Блок вычислительный
Изобретение относится к технике обработки цифровых данных с использованием программируемых специализированных вычислительных устройств и может быть использовано при разработке специализированных вычислительных устройств обработки цифровых данных на борту боевых летательных аппаратов. Технический результат, на достижение которого направлено разработанное устройство, состоит в создании вычислителя бортового авиационного оборудования при повышении уровня его надежности и упрощении технологии применения. Для этого предложен блок вычислительный, который содержит корпус с размещенной в нем кроссплатой, на кроссплате установлены, по меньшей мере, по одному вычислительному модулю, модулю интерфейсному, модулю коммутации и модулю питания, соединенные между собой сервисной шиной. 8 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к технике обработки цифровых данных с использованием программируемых специализированных вычислительных устройств и может быть использовано при разработке специализированных вычислительных устройств обработки цифровых данных на борту боевых летательных аппаратов.
Известна (RU, патент 88462, опубл. 1011.2009) платформа интегрированной модульной авионики, выполненная в виде одного или двух крейтов, содержащих по две подсистемы с установленными в каждой коммутатором и двумя парами вычислительных модулей, причем первый и второй вычислительные модули каждой пары соединены между собой первыми группами входов-выходов, а первые и вторые вычислительные модули первой пары каждой подсистемы вторыми группами входов-выходов подключены ко вторым группам входов-выходов соответственно первого и второго вычислительных модулей второй пары соответствующей подсистемы, при этом первые вычислительные модули первой и второй пары третьими группами входов-выходов соединены соответственно с первой и второй группами входов-выходов коммутатора своей подсистемы, а четвертыми группами входов-выходов подключены соответственно к третьим и четвертым группам входов-выходов коммутатора другой подсистемы крейта, причем вторые вычислительные модули первой пары вычислительных модулей третьими и четвертыми группами входов-выходов соединены соответственно с первыми и вторыми группами входов-выходов, а вторые вычислительные модули второй пары вычислительных модулей своими третьими и четвертыми группами входов-выходов подключены соответственно к третьей и четвертой группам входов-выходов соответствующей подсистемы, при этом коммутаторы своей пятой группы входов-выходов, а первый и второй вычислительные модули каждой пары вычислительных модулей каждой подсистемы своей пятой группой входов-выходов соединены соответственно с пятой по девятую группами входов-выходов соответствующей подсистемы крейта, причем с первой по девятую группы входов-выходов первой подсистемы крейта подключены к соответствующим с первой по девятую группам входов-выходов платформы интегрированной модульной авионики, с десятой по восемнадцатую группы входов-выходов которой соединены соответственно с первой по девятую группами входов-выходов второй подсистемы крейта.
Недостатками известной платформы модульной авионики следует признать ориентированность на задачи управления (о чем говорит возможность четырехкратного резервирования вычислительных ресурсов, избыточная для задач цифровой обработки сигналов), обмен данными с внешними устройствами по медленным авиационным интерфейсам типа ARINC429 и ARINC825, использование в качестве основного интерфейса связи модулей с коммутаторами и организации межкрейтных связей интерфейса ARINC 664, недостаточного для реализации задач цифровой обработки сигналов, неоднородность архитектуры, когда доступ к коммутатору имеют только два из четырех модулей подсистемы.
Известна (RU, патент 2667040, опубл. 13.09.2018) интегрированная вычислительная система самолета МС-21, характеризуемая тем, что она представляет собой систему интегрированной модульной авионики и содержит шесть идентичных и взаимозаменяемых центральных вычислителей авионики и четыре идентичных и взаимозаменяемых коммутатора бортовой сети передачи данных, при этом на каждом центральном вычислителе авионики функционирует программное обеспечение, также система содержит два основных коммутатора бортовой сети передачи данных и два резервных коммутатора бортовой сети передачи данных, на левом и правом бортах самолета установлено по одному основному и одну резервному коммутатору и по три центральных вычислителя авионики, каждый основной коммутатор соединен линиями связи по стандарту ARINC664p7 со всеми центральными вычислителями авионики своего борта, а также с основным коммутатором другого борта и с другими системами самолета, образуя подсеть А, резервные коммутаторы соединены со всеми центральными вычислителями авионики своего борта, а также между собой и с другими системами самолета линиями связи по стандарту ARINC664p7, образуя подсеть В, при этом интегрированная вычислительная система самолета выполнена с возможностью обеспечения функций самолетовождения, формирования данных об имеющихся отказах систем из состава БРЭО и самолетных систем и обеспечения информирования экипажа об их наличии, а также способах их парирования, контроля в реальном времени критических параметров полета с выдачей информации о приближении и достижении контролируемыми параметрами границ эксплуатационных допусков самолета, обеспечения настройки средств радионавигации, связи и наблюдения, сбора и преобразования информации, технического обслуживания, контроля работоспособности систем БРЭО на земле и в полете, и передачи данных в сети ADN и мониторинг сети, а коммутатор бортовой сети передачи данных выполнен с возможностью обеспечения обмена по стандарту ARINC664p7 внутри интегрированной вычислительной системы между центральными вычислителями авионики и обмена интегрированной вычислительной системы с системами самолета, в том числе многофункциональными индикаторами, панелями управления радиосредствами, вторичными системами распределения электроэнергии, терминалом технического обслуживания и загрузки программного обеспечения, системой контроля, обработки и регистрации полетных данных.
