章斌等

摘要：隨著我國對宇航產(chǎn)品自主可控要求的不斷提升，國產(chǎn)器件必將廣泛應(yīng)用于宇航電子產(chǎn)品中。該文以國產(chǎn)P1750處理器芯片的地面考核和在軌應(yīng)用驗證為基礎(chǔ)，為國產(chǎn)處理器在軌可靠性應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)器件；P1750；應(yīng)用驗證

中圖分類號：TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）05-0268-01

PACE1750A系列CPU是一款基于美軍標(biāo)MIL-STD-1750的16位通用處理器，采用CMOS/SOS工藝，在30MHz主頻下可達(dá)到3.0MIPS運算能力[1]?；?750系列的CPU已應(yīng)用在FY-1、FY-3等衛(wèi)星中，包括姿軌控計算機和數(shù)管計算機[2]。十余顆衛(wèi)星在軌運行情況表明，基于1750體系結(jié)構(gòu)的星載計算機具有產(chǎn)品穩(wěn)定性好，可靠性高的特點。

目前在軌衛(wèi)星使用的1750系列CPU多為進(jìn)口芯片，主要包括P1750系列、BX1750系列和31750系列。上述三類芯片不但器件引腳、封裝形式、時序關(guān)系不同，其配套的MMU芯片也不盡相同。使用進(jìn)口CPU芯片存在諸多不利因素：一方面由于國外對這些芯片的禁運，目前已經(jīng)無法采購；其次進(jìn)口芯片更換導(dǎo)致各型號產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變化，產(chǎn)品化設(shè)計難度大；第三，芯片更換造成的技術(shù)狀態(tài)變化還需要進(jìn)行復(fù)雜的驗證試驗。

國產(chǎn)P1750套片全面兼容進(jìn)口P1750、P1753、P1754芯片。國產(chǎn)套片的考核驗證包括地面驗證和在軌驗證兩部分，主要內(nèi)容包括套片時序設(shè)計、抗輻照性能、工程樣機考核試驗、在軌考核應(yīng)用等。

1 國產(chǎn)P1750套片的地面驗證

1.1 兼容性級抗輻射能力驗證

在一些成熟產(chǎn)品中系統(tǒng)軟件是針對進(jìn)口31750芯片編寫的。相對于31750系列芯片，國產(chǎn)P1750套片增加了許多外設(shè)功能，主要包括等待周期配置、定時器配置、EDAC使能等。采用國產(chǎn)P1750套片，若EDAC、看門狗、定時器功能都采用外部硬件FPGA實現(xiàn)，可以不對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置，從而實現(xiàn)對原有31750系統(tǒng)軟件的兼容。同時對國產(chǎn)P1750套片的輻照試驗表明，其抗總劑量指標(biāo)大于100K rad（Si），抗單粒翻轉(zhuǎn)LET閾值為67MeV·cm2/mg[4]，均滿足衛(wèi)星在軌使用要求。

1.2 國產(chǎn)P1750套片星載計算機軟件考核

CPU芯片的考核除硬件時序外，必須通過軟件驗證才能充分驗證其功能、性能。星載軟件固化在抗輻射PROM和EEPROM內(nèi)，軟件運行時需訪問到CPU的所有資源，包括寄存器、內(nèi)存、IO空間、中斷等，軟件考核內(nèi)容及方法如下：1）內(nèi)部寄存器：程序?qū)PU所有內(nèi)部寄存器內(nèi)容讀出，通過總線作為遙測信息下傳，對CPU狀態(tài)進(jìn)行及時判斷；2）中斷處理：系統(tǒng)設(shè)計循環(huán)發(fā)出的外部中斷信號，如果CPU能夠正常進(jìn)行中斷處理則給出正確標(biāo)志，如果處理異常則標(biāo)志出錯位置；3）內(nèi)存檢測：程序運行過程中對內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行循環(huán)檢測，將檢測結(jié)果和出錯信息作為遙測信息下傳；4）運算：搭載計算機可以運行一些計算程序，將運算結(jié)果進(jìn)行下傳，地面可以判斷結(jié)果是否正確。

