基于FPGA的多核可重构技术研究

论文摘要

当今卫星规模微小型化、功能多样化的发展趋势对星载计算机带来的一系列要求,如更短的研发周期、更高的功能密度、更强的数据处理能力、更高的可靠性和安全性,以及在轨软/硬件升级功能等,传统基于通用微处理器或ASIC的设计方法已难以满足以上要求。本文针对这一问题,提出融合多核处理器技术和可重构计算技术于一体的设计理念,并结合当前FPGA在航天领域成功应用及优势,将此设计理念应用于FPGA器件,进行了可重构星载计算机的设计。针对以上对星载计算机多种要求,以基于FPGA的多核可重构技术为基础,本课题提出基于CAN总线的总线型电气拓扑结构,确定了以Virtex II系列FPGA芯片为处理中心、以通用微处理器C8051F040为配置中心、外加外部存储器的可重构星载计算机设计方案。并重点对系统的重构方案进行了论证与分析,确定了专用配置芯片+通用微处理器的被动并行配置方案,完成了可重构星载计算机硬件电路设计。在上述体系结构的基础上,进行了多核处理器技术的研究,提出主协工作模式双核处理器系统+uC/OS-II操作系统的FPGA片上系统设计方案,并对星务管理系统的传统任务划分方法进行改进,得出一种全新的星务管理系统任务划分方案。最后通过实验对内嵌双核处理器+操作系统的可重构星载计算机进行了性能验证。构建了姿态轨道控制系统半物理仿真测试平台,对重构时间和运算性能进行了测试,并通过加入故障来对在系统重构功能进行验证。实验结果表明:可重构星载计算机的重构时间约43ms,重构时间和运算性能均能满足卫星250ms的控制周期,且能正常完成在系统重构的功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 可重构计算技术研究
• 2.1 可重构计算技术概述
• 2.2 可重构计算技术划分
• 2.2.1 重构体划分
• 2.2.2 重构方式划分
• 2.2.3 耦合方式划分
• 2.3 可重构计算在航天领域应用的可行性及优势
• 2.4 本章小结
• 第3章 可重构星载计算机硬件电路设计
• 3.1 可重构星载计算机硬件需求分析及结构设计
• 3.1.1 可重构星载计算机硬件功能需求分析
• 3.1.2 可重构星载计算机硬件结构设计
• 3.2 处理器单元设计
• 3.3 配置单元设计
• 3.3.1 配置方案选择
• 3.3.2 配置模式选择
• 3.3.3 配置电路设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于多核技术的星务管理系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 基于MicroBlaze 的多核技术研究
• 4.2.1 MicroBlaze 软核体系结构
• 4.2.2 多核处理器技术研究
• 4.3 uC/OS-Ⅱ 操作系统
• 4.3.1 uC/OS-Ⅱ 操作系统简介
• 4.3.2 uC/OS-Ⅱ 移植对处理器的要求
• 4.3.3 uC/OS-Ⅱ 在Microblaze 上的移植
• 4.4 基于多核+操作系统的星务系统设计
• 4.4.1 星务管理系统任务需求分析
• 4.4.2 基于Microblaze 的双核系统设计
• 4.4.3 星务管理系统设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统功能实现及性能测试
• 5.1 FPGA 片上系统的设计实现
• 5.2 系统性能测试
• 5.2.1 重构时间测试
• 5.2.2 运算性能测试
• 5.2.3 在系统重构功能验证
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