2008年3月—283—计算机工程第34卷第5期开发研究与设计技术文章编号:1000—3428(2008)05—0283—03文献标识码:A中图编号:TP303中度并行嵌入式计算机体系结构研究(华东计算) (上海理工大学200233) 致:通过分析传统嵌入式计算机体系结构和高端应用需求,提出一种开放式、模块化的嵌入式计算机体系结构。 该结构支持适度并行计算、数据信号综合处理、冗余结构、动态加载等功能,能够满足新一代嵌入式计算机高性能、高集成度、高可靠性的要求。 关键词:中度并行嵌入式计算机; 建筑学; 交换网络; 重建; 冗余研究模式PaLLLEMBedDedComputerChiteChaixiao-li,xijun,niming(EastchinaSt)。 NOLOGY, SHANGHATA200233) [摘要] 本文提出了开放、模块化嵌入式计算机系统ArchiteBasedtraDINESADVANEEDAPLICATION。 系统架构支持模式RaLALL计算、综合处理信号、冗余结构、动态加载、ETC、也可高性能、高集成度高可信度的新一代嵌入式计算机。 【关键词】中度并行嵌入式计算机; 系统架构; 开关结构; 它是系统的一个组成部分,不能独立于系统运行。

 

进入21世纪以来,嵌入式计算机已广泛应用于生产和生活中,从低端应用(如网络智能家电、智能工具、车载电子设备)到数字机床、军用电子系统、有线/无线通信、机器人等高端应用,嵌入式计算机已经渗透到社会各个领域,为人类发展注入新动力。 特别是在军事电子信息系统、工业控制和现代通信等领域,嵌入式计算机的功能正在向高性能、网络化方向发展。 然而,在信息化发展过程中,用户往往根据自身系统的需求定制嵌入式计算机。 不同系统的“烟囱式”开发带来了开发周期长、风险高、升级困难、维护保障成本高等弊端。 近年来,国外非常重视嵌入式计算机体系结构的研究,提出了开放式体系结构的设计思想[1],这对于提高系统升级能力、缩短开发进度、减少开发和部署具有重要意义。支持费用。 本文主要对中等并行嵌入式计算机的体系结构进行研究,旨在为构建一系列技术先进、结构合理、标准统一的嵌入式计算机奠定基础。 嵌入式计算机体系结构概述传统的嵌入式计算机由嵌入式微处理器和接口电路、内部总线和外部总线以及嵌入式软件系统组成[2]。 传统的嵌入式计算机通常具有以下特点:(1)与主机系统相匹配的功能和性能。 要求,其功能必须适应主机系统的级别。

(2)实时 嵌入式计算机直接从前端传感器获取信息并进行实时或近实时处理。 因此,对信息处理、管理和分发的实时性要求非常高。 (3)环境适应性和可靠性嵌入式计算机广泛应用于军事、工业、户外等恶劣环境。 它们要经受高低温、盐雾、振动、辐射、电磁干扰等考验,可靠性要求很高。 传统的嵌入式计算机体系结构[3]设计是根据嵌入式系统的应用特点量身定制的。 型号可分为单片嵌入式计算机(单片机)、单板嵌入式计算机(单板计算机)和完整嵌入式计算机。 以完整的嵌入式计算机为例,微处理器主要是MotorolaIBM公司的PowerPC系列和Intel公司的Pentium系列; 信号处理器主要有TI公司的PowerPC、TMS320系列、ADI公司的DSP; 内部总线以CPCI为主,VME总线为主; 外部总线以1553B总线、以太网和CAN为主。 可根据不同的应用需求和接口要求配置或扩展I/O模块。 传统的完整嵌入式计算机的体系结构如图所示。 其特点是模块化结构,但总线带宽和扩展能力有限,不具备动态重构、数据信号综合处理等功能。 CPU模块、存储模块、电源模块、CPCI/VME,完整的嵌入式计算机架构。 随着电子技术的快速发展,集成电子系统、现代通信系统、工业控制等高端应用领域对嵌入式计算机提出了新的要求。 要求,主要体现在: 作者简介:柴晓丽(1968-),女,高级工程师,硕士,主要研究方向:嵌入式系统; 奚军,高级工程师; 倪明研究员 收稿日期:2007-09-25E-mail:chaixiaooli@ecict.com.cn (1)高性能高端应用领域要求嵌入式计算机具有高性能的实时处理能力。 PowerStream并行计算机系统由100~200多个嵌入式处理器组成,提供高达1000亿次浮点运算的信号处理能力、400亿次定点运算的数据处理并行计算能力[4]。

