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摘要：随着我国对宇航产品自主可控要求的不断提升，国产器件必将广泛应用于宇航电子产品中。该文以国产P1750处理器芯片的地面考核和在轨应用验证为基础，为国产处理器在轨可靠性应用提供了参考。
关键词：国产器件；P1750；应用验证
中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）05-0268-01
PACE1750A系列CPU是一款基于美军标MIL-STD-1750的16位通用处理器，采用CMOS/SOS工艺，在30MHz主频下可达到3.0MIPS运算能力[1]。基于1750系列的CPU已应用在FY-1、FY-3等卫星中，包括姿轨控计算机和数管计算机[2]。十余颗卫星在轨运行情况表明，基于1750体系结构的星载计算机具有产品稳定性好，可靠性高的特点。
目前在轨卫星使用的1750系列CPU多为进口芯片，主要包括P1750系列、BX1750系列和31750系列。上述三类芯片不但器件引脚、封装形式、时序关系不同，其配套的MMU芯片也不尽相同。使用进口CPU芯片存在诸多不利因素：一方面由于国外对这些芯片的禁运，目前已经无法采购；其次进口芯片更换导致各型号产品技术状态变化，产品化设计难度大；第三，芯片更换造成的技术状态变化还需要进行复杂的验证试验。
国产P1750套片全面兼容进口P1750、P1753、P1754芯片。国产套片的考核验证包括地面验证和在轨验证两部分，主要内容包括套片时序设计、抗辐照性能、工程样机考核试验、在轨考核应用等。
1 国产P1750套片的地面验证
1.1 兼容性级抗辐射能力验证
在一些成熟产品中系统软件是针对进口31750芯片编写的。相对于31750系列芯片，国产P1750套片增加了许多外设功能，主要包括等待周期配置、定时器配置、EDAC使能等。采用国产P1750套片，若EDAC、看门狗、定时器功能都采用外部硬件FPGA实现，可以不对相应的寄存器进行配置，从而实现对原有31750系统软件的兼容。同时对国产P1750套片的辐照试验表明，其抗总剂量指标大于100K rad（Si），抗单粒翻转LET阈值为67MeV·cm2/mg[4]，均满足卫星在轨使用要求。
1.2 国产P1750套片星载计算机软件考核
CPU芯片的考核除硬件时序外，必须通过软件验证才能充分验证其功能、性能。星载软件固化在抗辐射PROM和EEPROM内，软件运行时需访问到CPU的所有资源，包括寄存器、内存、IO空间、中断等，软件考核内容及方法如下：1）内部寄存器：程序将CPU所有内部寄存器内容读出，通过总线作为遥测信息下传，对CPU状态进行及时判断；2）中断处理：系统设计循环发出的外部中断信号，如果CPU能够正常进行中断处理则给出正确标志，如果处理异常则标志出错位置；3）内存检测：程序运行过程中对内存区域进行循环检测，将检测结果和出错信息作为遥测信息下传；4）运算：搭载计算机可以运行一些计算程序，将运算结果进行下传，地面可以判断结果是否正确。
1.3 国产P1750套片星载计算机地面验证试验
根据在轨应用需求，对验证样机进行高低温环境下性能稳定性摸底试验。试验程序运行于20MHz主频，包括了三个方面的内容：1）基本存储器及IO资源的操作和访问；2）页面寄存器的操作和访问；3）实现1750指令计集全覆盖，重点对进口31750套片易出错的复杂运算指令进行了考核。复杂指令和特殊数据的考核内容包括双精度整数加法、扩展精度浮点加法、扩展精度浮点减法、浮点加法、32位定点转48位浮点、扩展精度浮点乘法、扩展精度浮点除法、48位浮点转32位定点等。
试验期间，在高低温环境下进行了电压拉偏测试，每0.3V一个步进，每个步进电压下运行5分钟。拉偏试验表明在3.2V～6.8V供电条件下国产套片运行良好，程序运算结果正确。
2 国产P1750套片的在轨验证
使用国产P1750套片的验证机作为某卫星的搭载设备随整星发射入轨，卫星运行正常后验证机开机进行在轨考核。验证机运行的软件包括CPU管理、姿态计算和数据管理等模块，具体验证内容如表1。