Недостатками известного технического решения следует признать ориентированность на задачи управления (в частности, обеспечение функций самолетовождения, контроля в реальном времени критических параметров полета и т.п.), а также использование в качестве основного интерфейса связи модулей с коммутаторами и организации межкрейтных связей интерфейса ARINC 664, недостаточного для реализации задач цифровой обработки сигналов.
Техническая проблема, решаемая с использованием разработанного устройства, состоит в усовершенствовании бортового оборудования авиационной техники, предназначенного для решения задач цифровой обработки сигналов.
Технический результат, на достижение которого направлено разработанное устройство, состоит в расширении функциональных возможностей использующих разработанный вычислитель бортового авиационного оборудования при одновременном повышении уровня его надежности и упрощении технологии применения (в том числе в части программного обеспечения и организации информационных потоков), используемых при реализации вычислительных комплексов.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать блок вычислительный разработанной конструкции. Он содержит корпус с размещенной в корпусе кроссплатой, на кроссплате устанавливается до 4-х унифицированных по электроразъемам модулей двух типов - модуль вычислительный и модуль интерфейсный, а также по 2 модуля коммутации и модуля питания, соединенные между собой сервисной шиной. Модуль вычислительный выполнен с возможностью обработки данных и построен на основе высокопроизводительного многоядерного микропроцессора, при этом в состав модуля входят, два типа высокоскоростных последовательных интерфейсов, один из которых предназначен для обмена данными между модулями блока вычислительного и/или внешними устройствами с интерфейсами FC-RT, а второй предназначен для приема и передачи первичной информации, поступающей либо от внешних датчиков, либо от/в другие вычислительные модули, при этом указанные интерфейсы продублированы и выполнены с возможностью подключения к двум разным модулям коммутации. Модуль интерфейсный выполнен с возможностью приема и обработки данных, поступающих от внешних авиационных интерфейсов, а также с возможностью передачи и обмена информацией по внешним авиационным интерфейсам, при этом модуль построен на основе высокопроизводительного микропроцессора со встроенным графическим ядром с возможностью работы либо в режиме поддержки медленных авиационных интерфейсов либо в режиме графического контроллера с поддержкой авиационного видеоинтерфейса ARINC818. Модули интерфейсные аналогично модулям вычислительным подключены к модулям коммутации по двум типам высокоскоростных интерфейсов. Модуль коммутации представляет собой устройство, выполненное с возможностью обмена данными между модулями блока вычислительного и внешними устройствами, а также обмен данными между внешними устройствами. Каждый модуль коммутации содержит два независимых коммутатора, при этом первый независимый коммутатор представляет собой коммутатор межмодульного обмена и интегрирован с коммутатором внешних устройств с интерфейсом FC-RT с возможностью выхода на многоканальное устройство приема и передачи данных по интерфейсу SpaceWire, а второй коммутатор представляет собой переконфигурируемый коммутатор, предназначенный для приема массивов первичных данных, обмен ими между модулями вычислительного блока и трансляции в другие вычислительные блоки или внешние устройства. Модуль питания представляет собой устройство, обеспечивающее подачу на основные модули стабилизированного питания. Он выполнен с возможностью контроля основных своих параметров, а также передачи их значений другим модулям блока вычислительного или внешним устройствам. Все модули блока вычислительного связаны между собой посредством модулей коммутации, модули интерфейсные выполнены с возможностью взаимной замены, в базовой конфигурации выполнены с возможностью либо работы с медленными авиационными интерфейсами, либо в режиме графконтроллера.
