БорттыҚ аҚпараттыҚ-басҚару жҮйелерін баҒдарламаланатын логика микросҰлбаларын Қолданумен жобалау ерекшеліктері

Ғарыш аппараттарының заманауи борттық жабдықтарының құрылымы оның элементтерінің конструктивті интеграциясының жоғары деңгейін мензейді. Жоғарыда көрсетілгендей, осы күрделі жабдықтарды басқаруға арналған негізгі элемент борттық ақпараттық-басқару кешені (БИУК) болып табылады. Осы тапсырмаларды шешу жеткілікті ресурссыйымды болып саналады және борттық есептеуіш кешендерді қолдану арқылы жүзеге асырылады. Сонымен қатар ғарыш аппаратының сипаттамалары мен мақсатты арналымдарына байланысты эффективті шешім үшін минималды, сонымен қатар шекті максималды есептеуіш ресурстар керек болуы мүмкін. Мысалы, заманауи жоғары орбиталды серіктік байланыс жүйелерінің көпшілігі ретрансляторлар-серіктер жабдықтарының жұмысын ретрансляциялау немесе жиілікті көшіріп ретрансляциялау режимңнде қарастырады, ол қабылдау-тарату жабдықтарының жартылай жиынтықтарының ауыстырылуымен ғана қамтамасыз етіледі. Басқа мысал ретінде төменорбиталды оптика-электронды бақылау серіктері мен Жерді қашықтықтан зондтау серіктерін атап өтуімізге болады. Олар толықтай келесі бөлімде қарастырылған, олардың функционалдануы үнемі қабылдау мен бейнелердің қүрделі есептеуіш өңделуін, алынған мәліметтер дәлдігін қамтамасыз етеді.

Әр рет қайта жасақталатын борттық жабдықтарды құрастыру мен тапсырма үшін микросұлбаларды қолдану жасақтаудың қымбар әрі ұзақ бөлігі болып саналады. Бұдан бөлек, микроэлектронды технологияның дамуының жоғары динамикасының сақталуы кезінде осындай жасақтамалар тез ескіретін болады. Жоғарыда аталып өткендей, заманауи борттық жабдықтардың дамуының негізгі тенденцияларының бірі оның элементтерінің унификациясы болып табылады. Сондықтан оны құру үшін жиі апробациядан өткен стандартталған жобалау технологияларын қолданады, олар келесі принциптар бойынша жүзеге асырылған:

1) БИУК элементтерінің стандарт микроконтроллер мен микропроцессорлар бақасында көпмодульді құрастырылуы;

2) БИУК иерархиялы құрастырылуы негізгі талап етілген есептеуіш ресурстарды жүзеге асырумен орталық элемент (бортты микроЭВМ) және қосымша тапсырмаларды шешу үшін қосымша элементтерді қолданумен;

3) «Кристаллдағы жүйе» принципі бойынша құру (systemonchip) –БИУК барлық функцияларының аса ірі интеграция дәрежесімен сипатталатын бір микросұлбада жүзеге асырылуы.

Құрастырудың бірінші нұсқасы стандартталған модульдер мен микросұлбаларды қолдануға негізделген. Мысал ретінде PC 104 стандартын айтуға болады, ол борттық жабдықтардың «баспалдақты» құрылымын қарастырады, бұл құрылым кезінде әр модуль стандартталған өлшемдерге (форма факторы) және өзара әрекететтесуге арналған коммутация элементтеріне ие болып табылады. Орталық модуль басқаруды да қамтамасыз ететін орталық процессор модулі болып табылады. Осындай БИУК құрылымының басқа нұсқасы жүзеге асырудың модульді принципіне базаланады, ол бірнеше микроконтроллерларда орындалады, аталмыш микроконтроллерлер қарапайым ішкі құрылымға ие болулары тиіс, мысалы PIC контроллерлардан құралғаны абзал.

