1引言

SPARC" title="SPARC">SPARC(Scalable Processor Architecture)，是任何人或公司都能準許和使用其于微處理器和半導體發展的開發技術規格。SPARC誕生與SUN Microsystems實驗室公司，它是加州大學伯克利的研究人員在RISC技術上研究發展起來的。1985年Sun微系統公司為了獲得更高的執行效率和更為優化的編譯器，并滿足其縮短開發周期、迅速投放市場的要求，提出了該體系結構。該公司本身并不進行集成電路的設計和生產，而是由多家半導體廠商以不同的VLSI實現為其進行生產。最終只要求用這些不同芯片構成的系統均保證程序二進制兼容。這使得廠家能充分發揮自己的特長進一步改進工藝技術、提高性能?？梢哉fSPARC是一個開放的體系結構標準，允許公眾制造商的加入。1987年，Sun和TI公司合作開發了RISC微處理器SPARC。1989年，SUN Microsystems轉移SPARC規范到一個獨立、非盈利組織，用于服務成員開發認證。從最早的32位SPARC V7，到32位SPARC V8(哈佛結構)，一直發展到目前的64位SPARC V9(超標量)，使SPARC體系的RISC微處理器得到廣泛的發展。SPARC微處理器最突出的特點就是它的可擴展性，這是業界出現的第一款有可擴展性功能的微處理，SPARC的推出為Sun贏得了高端微處理器市場的領先地位。Sun公司以其性能優秀的工作站聞名，這些工作站全都是采用Sun公司自己研發的SPARC芯片。

航天計算機" title="航天計算機">航天計算機是航天設備控制的中樞神經，隨著航天工程復雜性的不斷提高，設備對計算機的要求越來越高。航天電子產品不但要耐火箭起飛時的沖擊、振動等苛刻的力學環境，而且要承受宇宙空間的高溫、低溫、高真空、高輻射等極端條件；另外，由于在空間環境條件下，電子產品的可維護性非常差，而且一旦發生故障，其后果往往比較嚴重，甚至是致命的。因此相對于普通計算機，其可靠性要求更高。

在航天領域，美國現在使用的最高端的星載計算機，采用的是基于POWERPC體系結構的。歐空局為了擺脫美國對其空間研發能力的制約而獨立開發了基于SPARC V7機構的面向空間應用的微處理器：ERC32，其輻射加固版本已經成熟使用于航天環境中。06年5月22日，基于LEON SPARC V8的處理器也成功使用于航天工程。可以說SPARC體系結構的CPU" title="CPU">CPU在今后的航天計劃中將發揮更大作用。

盡管國內的IC研發和設計水平同國際先進水平相比還存在著較大的差距。但是，隨著國內半導體工業的發展，國內已能生產出可以在空間環境應用的處理器，有些處理器已有在軌飛行的經歷，但基于這些處理器的航天計算機性能比較低，處理能力不超過11MIPS，性能功耗比小，重量體積又偏大，不能適應我國航天工程未來的發展。近年來，我國加速了軍用器件國產化的步伐，研制出了較高性能的處理器，本設計采用的國產CPU是32位RISC處理器，主頻150MHz，處理能力80MIPS@133MHz，這款CPU是目前國產的可在空間應用的CPU中性能比較高的。本處理器基于SPARC V8 體系結構，內部采用AMBA總線可擴展結構，帶有32kb指令緩存和32kb數據緩存。功耗低于1瓦，具有檢錯和糾錯功能，支持對寄存器堆和外部存儲器的EDAC，以及Cache的奇偶校驗。芯片采用0.18um CMOS工藝，抗γ總劑量：100Krad（Si）。

2 硬件實現方案

2.1 總體設計

本設計考慮到計算機的可擴展性，采用底板、主板、電源板分離，并在底板上預留了兩個擴展插槽，便于將來功能擴展時使用。

圖1 計算機總體框架圖

2.2 CPU主板設計

由于1553B總線具有極高的可靠性，因而在航空、航天、軍事等領域的電子聯網系統中得到廣泛應用。1553B總線具有以下優點：類似局域網結構；冗余容錯能力：支持“智能”遠置終端；高可靠的故障隔離性能；實時可確定性。本設計中引入1553B總線。