В некоторых вариантах реализации блок вычислительный содержит по два модуля вычислительных, модуля интерфейсных, модуля коммутации и модуля питания, соединенные между собой резервированной сервисной шиной.
Предпочтительно сервисная шина выполнена с возможностью управления работой отдельных модулей, мониторинга основных параметров и состояний модулей и системы в целом.
В состав каждого модуля блока вычислительного входит подсистема контроля и управления модулем, реализованная на базе независимого микроконтроллера, причем указанная подсистема выполнена с возможностью получения электропитание от обоих модулей питания и обеспечивать штатное функционирование модуля, в состав которого она входит, при исправности хотя бы одного модуля питания, при этом указанная подсистема выполнена с возможностью подключения к резервированной сервисной шине блока вычислительного и обеспечивать информационное взаимодействие с другими модулями.
В некоторых вариантах реализации разработанной конструкции модуль коммутации может быть выполнен с возможностью реализации функции моста FC-RT-SPW, а также с возможностью регистрации во встроенное энергонезависимое хранилище выделенных данных проходящего через него трафика, а также исключения влияния избыточного трафика по какому-либо из виртуальных каналов сети FC-RT и SPW на остальные каналы и обеспечения возможности изменения таблиц конфигурации виртуальных каналов FC-RT и SPW, при этом одновременное использование пары модулей коммутации обеспечивает поддержку работы в режиме резервирования для каналов FC-RT и SPW.
Модуль интерфейсный выполнен с возможностью реализации в себе функций контроллера всех основных авиационных интерфейсов, включая видеоинтерфейс ARINC818.
Блок вычислительный разработанной конструкции может быть выполнен с возможностью использования высокоскоростного последовательного интерфейса приема и передачи первичной информации от внешних датчиков для обмена этой информацией с другими модулями для передачи видеоданных по интерфейсу ARINC818 между модулями интерфейсными и модулями коммутации.
В некоторых вариантах реализации модуль коммутации может содержать два независимых коммутирующих устройства: одно - для межмодульного обмена и обмена данными с внешними устройствами по интерфейсу FC-RT и поддерживающее функции моста с внешними устройствами по интерфейсу SpW, и другое - для приема и передачи данных из/в внешних устройств, включая видеоданные через интерфейс ARINC818.
В качестве коммутируемого канала может быть использован интерфейс ARINC818.
Модуль вычислительный предназначен для обработки данных и построен на основе высокопроизводительного отечественного многоядерного микропроцессора. Модуль имеет два типа высокоскоростных последовательных интерфейсов, один из которых предназначен для обмена данными между модулями блока вычислительного и/или внешними устройствами (межмодульный обмен), а второй - для приема и передачи первичной информации, поступающей либо от внешних датчиков, либо от/в другие вычислительные модули (прием первичной информации и обмен обрабатываемыми данными). Указанные интерфейсы продублированы и подключаются к двум разным модулям коммутации.
Модуль интерфейсный представляет собой специализированный модуль, предназначенный для приема и обработки данных, поступающих от внешних авиационных интерфейсов (АИ), а также для передачи и обмена информацией по данным интерфейсам. Модуль построен на основе высокопроизводительного отечественного микропроцессора со встроенным графическим ядром: При этом модуль может работать либо в режиме поддержки медленных (традиционных) авиационных интерфейсов (например, МКИО, ARINC429 и разовых команд по ГОСТ 18977-79), либо в режиме графического контроллера с поддержкой авиационного видеоинтерфейса ARINC818. Как и модуль вычислительный, модуль интерфейсным подключается к модулям коммутации по двум типам высокоскоростных интерфейсов.
Модуль коммутации представляет собой специализированное устройство, обеспечивающее обмен данными между модулями блока вычислительного, обмен между модулями блока вычислительного и внешними устройствами, а также обмен данными между внешними устройствами. Каждый модуль коммутации содержит два независимых коммутатора А и В. При этом коммутатор А (межмодульного обмена) имеет выход на многоканальное устройство приема и передачи данных по интерфейсу SpaceWire.
Модуль питания представляет собой устройство, обеспечивающее подачу на основные модули стабилизированного питания. Модуль обеспечивает работоспособность всего блока вычислительного. Модуль питания содержит средства контроля основных своих параметров и при необходимости может передавать их значения другим модулям блока вычислительного или внешним устройствам.
