一種基于嵌入式處理器PowerPC7447的顯示平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

　　摘要：根據(jù)航空電子系統(tǒng)對(duì)顯示技術(shù)的需求，針對(duì)機(jī)載環(huán)境的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了基于PowerPC7447處理器的顯示平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該平臺(tái)的構(gòu)成及功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。顯示平臺(tái)通過集中控制和綜合顯示，能及時(shí)響應(yīng)和集中處理飛行員的各種命令。同時(shí)，顯示平臺(tái)強(qiáng)大的圖形處理和數(shù)據(jù)處理能力對(duì)在三維地圖顯示基礎(chǔ)上疊加導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)和飛行參數(shù)等技術(shù)提供了支持。通過綜合測(cè)試和應(yīng)用表明，本顯示平臺(tái)具有通用性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)、數(shù)據(jù)吞吐量大和動(dòng)態(tài)圖形處理效率高等特點(diǎn)，對(duì)于提升座艙顯示效果具有重要意義。

　　0 引言

　　戰(zhàn)斗機(jī)座艙顯示是飛行員了解戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、攻防信息、本機(jī)狀態(tài)等信息，完成作戰(zhàn)任務(wù)的重要信息來源;預(yù)警機(jī)、戰(zhàn)場(chǎng)指揮機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)顯示終端是指揮員了解戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、指揮作戰(zhàn)的主要信息來源。因此，機(jī)載顯示系統(tǒng)是新一代航空電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合化、數(shù)字化和智能化的核心與關(guān)鍵。三維圖形顯示是機(jī)載顯示系統(tǒng)的發(fā)展方向，而提高圖形顯示質(zhì)量、加快圖形生成速度是機(jī)載顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵。

　　本文以可視化導(dǎo)航信息系統(tǒng)(以下簡稱可視化系統(tǒng))為研制背景，進(jìn)行機(jī)載顯示平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)?？梢暬到y(tǒng)以Power PC7447高性能通用處理器為核心;采用VME總線標(biāo)準(zhǔn)，符合通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的要求;采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和OpenGL函數(shù)庫，提高軟件的開發(fā)效率。

　　1 可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法

　　1.1 可視化系統(tǒng)功能分析

　　可視化系統(tǒng)作為機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，需要為飛行員或領(lǐng)航員直觀地提供三維數(shù)字地圖導(dǎo)航信息、控制指令、近地告警、進(jìn)近著陸和地圖漫游等顯示信息，應(yīng)具有以下主要功能：1)衛(wèi)星定位;2)地圖導(dǎo)航;3)進(jìn)近著陸;4)地圖漫游;5)數(shù)據(jù)管理。

　　1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)可視化系統(tǒng)的功能需求，顯示平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)高性能的顯示處理、大容量的存儲(chǔ)、高速的總線等技術(shù)。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行處理器類型及速度選擇、存儲(chǔ)器容量選擇、輸入和輸出接口的選擇等工作。

　　按照模塊化的設(shè)計(jì)思路，可將顯示平臺(tái)按功能劃分為CPU模塊、圖形加速器模塊、存儲(chǔ)模塊、多功能接口模塊和電源模塊。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 CPU模塊設(shè)計(jì)

　　2.1.1 CPU模塊組成

　　CPU模塊主要由以下幾個(gè)電路組成：處理器電路(選用高性能通用處理器PowerPC7447A)、存儲(chǔ)電路、邏輯控制電路、時(shí)鐘電路、接口電路、復(fù)位電路等。CPU模塊的組成示意圖如圖2所示。