上述验证内容中，由于异常机制在轨无法有效模拟，其验证主要在地面测试中进行。通过人为设计数组越界、浮点越界、除零运算、非法特权指令等语段，以白盒的方法测试异常能否正确触发，再根据异常处理函数中捕获的异常类型、异常地址、寄存器数据等判断异常时的现场信息是否正确。
1）运算能力
验证样机软件中设计了轨道递推模块，它跟姿轨控计算机的对应模块同步工作，并接收姿轨控计算机的运算结果进行比对，以检验国产套片的浮点运算是否正确。在轨比对结果表明国产套片运算能力满足任务要求。
2）中断响应
为了考核国产P1750套片中断机制是否正常，计算机硬件设计了外部定时中断，中断周期为512ms，发生中断时由软件维护中断发生的总计数，并在768秒的遥测帧周期中将该计数值组帧到打包遥测下传给地面分析。根据遥测帧周期和中断周期，在一个遥测周期内可以产生768/0.512 = 1500次中断，因此两个遥测帧之间的计数差应该是1500。从打包遥测可以判断计数差为1500次，中断响应符合设计要求。
3）系统寄存器
软件工作正常时每秒备份28个国产P1750套片的寄存器数据，并检查1750故障寄存器、1753配置寄存器1、1753配置寄存器2和1754配置寄存器等4个重要的系统寄存器设置是否正确，将检查结果形成遥测信息。软件发生异常时，将备份的28个寄存器数据以打包遥测方式传回地面分析。根据打包遥测判断，在轨验证期间套片的系统寄存器均未发生错误。
3 结束语
经过地面及在轨应用验证，国产P1750系列芯片在电气、功能、性能等方面与进口1750处理器一致，在各项环境模拟和辐射条件下验证合格，满足卫星、飞船等后续宇航型号的工程应用要求。
参考文献：
[1] P1750A/SOS SINGLE CHIP，20MHz to 30MHz，CMOS/SOS SPACE PROCESSOR. PYRAMID SEMICONDUCTOR CORPORATION[J]. Document # MICRO-6 REV B， 2005.
[2] 杨钧. 星载BX1750芯片抗单粒子翻转性能评估[J]. 上海航天， 2005（1）.
[3] 王晶， 王月， 孙越强. 国产SOI1750A微处理器抗辐射效应模拟试验[J]. 微计算机信息：嵌入式与SOC， 2008（24）， 1-2.
关键词：国产器件；P1750；应用验证
中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）05-0268-01
PACE1750A系列CPU是一款基于美军标MIL-STD-1750的16位通用处理器，采用CMOS/SOS工艺，在30MHz主频下可达到3.0MIPS运算能力[1]。基于1750系列的CPU已应用在FY-1、FY-3等卫星中，包括姿轨控计算机和数管计算机[2]。十余颗卫星在轨运行情况表明，基于1750体系结构的星载计算机具有产品稳定性好，可靠性高的特点。
目前在轨卫星使用的1750系列CPU多为进口芯片，主要包括P1750系列、BX1750系列和31750系列。上述三类芯片不但器件引脚、封装形式、时序关系不同，其配套的MMU芯片也不尽相同。使用进口CPU芯片存在诸多不利因素：一方面由于国外对这些芯片的禁运，目前已经无法采购；其次进口芯片更换导致各型号产品技术状态变化，产品化设计难度大；第三，芯片更换造成的技术状态变化还需要进行复杂的验证试验。
国产P1750套片全面兼容进口P1750、P1753、P1754芯片。国产套片的考核验证包括地面验证和在轨验证两部分，主要内容包括套片时序设计、抗辐照性能、工程样机考核试验、在轨考核应用等。
1 国产P1750套片的地面验证
1.1 兼容性级抗辐射能力验证
在一些成熟产品中系统软件是针对进口31750芯片编写的。相对于31750系列芯片，国产P1750套片增加了许多外设功能，主要包括等待周期配置、定时器配置、EDAC使能等。采用国产P1750套片，若EDAC、看门狗、定时器功能都采用外部硬件FPGA实现，可以不对相应的寄存器进行配置，从而实现对原有31750系统软件的兼容。同时对国产P1750套片的辐照试验表明，其抗总剂量指标大于100K rad（Si），抗单粒翻转LET阈值为67MeV·cm2/mg[4]，均满足卫星在轨使用要求。