Все модули блока вычислительного связаны между собой посредством модулей коммутации. При этом все связи модулей резервированы. Модули интерфейсные объединены по выходам медленных авиационных интерфейсов (МКИО, ARINC429 и РК по ГОСТ 18977-79) и при необходимости могут заменять друг друга. В базовой конфигурации они имеют разный функционал (либо работа с медленными АИ, либо режим графконтроллера).
Все модули блока вычислительного связаны между собой резервированной сервисной шиной, которая служит для управления работой отдельных модулей, мониторингом основных параметров и состояний модулей и системы в целом.
Все модули получают питание сразу от двух модулей питания и коммутируют его непосредственно внутри себя. Выбор источника питания осуществляется таким образом, чтобы равномерно распределить нагрузку по двум модулям питания.
Блок вычислительный функционирует следующим образом.
Информация, поступающая в блок вычислительный, подразделяется на массивы данных от внешних датчиков (первичные данные) и данные, которыми обменивается блок вычислительный с внешними устройствами и/или с другими аналогичными блоками по интерфейсу FC-RT. Вся перечисленная информация проходит через модули коммутации.
Данные, поступающие или передаваемые по медленным авиационным интерфейсам (МКИО, ARINC429, РК по ГОСТ 18977-79) передаются непосредственно в модули интерфейсные.
Авиационные видеоинтерфейсы ARINC818 передаются во внешние устройства из модулей интерфейсных через модули коммутации.
Модули коммутации содержат два независимых коммутатора -отдельно для каждого из перечисленных выше типа данных.
Коммутатор первичных данных от внешних датчиков распределяет поступающую информацию между вычислительными модулями блока. При этом благодаря применению ПЛИС каналы связи коммутатора с внешними датчиками могут быть сконфигурированы в соответствии с требуемой пропускной способностью.
Коммутатор обмена данными по интерфейсу FC-RT обеспечивает обмен информацией между модулями внутри блока вычислительного, между блоком вычислительным и внешними устройствами, между самими внешними устройствами, а также трансляцию данных из интерфейса FC-RT в SpW и обратно. Каналы обмена коммутатора с модулями блока вычислительного имеют резерв, как по частоте передачи данных, так и по количеству линий данных.
Модули коммутации полностью дублируют друг друга.
Модули вычислительные реализуют алгоритмы управления блоком и цифровой обработкой поступающей информации. Модули поддерживают, реализованную в использующихся многоядерных микропроцессорах возможность непосредственного подключения процессоров друг к другу посредством высокоскоростных последовательных интерфейсов.
Модули вычислительные симметрично подключаются к обоим коммутаторам модулей коммутации.
Модули интерфейсные реализованы на высокопроизводительном процессоре со встроенным графическим ядром и обеспечивают обработку данных, поступающих по авиационным интерфейсам типа МКИО, ARINC429, РК по ГОСТ 18977-79 и управляют работой внешних устройств посредством перечисленных интерфейсов, а также готовят данные для: передачи по интерфейсу ARINC818. В зависимости от выбранной конфигурации модули реализуют функции либо контроллера медленных АИ, либо графического контроллера. Во втором случае данные интерфейсов ARINC818 передаются в модуль коммутации по каналам первичных данных.
Модули питания обеспечивают формирование стабилизированного питания на основные модули блока. Модули дублируют друг друга. При выходе из строя одного из них, второй модуль обеспечивает работоспособность системы. При двух работающих модулях обеспечивается равномерное распределение нагрузки по ним.
Благодаря наличию сервисных контроллеров модули питания обеспечивают контроль основных своих параметров и в случае их нарушения передают эту информацию другим модулям блока по сервисной шине для принятия решения о дальнейших действиях. Доступ к данной информации имеют и внешние устройства, подключенные к сервисной шине.