　　2.1.2 處理器選擇

　　PowerPC主機(jī)處理器是Motorola和IBM共同研發(fā)的RISC體系結(jié)構(gòu)的處理器，它具有速度高、功耗低、計(jì)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)。目前，在32位嵌入式處理器領(lǐng)域，F(xiàn)reescale的PowerPC占據(jù)市場(chǎng)份額最大，其中G4系列，即74xx系列產(chǎn)品以其卓越的性價(jià)比得到了軍品市場(chǎng)的青睞，并且在全球范圍內(nèi)有多個(gè)廠家生產(chǎn)軍品級(jí)，供貨渠道有保證。從性能上講，1GHz的MPC7455峰值運(yùn)算速度為8GFLOPS，1.3GHZ的MPC7457可以達(dá)到峰值運(yùn)算速度為9GFLOPS，而隨著技術(shù)的進(jìn)步，其下幾代產(chǎn)品主頻更高、單封裝處理器核數(shù)更多，當(dāng)然處理能力也越強(qiáng)。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)來說，PowerPC G4主機(jī)處理器的外圍電路相似，部分型號(hào)封裝也相同，在硬件上不改動(dòng)或經(jīng)過很小的改動(dòng)就可以升級(jí)處理器到新的型號(hào)，而軟件的改動(dòng)也非常小，就可以迅速提升原有系統(tǒng)的處理能力。

　　通過以上性能分析，以及在成本、功耗、時(shí)鐘頻率、發(fā)展趨勢(shì)方面具有的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)和第三方軟件的支持率，我們最終選擇了Freescale的PowerPCG4主機(jī)處理器中的佼佼者M(jìn)PC7447A作為CPU的核心處理器。

　　CPU模塊采用MPC7447A處理器，工作主頻為1GHZ。MPC7447A是PowerPC系列處理器中的第四代高性能的處理器。完成整、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理運(yùn)算以及并行向量運(yùn)算。單處理器功耗典型情況下為9W。

　　該處理器集成如下功能塊：1)高性能、超標(biāo)量處理器：2)11個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元和3組寄存器類;3)kbytes指令Cache和32kbytes數(shù)據(jù)Cache;4)內(nèi)部集成512kbytes的L2Cache;5)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型有32和164位;6)功耗和熱管理單元。

　　2.1.3 存儲(chǔ)電路

　　本電路一般由Flash、SDRAM、NVRAM存儲(chǔ)器組成，王要完成動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。Flash用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序，完成系統(tǒng)的程序加載和啟動(dòng);SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù);NVRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)BOOT程序參數(shù)和某些上電配置器件的配置數(shù)據(jù)。

　　2.1.4 邏輯控制電路

　　采用FPGA作為可編程控制芯片，實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位、中斷、計(jì)數(shù)器、看門狗定時(shí)器、串口、GPIO寄存器、外設(shè)的片選譯碼等。

　　2.1.5 復(fù)位電路

　　復(fù)位電路的設(shè)計(jì)包括軟件復(fù)位和硬件復(fù)位。

　　軟件復(fù)位是軟件引起CPU復(fù)位，可以通過軟件寫寄存器方式復(fù)位CPU，同時(shí)驅(qū)動(dòng)底板總線上的復(fù)位信號(hào)。

　　需要注意的是模塊上電時(shí)，F(xiàn)PGA需要配置，在配置過程中應(yīng)保證其他功能塊仍處于復(fù)位狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)把FPGA加載是否完成的信號(hào)接到復(fù)位芯片的手動(dòng)復(fù)位輸入端以保證FPGA加載完成，同時(shí)可通過手動(dòng)復(fù)位對(duì)模塊進(jìn)行復(fù)位。

　　2.2 圖形加速模塊的設(shè)計(jì)

　　圖形顯示中顯示速度和圖形質(zhì)量是關(guān)鍵問題，實(shí)時(shí)的圖形生成系統(tǒng)對(duì)處理器的運(yùn)算速度要求很高，提高系統(tǒng)處理速度有兩種方法：采用多處理器并行系統(tǒng)或采用硬件協(xié)處理器作為圖形加速引擎。顯示平臺(tái)采用了硬件協(xié)處理器的概念。圖形處理器采用ATI公司的M9，它是ATI公司針對(duì)新一代低功耗多媒體系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的高圖形處理芯片，支持2D/3D硬件加速，硬件支持OpenGL圖形接口標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)建多條并行圖形處理流水線，采用多芯片封裝技術(shù)，內(nèi)部集成64MByte的DDR顯存。M9圖形硬件加速性能極高，功耗較低，它主要具有以下特性：