БИУК иерархиялық жүзеге асырылуы жеткілікті жоғары өнімділікке ие борттық ЭВМ қолдануды мензейді. Дегенмен, әдетте осындай ЭВМ борттық аппаратура көзқарасымен қарағанда ірі массагабариттеру мен энергетикалық қажеттіліктерге ие болады. Сондықтан осындай нұсқаны қолдану тек орташа немесе үлкен ғарыш аппараттарында мүмкін болады. «Кристаллдағы жүйе» концепциясы, аса толық 11 тарауда қарастырылады, перспективті ғарыш аппараттарының борттық жабдықтарында қолдануға аса рұқсатталған болып саналады, себебі жабдықтар элементтерінің максималды интеграциясын қамтамасыз етеді, және шағын өлшемдер мен төмен энергиятұтынуымен ерекшеленеді. Оны жүзеге асыру үшін арнайы интегралды сұлбалар әзірленуі мүмкін, олар нақты бір ғарыштық аппаратқа арнайы жасақталады. Дегенмен жасақтау және осындай элементтерді бір-бірлеп өндіру үлкен экономикалық және уақыттық шығындарды талап етеді, және ғарыш аппараттарының сериялы өндірісі кезінде ғана ақталады. Одан басқа, осындай элементтерді модернизациялау мен реконструкциялау процесттері күрделенеді. Жалпы жағдайда «кристаллдағы жүйе» принципі өзіне блоктардың түрлі түрлерін енгізе алады: бағдарламаланатын процессорлы ядролар, арнайы интегралды сұлбалар блоктары, бағдарламаланатын логика блоктары, аналогты компоненттер мен түрлі интерфейсты сұлбалар. Осындай блоктардың барлығы міндетті түрде физикалық сипатта бір кристаллда жүзеге асырылуы тиіс емес: процессорлар, жад блоктары бөлек компоненттер ретінде қолданылуы мүмкін.

Жоғары интеграцияланған БИУК жасақтау тиімділігінің артуы «кристаллдағы жүйе» технологиясы бойынша бағдарламаланатын логиканы қолданатын интегралды микросұлбаларды қолдану арқылы жүзеге асырылады (ПЛИС). Аталмыш технология жеткілікті кең таарған және танымал болып табылады, дегенмен соңғы кездері интеграция дәрежесінің артуы мен элементті базаның тез әрекет етуі арқасында оны ғарыштық аппаратураның борттық жабдықтарына белсенді енгізу мүмкіндіктері пайда бола бастады. ПЛИС микроэлектрониканың салыстырмалы түрде жаңа, тез дамып келе жатқан саласы болып табылады, және қатаң бәсекелестік жағдайында олардың танымалдылығынын артқаны соншалық, кейбір болжамдар бойынша барлық аспаптардың 60% ПЛИС қолданады және тек қана 21% – арнайы вентиль матрицаларын пайдаланады.

ПЛИС қолдану сандық құрылғыларды жобалау процессінің технологиясын елеулі арттырады және осы процестті толықтай дерлік ПЭВМ ауыстырады. Бағдарламаланатын логикалық интегралды сұлбалар классына келесі технологиялар бойынша жасақталған интегралды сұлбалар жатқызылады:

– FPGA (Field Programmable Gate Array);

– EPLD ((Е)EPROM technology based complex Programmable Logic Devices);

– CPLD (CMOS FastFlash complex Programmable Logic Devices);

– MPLD (Mask Programmable Logic Devices).