1. Блок вычислительный, отличающийся тем, что он содержит корпус с размещенной в нем кроссплатой, на кроссплате установлены, по меньшей мере, по одному вычислительному модулю, модулю интерфейсному, модулю коммутации и модулю питания, соединенные между собой сервисной шиной, при этом модуль вычислительный выполнен с возможностью обработки данных и построен на основе высокопроизводительного многоядерного микропроцессора, при этом в состав модуля входят, по меньшей мере, два типа высокоскоростных последовательных интерфейсов, один из которых предназначен для обмена данными между модулями блока вычислительного и/или внешними устройствами с интерфейсами FC-RT, а второй предназначен для приема и передачи первичной информации, поступающей либо от внешних датчиков, либо от/в другие вычислительные модули, при этом указанные интерфейсы продублированы и выполнены с возможностью подключения к двум разным модулям коммутации, модуль интерфейсный выполнен с возможностью приема и обработки данных, поступающих от внешних авиационных интерфейсов, а также с возможностью передачи и обмена информацией по внешним авиационным интерфейсам, при этом модуль построен на основе высокопроизводительного микропроцессора со встроенным графическим ядром с возможностью работы либо в режиме поддержки медленных авиационных интерфейсов, либо в режиме графического контроллера с поддержкой авиационного видеоинтерфейса ARINC818, модули интерфейсные аналогично модулям вычислительным подключены к модулям коммутации по двум типам высокоскоростных интерфейсов, модуль коммутации представляет собой устройство, выполненное с возможностью обмена данными между модулями блока вычислительного, обмена между модулями блока вычислительного и внешними устройствами, а также обмена данными между внешними устройствами, при этом каждый модуль коммутации содержит два независимых коммутатора, причем первый независимый коммутатор представляет собой коммутатор межмодульного обмена и интегрирован с коммутатором внешних устройств с интерфейсом FC-RT с возможностью выхода на многоканальное устройство приема и передачи данных по интерфейсу SpaceWire, а второй коммутатор представляет собой переконфигурируемый коммутатор, предназначенный для приема массивов первичных данных, обмена ими между модулями вычислительного блока и трансляции в другие вычислительные блоки или внешние устройства, модуль питания представляет собой устройство, обеспечивающее подачу на основные модули стабилизированного питания, он выполнен с возможностью контроля основных своих параметров, а также передачи их значений другим модулям блока вычислительного или внешним устройствам, все модули блока вычислительного связаны между собой посредством модулей коммутации, модули интерфейсные выполнены с возможностью взаимной замены, в базовой конфигурации выполнены с возможностью либо работы с медленными авиационными интерфейсами, либо в режиме графконтроллера.
2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что он содержит по два модуля вычислительных, модуля интерфейсных, модуля коммутации и модуля питания, соединенные между собой резервированной сервисной шиной.
3. Блок по п. 1, отличающийся тем, что сервисная шина выполнена с возможностью управления работой отдельных модулей, мониторинга основных параметров и состояний модулей и системы в целом.
4. Блок по п. 1, отличающийся тем, что в состав каждого модуля блока вычислительного входит подсистема контроля и управления модулем, реализованная на базе независимого микроконтроллера, указанная подсистема выполнена с возможностью получения электропитания от обоих модулей питания и обеспечивать штатное функционирование модуля, в состав которого она входит, при исправности хотя бы одного модуля питания, при этом указанная подсистема выполнена с возможностью подключения к резервированной сервисной шине блока вычислительного и обеспечения информационного взаимодействия с другими модулями.
5. Блок по п. 1, отличающийся тем, что модуль коммутации выполнен с возможностью реализации функции моста FC-RT-SPW, а также с возможностью регистрации во встроенное энергонезависимое хранилище выделенных данных проходящего через него трафика, а также исключения влияния избыточного трафика по какому-либо из виртуальных каналов сети FC-RT и SPW на остальные каналы и обеспечения возможности изменения таблиц конфигурации виртуальных каналов FC-RT и SPW, при этом одновременное использование пары модулей коммутации обеспечивает поддержку работы в режиме резервирования для каналов FC-RT и SPW.
6. Блок по п. 1, отличающийся тем, что модуль интерфейсный выполнен с возможностью объединения в себе функций контроллера всех основных авиационных интерфейсов, включая видеоинтерфейс ARINC818.
7. Блок по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью использования высокоскоростного последовательного интерфейса приема и передачи первичной информации от внешних датчиков для обмена этой информацией с другими модулями для передачи видеоданных по интерфейсу ARINC818 между модулями интерфейсными и модулями коммутации.
8. Блок по п. 1, отличающийся тем, что модуль коммутации содержит два независимых коммутирующих устройства: одно - для межмодульного обмена и обмена данными с внешними устройствами по интерфейсу FC-RT и поддерживающее функции моста с внешними устройствами по интерфейсу SpW, и другое - для приема и передачи данных из/в внешних устройств, включая видеоданные через интерфейс ARINC818.
9. Блок по п. 1, отличающийся тем, что в качестве коммутируемого канала использован интерфейс ARINC818.
