kb/S，目前已在波音757、767、A310、A320等大型客机上被采用。1973年，美国公布了军用标准MIL-STD-1553B总线,这是一种双余度的双向总线，最多可连接31个接收终端，数据传输速率最高为1Mb/S，使用双相曼彻斯特编码格式。这种总线不崐仅被应用于空军，而且也被应用于海军、航天等领域，它不仅得到美国认可，在F-16、F-18、B-1和AV-8B等多种飞机上得到应用，而且在欧洲等国也被广泛采用。与此同时,波音公司花费5年多的时间研制了一种与MIL-STD-1553B总线相当的总线，当时该总线被称之为数字式自主终端存取通信(DATAC),目前被确定为ARINC 629标准总线。它最多可连接120个终端,数据传输速率最高为2Mb/S，使用双相曼彻斯特编码格式,采用的通讯协议为带有冲突回避的载波检测多路存取 (CSMA/CD)的工作协议。美空军从80年代初开始，在SAE 4074.1和SAE 4074.2总线标准的基础上，公布了高速光纤总线标准，称之为J88-N2,其数据传输速率为50Mb/S，分为高速线性总线和高速环型总线两大类，采用令牌方式工作协议。该总线目前已在F-22飞机上应用。与此同时，象波音777飞机，采用了光纤分布式数据接口(FDDI)的光纤数据传输总线。从90年代初开始，以麦道飞机公司为首的一些公司，开始了在21世纪初军用飞机航空电子系统中采用新一代高速光纤总线的研制工作。该总线应能支持多种数据传输速率(能同时适应传感器、视频和数据通讯),同一时刻能提供多个数据传输通路，不依赖于任何通讯协议,网络必须能提供通讯双方之间之直接通路,且应该是容错的。根据目前有关资料表明: 未来综合化射频部分与数据处理部分的传输速率为 7Gb/S,综合化光电部分与数据处理部分的传输速率为 2Gb/S,座舱显示与数据处理部分的传输速率为2Gb/S，数据处理部分本身的传输速率为1Gb/S。

　　国外从第三代飞机就已开始模块化的初步工作，并在标准化的基础上，DAIS计划的最终成果是形成了MIL-STD-1750A、1553B、1589C、1760A等军用标准，其机载计算机核心模块在一个型号飞机内部也实现了通用化。在研制第四代飞机时，从一开始就特别强调了标准化、通用化和模块化。在标准化方面，规定了i80960和R3000为标准计算机体系结构;J88-N2、PI和TM为标准总线;Ada为标准编程语言;SEM-E型尺寸为标准电子模块尺寸。在通用化、模块化方面，明确提出了23种通用电子模块(F-22飞机上的CIP最后又统一为 12种)。与第三代航空电子相比较，第四代航空电子在通用化、标准化、模块化方面有以下几个特点: ①从一开始就着手抓这方面的工作。②通用电子模块的范围有了较大的扩充(从计算机核心模块扩充到接口模块，从数字模块扩充到模拟模块等)。③不是仅仅着眼于一个型号飞机内的通用问题，而且考虑"跨越"飞机的通用问题(如"宝石柱"计划提出的通用电子模块针对ATF(先进战术战斗机)、ATA(先进战术攻击机)和LHX(先进直升机试验机)三种飞机)。

　　由上可见，第四代机载航空电子系统与第三代系统的主要区别之一是功能的高度综合，而这高度综合是通过信息和资源的高度共享实现的。第四代战斗机航空电子系统中的机载计算机几乎已不存在为某个子系统所专有的情况,而是作为整个航空电子系统共有的资源，机载计算机不再是满足某个子系统的规范要求，而是在航空电子系统总体设计时就将其作为一个重要的方面进行综合考虑。正因为如此,美国空军制订的"宝石柱" 航空电子综合系统不仅在任务效能方面获得惊人的改善,而且提高了系统的容错性、通用性和可*性，简化了维修工作，减少了全寿命周期的费用。