EPLD, CPLD, MPLD технологиялары толықтай бағдарламаланатын вентиль матрицалары мен макроұяшыұтар банкін қолдануды мензейді. Макроұяшықтар функционалды блоктарды құрайды, олар өз кезегінде түрлі комбинаторлы және кезекті логикалық функцияларды орындайды. Қолданушы бағдарлайтын базалы матрицалы кристаллдар (FPGA) аса жетілген болып саналады,себебі интегралды сұлбаның ішкі құрылымын ішкі матрицаны бағдарламалау жолымен жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

Бағдарламаланатын логикаға ие элементті базаны негізгі өндіруші және жасақтаушы QuickLogic, Actel, Xilinx, Altera компаниялары болып саналады. Ғарыштық жүйелерде ПЛИС қолдануда бөлек орынды Actel компаниясының өнімдері алады. Actel компаниясының ПЛИС ерекшеліктері Antifuseтехнологияны қолдану болып табылады, ол бағдарламалау кезінде металл түкшені құрастырумен сипатталады. Берілген технология трассировканың жоғары сенімділігі мен икемді ресурстарын қамтамасыз етеді, және конфигурациялы ПЗУ талап етпейді. Компания өндіретін өнімдер коммерциялық, радиациятұрақты орындалуды қамтамасыз етеді және күрделі жағдайлада функционалдану тұрақтылығы мен сенімділік стандарты талаптарына жауап береді.

ПЛИС базасында сұлбаларды жобалау келесі операцияларды орындауды алдын алады:

– жасақталып жатқан логикалық сұлбаның сипаттамасын бірнеше тілде енгізу

–ПЛИС моделін сипатталған сұлбаны жүзеге асыру үшін экспертті таңдау, ол талап етілген бағдарламаланған ұяшықтар санын ескере отырып және компонент функционалдану шарттарына жүгініп жүзеге асырылады;

– элемент сұлбасының логикалық сипаттамасын ПЛИС моделіне көшіру және оны оптимизациялау (трансляция, оптимизация, орналастыру);

– жасақталған компонентті талаптарға сәйкестікке тексеру мақсатында функционалды және уақытты модельдеу;

– жасақталған компонент верификациясы мен оның моделін редакциялау;

– Шегерілген ПЛИС моделін ПЭВМ көмегімен сәйкес порт немесе FPGA жағдайында ішкі есте сақтау құрылғысы негізінде жүктеу. CPLD чиптары FAST FLASH жадымен жүктелгеннен кейін, өшірілгенде де оларды сақтайды. Жиі ПЛИС компоненттерін сипаттау үшін VHDL тілі қолданылады – сандық компоненттердің логикалық құрылымын сипаттайтын тіл. Одан бөлек, көптеген қолданулар үшін компоненттер қоймасы жасақталған, олар ПЛИС өндіруші фирмаларымен тегін таратылады.

Ғарыш аппаратының БИУК ПЛИС микросұлбасы базасында жүзеге асырылуының мысалы.Сурет 1.4.

Перспективті байланыс ғарыш аппаратының БИУК жүзеге асырылу нұсқасы 1.4-суретте бейнеленген. ПЛИС бұл жағдайда орталық элемент болып табылады, ол арнайы ақпаратты жинау және өңдеуді, сонымен қатар борттық жабдық барлық элементтерінің жағдайын басқару мен бақылауды жүзеге асырады. ПЛИС негізіндегі БИУК құрылымы мәліметтерді алмасу ішкі шиналарын қолдануды әр түрлі компоненттер арасында мензейді. Осы жағдайда қолданылатын вентильдердің шамамен алғандағы саны бір жарым милионға жуық, ол ProAsic сериясының бір ПЛИС микросұлбасы аясында жүзеге асырылуы мүмкін. Сурет 1.5 ProAsicPlus сериялы ПЛИС компоненттерінің сыртқы көрінісі келтірілген, ол сыртқы құрылғылармен әрекет ету операцияларын өңдеуді қамтамасыз етеді.

Бағдарламаланатын логикаға ие микросұлбалардың шегіну тақшасы. Сурет 1.5.

Әрі қарай борттық жабдықтар модернизациясы бағдарламалық модельдер мен жасақталған стандартты компоненттер кітапханасының болуының арқасында қосымша шығындарды талап етпейтін болады, ол өз кезегінде берілген технологияны массалы сипатта қолдану жағдайында перспективті ғарыш аппараттарының сериялы өндірісін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.