1.3 國產(chǎn)P1750套片星載計算機地面驗證試驗

根據(jù)在軌應(yīng)用需求，對驗證樣機進(jìn)行高低溫環(huán)境下性能穩(wěn)定性摸底試驗。試驗程序運行于20MHz主頻，包括了三個方面的內(nèi)容：1）基本存儲器及IO資源的操作和訪問；2）頁面寄存器的操作和訪問；3）實現(xiàn)1750指令計集全覆蓋，重點對進(jìn)口31750套片易出錯的復(fù)雜運算指令進(jìn)行了考核。復(fù)雜指令和特殊數(shù)據(jù)的考核內(nèi)容包括雙精度整數(shù)加法、擴展精度浮點加法、擴展精度浮點減法、浮點加法、32位定點轉(zhuǎn)48位浮點、擴展精度浮點乘法、擴展精度浮點除法、48位浮點轉(zhuǎn)32位定點等。

試驗期間，在高低溫環(huán)境下進(jìn)行了電壓拉偏測試，每0.3V一個步進(jìn)，每個步進(jìn)電壓下運行5分鐘。拉偏試驗表明在3.2V～6.8V供電條件下國產(chǎn)套片運行良好，程序運算結(jié)果正確。

2 國產(chǎn)P1750套片的在軌驗證

使用國產(chǎn)P1750套片的驗證機作為某衛(wèi)星的搭載設(shè)備隨整星發(fā)射入軌，衛(wèi)星運行正常后驗證機開機進(jìn)行在軌考核。驗證機運行的軟件包括CPU管理、姿態(tài)計算和數(shù)據(jù)管理等模塊，具體驗證內(nèi)容如表1。

上述驗證內(nèi)容中，由于異常機制在軌無法有效模擬，其驗證主要在地面測試中進(jìn)行。通過人為設(shè)計數(shù)組越界、浮點越界、除零運算、非法特權(quán)指令等語段，以白盒的方法測試異常能否正確觸發(fā)，再根據(jù)異常處理函數(shù)中捕獲的異常類型、異常地址、寄存器數(shù)據(jù)等判斷異常時的現(xiàn)場信息是否正確。

1）運算能力

驗證樣機軟件中設(shè)計了軌道遞推模塊，它跟姿軌控計算機的對應(yīng)模塊同步工作，并接收姿軌控計算機的運算結(jié)果進(jìn)行比對，以檢驗國產(chǎn)套片的浮點運算是否正確。在軌比對結(jié)果表明國產(chǎn)套片運算能力滿足任務(wù)要求。

2）中斷響應(yīng)

為了考核國產(chǎn)P1750套片中斷機制是否正常，計算機硬件設(shè)計了外部定時中斷，中斷周期為512ms，發(fā)生中斷時由軟件維護(hù)中斷發(fā)生的總計數(shù)，并在768秒的遙測幀周期中將該計數(shù)值組幀到打包遙測下傳給地面分析。根據(jù)遙測幀周期和中斷周期，在一個遙測周期內(nèi)可以產(chǎn)生768/0.512 = 1500次中斷，因此兩個遙測幀之間的計數(shù)差應(yīng)該是1500。從打包遙測可以判斷計數(shù)差為1500次，中斷響應(yīng)符合設(shè)計要求。

3）系統(tǒng)寄存器

軟件工作正常時每秒備份28個國產(chǎn)P1750套片的寄存器數(shù)據(jù)，并檢查1750故障寄存器、1753配置寄存器1、1753配置寄存器2和1754配置寄存器等4個重要的系統(tǒng)寄存器設(shè)置是否正確，將檢查結(jié)果形成遙測信息。軟件發(fā)生異常時，將備份的28個寄存器數(shù)據(jù)以打包遙測方式傳回地面分析。根據(jù)打包遙測判斷，在軌驗證期間套片的系統(tǒng)寄存器均未發(fā)生錯誤。

3 結(jié)束語

經(jīng)過地面及在軌應(yīng)用驗證，國產(chǎn)P1750系列芯片在電氣、功能、性能等方面與進(jìn)口1750處理器一致，在各項環(huán)境模擬和輻射條件下驗證合格，滿足衛(wèi)星、飛船等后續(xù)宇航型號的工程應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] P1750A/SOS SINGLE CHIP，20MHz to 30MHz，CMOS/SOS SPACE PROCESSOR. PYRAMID SEMICONDUCTOR CORPORATION[J]. Document # MICRO-6 REV B， 2005.

[2] 楊鈞. 星載BX1750芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)性能評估[J]. 上海航天， 2005（1）.

[3] 王晶， 王月， 孫越強. 國產(chǎn)SOI1750A微處理器抗輻射效應(yīng)模擬試驗[J]. 微計算機信息：嵌入式與SOC， 2008（24）， 1-2.