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　　1990年美国空军怀特研究与发展中心就完成了综合通信、导航和识别航空电子系统的研究工作，此外，利尔航空电子公司、诺斯罗普公司、霍尼韦尔公司、得克萨斯仪表公司和洛克希得桑得斯公司也相继进行了先进航空电子结构的研制工作。除美国之外，欧洲主要国家也在注重提高机载计算机性能的同时，一直加紧进行机载实时、容错、分布式计算机系统结构的研究工作。1985年北大西洋公约组织就在已广泛应用的STANAG 3838(对应MIL-STD-1553B)标准基础上，提出了高速数据总线协议标准STANAG 3910，并最终实现STANAG 3939标准，英国GEC-马克尼公司研制成采用非相似余度设计的"免维修电传操作系统"，法国萨克斯坦特公司、汤姆逊-CSF公司、瑞典埃利克森公司等的研究也已达到国际先进水平。这些标准和规范的制订，大大促进了航空电子系统研制工作的标准化、通用化和模块化，降低了整个寿命期的费用，加速了研制周期,提高了系统的可*性和可维护性。

　　国外机载计算机在第一代和第二代航空电子系统中均为专用计算机;从第三代航空电子系统开始，开始采用微型计算机，强调了标准化、通用化、模块化，最终形成了以 MIL-STD-1750A为主流机型的机载计算机;针对第四代航空电子系统对处理能力需求增长的要求和RISC计算机的出现，美国空军综合航空电子联合工作组(JIAWG)又提出将英特尔公司i80960和MIPS公司R3000 作为第四代航空电子系统的标准计算机;最近，有资料表明，美国空军已将DEC公司的Alpha高性能微处理器芯片用于机载应用。

　　关键技术：研究实时、容错、分布式机载计算机系统，需要掌握分布式机载计算机系统体系结构、高速光纤数据传输总线、通用电子模块技术以及支持软/硬件容错电路设计技术等多项关键技术，其中分布式计算机系统体系结构技术包括系统拓扑结构和通信协议的选择，高速光纤总线技术包括总线耦合器设计、节点结构设计、光纤材料技术、光检测器设计和多处理机母板总线技术，通用电子模块技术包括高效冷却技术、抗电磁干扰技术、抗震、防冲技术、组装技术和可测试性设计技术。

　　应用与影响：21世纪军用飞机对航空电子系统的功能和性能都提出了极高的要求, 要求飞机及其武器控制系统实现高度的综合化和自动化, 使驾驶员能集中精力作出高层次的管理决定, 从而提高空战的效率和生存率。航空电子通过综合, 能最佳和最充分地利用各子系统的信息资源, 最有效地完成所赋予系统的任务。

　　航空电子综合化的基础是实时、容错、分布式的计算机系统，设计先进的机载计算机系统结构不仅会使整个航空电子系统的任务效能获得惊人的改善，而且能使飞机整机的任务效能大大提高。

　　纵观近30年来高性能作战飞机的发展道路，飞机对航空电子设备的依赖性越来越大;21世纪的航空电子系统必将向着数字化、通用化、综合化、标准化和智能化的方向发展;机载计算机作为衡量航空电子系统功能和性能的重要标志，其日趋成熟和发展必将促进和推动航空电子技术发展，提高现代战斗机飞行和作战性能;现代数字技术、微电子技术、计算机技术和人工智能技术等方面的突破性进展，必将促使航空电子领域经历一场划时代革命，从而最终加快现代飞机向前发展的步伐。

　　参考资料：1、诸葛卉，《现代军用航空电子系统中机载计算机技术水平分析及其发展展望》，中国航空信息中心，1999。

　　2、霍曼，《模块化航空电子综合系统结构及其在改装现役军机航空电子系统中的应用》，航空工业出版社，1997.6。

　　3、王道荫等，《迈向21世纪的航空科学技术》，航空工业出版社，1999。

　　作者：诸葛卉