一種基于嵌入式處理器PowerPC7447的顯示平臺設計方案

　　摘要：根據航空電子系統對顯示技術(shù)的需求，針對機載環(huán)境的應用特點(diǎn)，提出了基于PowerPC7447處理器的顯示平臺的設計方案，并對該平臺的構成及功能實(shí)現進(jìn)行了設計。顯示平臺通過(guò)集中控制和綜合顯示，能及時(shí)響應和集中處理飛行員的各種命令。同時(shí)，顯示平臺強大的圖形處理和數據處理能力對在三維地圖顯示基礎上疊加導航、戰術(shù)和飛行參數等技術(shù)提供了支持。通過(guò)綜合測試和應用表明，本顯示平臺具有通用性強、可擴展性強、數據吞吐量大和動(dòng)態(tài)圖形處理效率高等特點(diǎn)，對于提升座艙顯示效果具有重要意義。

　　0 引言

　　戰斗機座艙顯示是飛行員了解戰場(chǎng)態(tài)勢、攻防信息、本機狀態(tài)等信息，完成作戰任務(wù)的重要信息來(lái)源;預警機、戰場(chǎng)指揮機的作戰任務(wù)顯示終端是指揮員了解戰場(chǎng)環(huán)境、指揮作戰的主要信息來(lái)源。因此，機載顯示系統是新一代航空電子系統實(shí)現綜合化、數字化和智能化的核心與關(guān)鍵。三維圖形顯示是機載顯示系統的發(fā)展方向，而提高圖形顯示質(zhì)量、加快圖形生成速度是機載顯示系統的關(guān)鍵。

　　本文以可視化導航信息系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)可視化系統)為研制背景，進(jìn)行機載顯示平臺的設計和實(shí)現?？梢暬到y以Power PC7447高性能通用處理器為核心;采用VME總線(xiàn)標準，符合通用化、標準化、系列化的要求;采用VxWorks實(shí)時(shí)操作系統和OpenGL函數庫，提高軟件的開(kāi)發(fā)效率。

　　1 可視化系統結構與設計方法

　　1.1 可視化系統功能分析

　　可視化系統作為機載導航設備，需要為飛行員或領(lǐng)航員直觀(guān)地提供三維數字地圖導航信息、控制指令、近地告警、進(jìn)近著(zhù)陸和地圖漫游等顯示信息，應具有以下主要功能：1)衛星定位;2)地圖導航;3)進(jìn)近著(zhù)陸;4)地圖漫游;5)數據管理。

　　1.2 系統架構設計

　　根據可視化系統的功能需求，顯示平臺需要實(shí)現高性能的顯示處理、大容量的存儲、高速的總線(xiàn)等技術(shù)。因此在系統設計時(shí)，需要進(jìn)行處理器類(lèi)型及速度選擇、存儲器容量選擇、輸入和輸出接口的選擇等工作。

　　按照模塊化的設計思路，可將顯示平臺按功能劃分為CPU模塊、圖形加速器模塊、存儲模塊、多功能接口模塊和電源模塊。其組成結構如圖1所示。

　　2 硬件設計與實(shí)現

　　2.1 CPU模塊設計

　　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)、存儲電路、邏輯控制電路、時(shí)鐘電路、接口電路、復位電路等。CPU模塊的組成示意圖如圖2所示。

　　2.1.2 處理器選擇

　　PowerPC主機處理器是Motorola和IBM共同研發(fā)的RISC體系結構的處理器，它具有速度高、功耗低、計算能力強的特點(diǎn)。目前，在32位嵌入式處理器領(lǐng)域，Freescale的PowerPC占據市場(chǎng)份額最大，其中G4系列，即74xx系列產(chǎn)品以其卓越的性?xún)r(jià)比得到了軍品市場(chǎng)的青睞，并且在全球范圍內有多個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)軍品級，供貨渠道有保證。從性能上講，1GHz的MPC7455峰值運算速度為8GFLOPS，1.3GHZ的MPC7457可以達到峰值運算速度為9GFLOPS，而隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，其下幾代產(chǎn)品主頻更高、單封裝處理器核數更多，當然處理能力也越強。對于硬件設計來(lái)說(shuō)，PowerPC G4主機處理器的外圍電路相似，部分型號封裝也相同，在硬件上不改動(dòng)或經(jīng)過(guò)很小的改動(dòng)就可以升級處理器到新的型號，而軟件的改動(dòng)也非常小，就可以迅速提升原有系統的處理能力。

　　通過(guò)以上性能分析，以及在成本、功耗、時(shí)鐘頻率、發(fā)展趨勢方面具有的內在優(yōu)勢和第三方軟件的支持率，我們最終選擇了Freescale的PowerPCG4主機處理器中的佼佼者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)數據處理運算以及并行向量運算。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、超標量處理器：2)11個(gè)獨立的執行單元和3組寄存器類(lèi);3)kbytes指令Cache和32kbytes數據Cache;4)內部集成512kbytes的L2Cache;5)浮點(diǎn)數據類(lèi)型有32和164位;6)功耗和熱管理單元。

　　2.1.3 存儲電路

　　本電路一般由Flash、SDRAM、NVRAM存儲器組成，王要完成動(dòng)、靜態(tài)數據的存儲。Flash用于存儲實(shí)時(shí)操作系統、驅動(dòng)和應用程序，完成系統的程序加載和啟動(dòng);SDRAM存儲系統運行時(shí)的程序和數據;NVRAM存儲系統BOOT程序參數和某些上電配置器件的配置數據。

　　2.1.4 邏輯控制電路

　　采用FPGA作為可編程控制芯片，實(shí)現軟件復位、中斷、計數器、看門(mén)狗定時(shí)器、串口、GPIO寄存器、外設的片選譯碼等。

　　2.1.5 復位電路

　　復位電路的設計包括軟件復位和硬件復位。

　　軟件復位是軟件引起CPU復位，可以通過(guò)軟件寫(xiě)寄存器方式復位CPU，同時(shí)驅動(dòng)底板總線(xiàn)上的復位信號。

　　需要注意的是模塊上電時(shí)，FPGA需要配置，在配置過(guò)程中應保證其他功能塊仍處于復位狀態(tài)，在設計時(shí)把FPGA加載是否完成的信號接到復位芯片的手動(dòng)復位輸入端以保證FPGA加載完成，同時(shí)可通過(guò)手動(dòng)復位對模塊進(jìn)行復位。

　　2.2 圖形加速模塊的設計

　　圖形顯示中顯示速度和圖形質(zhì)量是關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)時(shí)的圖形生成系統對處理器的運算速度要求很高，提高系統處理速度有兩種方法：采用多處理器并行系統或采用硬件協(xié)處理器作為圖形加速引擎。顯示平臺采用了硬件協(xié)處理器的概念。圖形處理器采用ATI公司的M9，它是ATI公司針對新一代低功耗多媒體系統而設計的高圖形處理芯片，支持2D/3D硬件加速，硬件支持OpenGL圖形接口標準，內建多條并行圖形處理流水線(xiàn)，采用多芯片封裝技術(shù)，內部集成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：