1.2 国产P1750套片星载计算机软件考核
CPU芯片的考核除硬件时序外，必须通过软件验证才能充分验证其功能、性能。星载软件固化在抗辐射PROM和EEPROM内，软件运行时需访问到CPU的所有资源，包括寄存器、内存、IO空间、中断等，软件考核内容及方法如下：1）内部寄存器：程序将CPU所有内部寄存器内容读出，通过总线作为遥测信息下传，对CPU状态进行及时判断；2）中断处理：系统设计循环发出的外部中断信号，如果CPU能够正常进行中断处理则给出正确标志，如果处理异常则标志出错位置；3）内存检测：程序运行过程中对内存区域进行循环检测，将检测结果和出错信息作为遥测信息下传；4）运算：搭载计算机可以运行一些计算程序，将运算结果进行下传，地面可以判断结果是否正确。
1.3 国产P1750套片星载计算机地面验证试验
根据在轨应用需求，对验证样机进行高低温环境下性能稳定性摸底试验。试验程序运行于20MHz主频，包括了三个方面的内容：1）基本存储器及IO资源的操作和访问；2）页面寄存器的操作和访问；3）实现1750指令计集全覆盖，重点对进口31750套片易出错的复杂运算指令进行了考核。复杂指令和特殊数据的考核内容包括双精度整数加法、扩展精度浮点加法、扩展精度浮点减法、浮点加法、32位定点转48位浮点、扩展精度浮点乘法、扩展精度浮点除法、48位浮点转32位定点等。
试验期间，在高低温环境下进行了电压拉偏测试，每0.3V一个步进，每个步进电压下运行5分钟。拉偏试验表明在3.2V～6.8V供电条件下国产套片运行良好，程序运算结果正确。
2 国产P1750套片的在轨验证
使用国产P1750套片的验证机作为某卫星的搭载设备随整星发射入轨，卫星运行正常后验证机开机进行在轨考核。验证机运行的软件包括CPU管理、姿态计算和数据管理等模块，具体验证内容如表1。
上述验证内容中，由于异常机制在轨无法有效模拟，其验证主要在地面测试中进行。通过人为设计数组越界、浮点越界、除零运算、非法特权指令等语段，以白盒的方法测试异常能否正确触发，再根据异常处理函数中捕获的异常类型、异常地址、寄存器数据等判断异常时的现场信息是否正确。
1）运算能力
验证样机软件中设计了轨道递推模块，它跟姿轨控计算机的对应模块同步工作，并接收姿轨控计算机的运算结果进行比对，以检验国产套片的浮点运算是否正确。在轨比对结果表明国产套片运算能力满足任务要求。
2）中断响应
为了考核国产P1750套片中断机制是否正常，计算机硬件设计了外部定时中断，中断周期为512ms，发生中断时由软件维护中断发生的总计数，并在768秒的遥测帧周期中将该计数值组帧到打包遥测下传给地面分析。根据遥测帧周期和中断周期，在一个遥测周期内可以产生768/0.512 = 1500次中断，因此两个遥测帧之间的计数差应该是1500。从打包遥测可以判断计数差为1500次，中断响应符合设计要求。
3）系统寄存器
软件工作正常时每秒备份28个国产P1750套片的寄存器数据，并检查1750故障寄存器、1753配置寄存器1、1753配置寄存器2和1754配置寄存器等4个重要的系统寄存器设置是否正确，将检查结果形成遥测信息。软件发生异常时，将备份的28个寄存器数据以打包遥测方式传回地面分析。根据打包遥测判断，在轨验证期间套片的系统寄存器均未发生错误。
3 结束语
经过地面及在轨应用验证，国产P1750系列芯片在电气、功能、性能等方面与进口1750处理器一致，在各项环境模拟和辐射条件下验证合格，满足卫星、飞船等后续宇航型号的工程应用要求。
参考文献：
[1] P1750A/SOS SINGLE CHIP，20MHz to 30MHz，CMOS/SOS SPACE PROCESSOR. PYRAMID SEMICONDUCTOR CORPORATION[J]. Document # MICRO-6 REV B， 2005.
[2] 杨钧. 星载BX1750芯片抗单粒子翻转性能评估[J]. 上海航天， 2005（1）.
[3] 王晶， 王月， 孙越强. 国产SOI1750A微处理器抗辐射效应模拟试验[J]. 微计算机信息：嵌入式与SOC， 2008（24）， 1-2.