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    軍用加固計算機的發展動向及其技術要求

    2008-01-18

    1、前言

    根據應用對象的不同,目前的軍用加固計算機一般可分為軍用嵌入式計算機和軍用通用加固計算機兩大類。嵌入式計算機主要是指各種彈載計算機和現場控制計算機,這類計算機一般都沒有人機接口界面,或只具備一些簡單的人機數據交換功能,它們主要是利用預置的程序(軟件)對外部輸入信息進行計算加工(控制方程解算、能源管理等)生成對外部各種執行機構的控制信號;軍用通用加固計算機則是大量應用于導彈測發控系統的加固計算機,他們一般都具有完善的人機界面,不僅能夠接收來自導彈與其他發射控制裝置的信息,并根據這些信息生成控制輸出,還可由人工輸入大量的復雜的測試、發射控制命令與數據信息,并將導彈及發射裝置的狀態數據以多種形式顯示存儲。

    近十年來,隨著集成電路、信息工業的飛速發展和武器裝備的不斷進步,軍用加固計算機也取得了很大的發展,最突出的發展就是軍用加固計算機已經開始由過去的專用型向通用型、系列型過渡。

    2、軍用嵌入式計算機正在向小型化集成化與國產化方向發展

    2.1軍用嵌入式計算機正在實現小型化和集成化

    由于集成電路工藝水平的提高,集成更多的功能的SoC芯片與超大規模現場可編程邏輯器件(CPLD、FPGA)已成為設計制造軍用嵌入式計算機的主流芯片。這使得軍用嵌入式計算機需要使用的電子元器件數量可以得到極大的減少,從而使計算機的體積重量都大幅度的減少,典型的彈載嵌入式計算機的體積已經可以縮小到十年前的1/10以下。同時,軍用高密度電子組裝工藝正在走向成熟,混合集成電路工藝也已開始在軍用嵌入 式計算機研制中應用,這些都使得軍用嵌入式計算機可以在更小的空間里安裝更多的電子元器件,從而使體積更小,重量更輕,功能更加強大。

    在小型的同時,由于主要的集成電路芯片正在向SoC過渡,芯片集成的功能越來越多,體積上的裕量也使得單個計算機可以集成更多的功能模塊,因此上,軍用嵌入式計算機必然會也正在實現系統功能的集成化,采用機箱內的分布處理結構將更多的傳統計算機以外的功能模塊集成到一起,在一個計算機機箱內實現包括GPS、紅外制導等在內的所有導航與制導解算。

    嵌入式計算機的小型化與功能集成化對提高導彈武器的射擊精度、機動性等性能指標有著重要的作用。

    2.2軍用嵌入式計算機逐步進入全國產化時代

    近二十年來,我國軍事工業取得的成就是有目共睹的,軍用嵌入式計算機有這中間起著至關重要(W)的作用,是現代導彈武器系統最基礎的核心組成部分。但由于關鍵芯片受到國外的制約,軍用嵌入式計算機的研究發展并不是非常理想。近年來,在多方面的共同努力下,我國軍作集成電路產業取得了長足的進步,軍用加固計算機需要的一些核心芯片(包括高性能DSP、CPU、A/D、D/A等)已在國內陸續研制成功,這為軍用嵌入式計算機進行國產化打下了一定的基礎。

    盡管目前已國產化的軍用集成電路絕大多數是版圖級的仿制產品,且多是國外淘汰產品,也沒有形成完整的體系,還不能完全正確滿足軍用嵌入式計算機今后發展的要求。但是,我們必須看到,在這個國產化的大潮中涌現出來的諸如龍芯Ⅱ、SPARC V8等具有自主知識產權的高性能CPU及其他集成電路產品,它們表明我們國家已初步具備了完成軍用嵌入式計算機核心部件國產化的研制能力,假以時日,我們的軍用嵌入式計算機一定會全面進入國產化時代。

    2.3分布式處理與數字一體化是技術發展的必然趨勢

    隨著導彈武器系統中嵌入式計算機的廣泛應用和小型化技術的成熟,在各種執行機構及數據采集獲取裝置中嵌入式計算機智能處理與數字化已成為可能。當高速可靠互連總線不再成為障礙時,在武器系統中采用分布式處理結構,將嵌入式計算機與控制機構進行一體化設計將是導彈武器發展的重要趨勢。這樣,將可以傳統的導彈武器中大量傳送的模擬電信號轉化為經過預處理的具有很強糾錯能力的數字信號通過簡單可靠的總線進行傳送,從而大大提高導彈武器中電子系統的抗干擾能力,最終提高武器系統的可靠性

    2.4通用性與可配置性武器系統快速研制的必然要求

    現代武器系統的發展之迅速是以往任何時代都不可比擬的。為了加快武器系統的研制過程,降低研制成本,就要求最好能夠利用成熟的原型機器通過適當的配置形成滿足武器系統應用要求的嵌入式計算機,以便從武器系統研制最初期就可以在最終的機器上進行,減少因嵌入式計算機反復設計造成的周期延誤,從而達到加快研制過程,降低研制成本的目標。