圖2 CPU主板框架圖

主板的布線要主要電磁兼容的影響，采用六層電路板，布線時主要電源分割和多層走線策略。另外用一片小的CPLD可以將簡單電路集成其中，簡化電路復雜程度。

2.3 其它硬件設計

電源板的設計，要考慮到為本系統提供高效和穩定的電源。本系統電路較復雜，電源板要提供多個電平的電源給系統使用。底板的設計較為簡單，它把整個系統集成到一起。而擴展板設計主要是為了具體工程和項目需求而進行更改設計。

圖3 系統實物圖

3 底層軟件方案

3.1 V8匯編語言

3.1.1 語言格式

V8 的匯編語言以段（section）為單位組織源文件。段是相對獨立的、具有特定名稱的、不可分割的指令或者數據序列。段可以分為代碼段和數據段，代碼段存放執行代碼，數據段存放代碼運行時需要用到的數據。一個源程序至少需要一個代碼段，大的程序可以包含多個代碼段和數據段。

V8 的匯編語言源程序經過匯編處理后生成一個可執行的鏡像文件（即.exe 文件），該可執行文件包括下面三個部分：

一個或多個代碼段，代碼段通常是可讀的

一個包含初始值的數據段，這些數據段通常是可讀寫的

零個或多個不包含初始值的數據段，這些數據段被初始化為0

V8 匯編程序的基本結構為：

.seg “text” ！定義一個代碼段

.global data, start, hardreset ！定義全局變量

start： ！標識程序開始,start 要定義為global

set data, %g1

set 3, %g2

add %g2, %g1, %g2

.seg “data”

data:

.word 128

3.1.2 程序設計

在應用系統的程序設計中，若所有的編程任務均用匯編語言來完成，其工作量是很大的。所以，V8 體系結構支持C 以及與匯編語言的混合編程，在一個完整的程序設計中，除了初始化部分用匯編語言完成以外，其主要的編程任務一般都用C 完成。匯編語言與C 的混合編程通常有以下幾種方式：

在C 代碼中嵌入匯編指令

在匯編程序和C 程序之間進行變量的相互訪問

匯編程序和C 程序之間的相互調用

.seg “text”

.global start

start:

set 0x10e0, %g1

mov %g1, %psr

set 0x40000000, %g1

mov %g1, %tbr

set 0x40079000, %g1

mov %g1, %sp

call main

nop

nop

以上的程序段完成簡單的初始化，然后跳轉到main 函數所標識的C 代碼處，如果用戶自己編寫初始化程序，則跳轉到的函數名稱可以自行定義，如果使用編譯器自帶的啟動程序，則必須定義main 函數為C 代碼主函數。

3.2 CPU初始化程序設計

當使用一個嵌入式操作系統或者不使用嵌入式操作系統、一開始就執行嵌入式應用程序時，有許多因素需要考慮，主要有：

1、初始化執行環境。

2、初始化應用程序

例如：對于已初始化變量，要把初始值從ROM 復制到RAM 的，還要設置其他沒有初始化的變量為零。

3、接一個嵌入的可執行的程序鏡像，將代碼和數據放入存儲器的特定區域里。

對于一個沒有嵌入式操作系統支持的嵌入式應用程序來說，ROM 中的代碼必須規定一個初始化和啟動執行的應用程序的方法。

圖4 CPU初始化流程圖

3.3 目前工作及展望

星載計算機的基本設計和調試已經完成，考慮到軟件的可重用性，將引入實時操作系統，便于統一軟件接口和減少工程中軟件工作量。

4 結論

針對目前星載計算機CPU基本依賴進口現狀，本設計使用性能較高國產基于SPARC V8的CPU，設計實現了用于未來航天工程的星載計算機，對于航天技術的獨立自主發展有一定意義，對星載計算機CPU國產化是一種有益探索。