采用适当的并行技术,通过多处理协同控制和高速互连,可以大大提高嵌入式计算机的处理能力。 (2)集成度高。 由于嵌入式计算机在主机系统中的空间非常有限,小型化和轻量化是显而易见的。 因此,通过在单个模块上集成多个处理器并采用FPGA或片上系统设计方法,可以有效改进系统。 整合程度。 (3)可靠性高 由于嵌入式计算机已经扩展到空天平台,对嵌入式计算机的可靠性提出了很高的要求。 系统冗余设计和动态重构是提高嵌入式计算机可靠性的重要措施。 因此,传统嵌入式计算机的架构已经不能满足高端应用领域的应用需求,需要新的架构来实现高性能、高可靠性、开放性的目标。 本文借鉴国外先进的ASAAC[1]、STANAG4626[5]开放结构,结合我国高端嵌入式领域的应用特点,提出了适度并行嵌入式计算机的开放架构,以指导和规范高端嵌入式计算机。嵌入式计算机。 计算机系统设计。 适度并行嵌入式计算机体系结构适度并行嵌入式计算机体系结构必须支持多处理器并行计算以及全面的数据和信号处理要求; 必须满足开放性、模块化、可靠性、稳定性、易用性、可维护性、新技术兼容性和数量的要求; 并能够通过软硬件的不同配置和剪裁来满足不同使用环境和不同应用方式的要求。

嵌入式计算机中示出了中等并行嵌入式计算机的体系结构,每台计算机由一系列标准模块组成。 为了提高系统的可靠性和抗毁性,可以采用两套计算机同时处理信息。 如果一组计算机出现故障,另一组计算机可以近乎实时地接管任务。 网络连接用于嵌入式计算机内的模块之间以及其他设备之间。 网络采用具有冗余容错能力的交换结构。 当工作网络出现故障时,可以自动切换到冗余网络。 交换网络系统1 接口嵌入式计算机系统2 接口系统3 接口适度并行嵌入式计算机体系结构2.1 交换网络要求如图所示,交换网络是适度并行嵌入式计算机系统的“血管”,负责各系统之间的通信。模块系统之间的数据传输需要高带宽、低延迟、高可靠性。 交换网络采用Fabric总线标准。 Fabric总线建议使用StarFabric、RapidIO、FC等,满足模块之间、背板之间、机箱之间的互连。 2.2 标准模块系列定义 中度并行嵌入式计算机的标准模块系列包括通用功能模块、网络交换模块和电源模块。 采用以下统一设计规范: (1)通用功能模块 通用功能模块包括数据处理模块和信号处理模块、大容量存储模块和图像处理模块。 各功能模块的组成如图所示。 模块支持单元 (MSU) 电源支持单元 (PSE) 处理单元: 数据处理 (DP) 信号处理 (SP) 图像处理 (GP) 存储 (MM) 路由单元 (RU) 网络接口单元 (NIU) 模块物理接口 (MPI) )电力网络通用功能模块中,模块支持单元(MSU)由通用嵌入式处理器实现,控制和监视数据处理模块、信号处理模块、大容量存储模块、图像处理模块的运行,并提供模块的系统管理。 内部/外部通信和模块管理的所有功能和服务,如BIT控制、模块初始化、时间管理、状态记录和模块逻辑接口支持等。

MSU还包括模块制造商名称、序列号、生产日期、通用功能模块类型、硬件版本号、软件版本号、网络号、网络接口类型、网络ID等嵌入信息。 处理单元提供通用功能模块的特定功能,如信号处理、数据处理、图像处理、大容量存储等。 模块物理接口(MPI)定义了模块的物理特性、机械结构、光学接口、电气接口和冷却接口,主要定义了模块插座和结构件的规格。 路由单元(RU)由MSU控制,提供通用功能模块内部的网络接口单元(NIU)、处理单元(PU)和模块支持单元之间的互连和通信功能,并提供各模块之间的连接。网络输入链路和输出链路。 的直接互连。 网络接口单元执行模块外部的网络通信功能,NIU支持模块的逻辑接口和网络通信部分的执行。 电源支持单元(PSE)提供将机架中的二次电源转换为模块内部电压的功能。 (2)网络交换模块网络交换模块负责嵌入式计算机各功能模块与各种设备之间的连接,支持印制板、背板、机箱之间的连接。 网络交换模块包括网络交换芯片、管理控制器以及BIT。 —284—网络交换管理控制器BIT控制器电源和控制插座网络交换模块网络交换芯片由多个交换端口组成。 每个芯片可以实现交叉、组播等通信方式,支持地址、路径、组播等多种路由方式,提供流控管理,支持热插拔、链路错误检测和隔离、CRC检测、冗余等功能。

管理处理器负责网络交换模块的资源管理。 BIT控制器负责测试和维护网络交换模块的健康状况,并通过测试总线发送测试信息和接收控制命令。 电源及控制电路负责将二次电源转换成模块所需的电压,向网络交换模块供电,并根据模块的工作和健康状况进行馈电。 (3)供电模块与供电网络适度并联。 该设计分为前级电源,将系统提供的电源电压通过电源转换降为中间总线电压,然后通过大背板到达各功能模块的电源输入端子; 所需电压值。 为了提高供电系统的可靠性,前端电源采用双电源冗余设计。 一旦一个电源出现故障,另一个电源可以独立为嵌入式计算机供电。 前级电源的输出与后级各功能模块的供电实现一对一独立供电,一条线路出现问题不会影响其他线路的供电。 2.3 软件架构 中度并行嵌入式计算机软件架构如图所示,分为应用软件、操作系统、硬件模块支撑软件几个层次。 各层相对独立,支持各层软硬件独立升级,系统配置和运行管理保障提供功能分区定义和安全策略框架。

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