    軍用嵌入式計算機在實現小型化以后,可以完成更多的功能,同時分布式處理的系統結構又可以使得嵌入式計算機更加模塊化和功能相對完整化。這些都為軍用嵌入式計算機走向標準化、通用化提供了重要的技術保證。小型化與功能集成化技術使得嵌入式計算機可以實現更多的通用功能,結合超大規模可編程邏輯器件的應用,未來的軍用嵌入式計算機將具有很強的可配置能力,使得軍用嵌入式計算機可以實現柔性(通用可配置)制造。

    2.5軍用嵌入式計算機技術要求的變化

    由于技術上的進步,與過去相比,軍用嵌入式計算機的應用要求也會發生一些相應的變化,主要體現在以下幾個方面:

    (1)外部通信總線將增加標準的高速高可靠串行總線,而不再局限于傳統的RS232/422,這主要是為了滿足武器控制系統各分布式功能模塊間的大量實時數據交換的要求。短期內,大多武器系統將首先采用1553B或其變種總線協議;

    (2)可靠性要求將更高,隨著電子元器件數量的減少和系統間模擬信號傳送量的逐步消除,武器控制系統的可靠性將會有一個很大的提高,相應地對嵌入式計算機的可靠性指標要求也會有數量級的提高;

    (3)處理能和的要求也會有很大的提高,可以預計未來的彈載計算機的處理能力要求將會突破5000MIPS,內部存儲器容量將超過64MB(甚至更大),對外信號采集通道可能會超過256通道;

    (4)國產化程度與可制造性將會與可維修性一樣成為軍用嵌入式計算機的一項重要指標。

    3、軍用通用加固計算機正在向可信型和網絡型演化發展

    3.1可信計算正在成為軍用通用加固計算機的追求目標

    傳統的軍用通用加固計算機主要從抗惡劣環境的應用要求出發,主要追求環境適應性與傳統意義上的可靠性。這種可靠性的提高只是降低了設備出現故障的概率,并不能保證加固計算機不出現故障。由于導彈武器應用的特殊性,其發射控制系統就不僅要保證很高的可靠性,還要保證很高的可信性,也就是說不僅要保證系統的可用性,還要保證系統工作狀態的可信賴性,只有這樣才能保證導彈測試發射控制系統在作戰與訓練過程中不會由于系統的故障出現錯誤的控制輸出。因此,在故障狀態下如何保證軍用加固計算機還能夠安全地對輸入/輸出信息進行處理,這是在可靠性技術基本成熟之后,導彈武器測發控通用加固計算機在未來需要重點研究的一個主要方向。

    3.2COTS技術在軍用通用加固計算機中應用更加廣泛

    隨著集成電路等基礎工業的迅速發展,很多商用電子設備的性能已遠遠超過了軍用電子系統的性能,尤其是在通用計算機方面,以個人計算機(PC)為代表的商用計算機已開始成為軍用通用加固計算機發展的基本原型,無論國內還是國外,軍用通用加固計算機目前都是以PC為原型進行二次開發的。同時,目前的絕大多數商用計算機部件(主機芯片、部分外設)都進行了必要的可靠性加固,都能夠初步滿足地面軍用環境在溫度、機械應力方面的要求,只是在可靠性篩選及一些其他特殊要求(耐電磁干擾、化學防護等)方面與軍和加固計算機有一些差距。另一方面,由于應用范圍的限制,傳統的軍用集成電路及其他軍用加固計算機部件的供應也在不斷地萎縮。因此,在軍用通用加固計算機中通過必要的可靠性保證措施,大量應用COTS(商用成熟的)部件與技術已成為軍用加固計算機研制必須面對的一個重要課題。

    可以預見,未來的軍用通用加固計算機將主要以COTS部件(元件)為基礎通過部件級或整機的二次加固來實現。

    3.3良好的網絡支持成為通用加固計算機的基本要求

    傳統的軍用通用加固計算機主要是通過RS232/422通信接口實現與其它計算機系統進行數據交換。隨著軍用加固計算機性能的提高和武器系統的飛速發展,測發控系統中各計算機之間交換的信息量也在急劇增加,傳統的通信方式無論在數據量還是實時性方面都已不能滿足武器各測發控系統間數據交換的要求。目前已有一些武器型號的測發控計算機系統開始采用高速以太網進行數據交換。今后一段時期內,高速以太網將會迅速代替傳統的點對點通信(RS232/422)機制成為軍用通用加固計算機之間進行數據交換的主要通信方式,RS232/422將只是為了與傳統設備兼容而保留的作為一種輔助通信手段。

    3.4電子盤將代替傳統的硬盤成為軍用通用加固計算機的標準配置

    硬盤在軍用通用加固計算機中一直是一個可靠性薄弱的環節,是軍用加固計算機設計制造中需要進行特別處理的一個外設,其力學環境適應能力與低溫啟動都存在著嚴重與軍用加固計算機應用要求不兼容的問題,但它作為大容量的數據與程序存儲部件又是軍用通用加固計算機中不可或缺的一個重要的組件。

    近年來,半導體集成電路工藝的迅猛發展,固態非易失存儲器的容量正在急劇增加,8GB的FLASH存儲器已開始大量供貨,利用FLASLL存儲器構成超大容量(80GB)的電子盤,在軍用加固計算中替代硬盤已經指日可待。采用電子盤替代硬盤,不僅可以非常方便地解決前述的可靠性問題,同時還可以極大地提高海量數據存儲的訪問速度,對提高軍用通用加固計算機有著很好的積極作用。

    3.5嵌主式實時操作系統最終成為軍用通用加固計算機的主流操作系統

    軍用通用加固計算機目前主要是采用PC結構,包括測發控軟件在內的絕大多數應用軟件多在WINDOWS類操作系統下進行開發,WINDOWS一類的操作系統是面向商業應用的通用型操作系統,有著大量的軟件開發環境及支持工具,具備良好的人機界面,圖形化能力非常強大,為各種軍用應用軟件開發提供了極大的方便。但是,它們畢竟是為商業應用目的開發的,魯棒性(robustness,也可理解為健壯性)穩定性都存在一些問題,因此藍屏、死機是這類操作系統在兼容性方面的固有問題,也是多年來一直困擾軍用通用加固計算機的一個突出問題。同時,這類操作系統為了兼容更多的PC制造商和更多的用戶,它一般都集成了大量冗余的軟件代碼,對具體應用和特定計算機來說,這些冗余的軟件代碼無疑都是軟件拉圾,甚至在一些特定的條件下可能還會觸發一些莫明其妙的錯誤。由于這類操作系統功能極度復雜、代碼量極大,在出現問題后,用戶一般是沒有任何有效的分析與解決手段的。

    另外,WINDOWS類操作系統雖然支持多任務調度,但它絕不是一個實時操作系統,對一些突發的異常事件的處理能力要遠遠低于實時操作系統,這點對于導彈武器的控制系統(尤其是發射控制系統)的應用是非常不利的。

    嵌入式實時操作系統在上述各項問題上具有WINDOWS及其他桌面操作系統(如MNUX)不可比擬的優勢。首先,其代碼量較小,且多數可以提供源代碼,在出現應用問題后,應用軟件研制方與計算機制造方可以較為方便的進行深入分析;其次,由于更新換代周期較長,嵌入式實時操作系統的魯棒性和穩定性要明顯好于各種桌面操作系統;第三,這類操作系統對突發異常事件的反應時間都非常短,可以最大程度的滿足武器系統對異常情況或故障情況進行快速處理的要求。

    正是由于以上這些原因,在一段時期的對比選擇之后,嵌入式實時操作系統最終將會成為導彈武器控制系統中軍用通用加固計算機的操作系統平臺,WINDOWS類操作系統只能作為文檔處理應用類計算機或單元測試類計算機的操作系統平臺。

    3.6軍用通用加固計算機技術要求的變化

    根據以上預測的發展動向和計算機技術自身的發展,軍用通用加固計算機的技術要求與目前相比將會發生以下變化:

    (1)盡管目前還沒一個有效的評價標準,可信性仍將會成為軍用通用加固計算機的一項重要的技術要求;

    (2)嵌入式實時操作系統會成為測發控計算機操作系統的標準配置;

    (3)電子盤將替代硬盤成為軍用通用加固計算機的標準技術配置,存儲容量將達到40GB以上;

    (4)100Mbps以上的網絡接口將成為軍用通用計算機的基本要求;

    (5)1553B或其他IMbps上高速高可靠串行通信總線也會成為軍用通用加固計算機的一次常見的技術要求;

    (6)隨著嵌入式計算機模塊的廣泛應用,通用加固計算機直接外部信號采集口將會減少;

    (7)未來的軍用通用加固計算機將會是一個機箱內分布式處理系統,內部采用CompactPCL總線,外部采用1000Mbps網絡接口,基于軟件框圖進行應用開發的一種虛擬儀器

    4、結束語

      NASA認為:沒有先進的測試和控制技術就沒有先進的航天事業,軍用加固計算機隨著航天事業的發展而發展,當今導彈武器的發展也給軍用加固計算機的發展提供了機遇,同時提出了更加嚴格的要求。國產化和可擴展性是軍用加固計算機的總要求,也是發展的前提條件,可靠性、維修性、保障性是軍用加固計算機必須具備的技術性能指標。軍用加固計算機的應用單位,主要是型號總體和分系統,應該為軍用加固計算機的國產化、通用化、標準化提出有力的技術支持和需求牽引。




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