论文部分内容阅读
摘 要 目前指控系统计算机种类多，配置多样，由此带来的系列化发展问题日益显露。本项目针对军用CPCI加固计算机，进行了模块的通用化、系列化研究，从而实现指控系统中加固计算机的通用化、系列化，减少计算机种类，提高计算机可靠性，加快型号的系列化发展。
关键词 CPCI 加固计算机 通用化 系列化
1 前言
计算机从诞生之日起就开始应用于军事领域，而且计算机技术的开发与进步往往始于军事应用的需求。计算机及其技术的发展和应用不仅成为现代国防科技、各种军事系统和武器系统研制开发的重要物质基础和技术支柱，而且是现代战争作战指挥、通信联络、后勤保障等诸多决定战争胜负关键因素的依靠和保证，并亦已或正在对传统的军事理论和军事观念产生着巨大而深远的影响。随着计算机的商用现货技术以及开放系统的广泛使用，计算机在军事领域的应用已由早期的国防科技研究、重大工程配套迅速扩展到现代战争的C4ISR、电子战/信息战、武器控制、军事训练、战略与战术武器的研究、设计、试验和仿真以及后勤保障等各种军事系统。可以说，计算机的应用已经遍布军事领域的方方面面。计算机不仅是处理、传输信息的工具和手段，还将成为信息化作战的武器和目标。
CPCI型计算机和嵌入式计算机是未来计算机应用的两大趋势，CPCI型计算机的广泛应用导致“金手指”插件已被欧洲“针孔”式插件逐步代替，“金手指”接插方式所引起的不可靠问题在可靠的欧洲“针孔”式接插方式中不复存在。CPCI型计算机在硬件模块易于装卸维修的前提下提供了优秀的机械和热整合性，采用CPCI型的军用计算机具有先天的内在可靠性，同时又兼容了基于PCI总线的软、硬件主流技术。CPCI型计算机采用模块化设计，方便设备的后期维护与更新。
现阶段军用加固计算机的研制均采用各自的技术路线，缺乏统一规划和统一的管理，具体表现在军用计算机专用程度高或者说定制设计多，没有形成统一的装备体系，模块化、标准化、系列化程度低，技术保障能力差。只有对计算机系统的硬件、软件、网络、数据表示以及计算机技术在各方面的应用进行标准化，才能够为各军兵种、各个领域、各个层次的武器系统和信息系统的设计、开发、生产等提供统一标准和统一规范，从而为实现相互之间的互联、互通、互操作打下基础。
2 系统组成
通过对指控系统中计算机类产品的研究并结合目前加固计算机发展的趋势，计算机主机采用CPCI总线架构，该架构广泛应用于苛刻环境下的工业和军事领域，先天具备良好的抗恶劣环境性能。同时，该架构系统结构利于实现模块化。
CPCI加固计算机的设计充分考虑标准化、系列化、模块化的思想，整个组合由通用化模块组成，通过通用化模块的不同组合，可以灵活实现具备多种功能的加固计算机设备，避免了重复设计。
CPCI加固计算机的标准配置包括：通用主板模块、通用电源模块以及硬盘模块，在标准配置的情况下可以对外输出2个网口、1个串口、1个并口，具备通用计算机的数据处理能力。根据不同的使用需求，可以选用不同的扩展卡模块，即可具备相应通信功能，计算机组合的系统互连框图如图 1所示。
3 通用化、模块化研究
CPCI加固计算机依据功能不同依次分为外箱体模块、主板模块、电源模块、扩展卡模块、硬盘模块和背板模块，其中背板模块固定到外机箱后面板上，主板模块、电源模块、扩展卡模块均采用楔形导轨的形式插入到背板模块上，硬盘模块作为一个相对独立的部件放置在机箱右侧，并通过减振器与外机箱连接，整机布局如图 2所示。各模块设计过程中充分考虑了标准性和互换性，可以实现系统的多功能灵活配置。
（1）外机箱模块
CPCI加固计算机的外机箱模块的设计充分考虑了CPCI加固计算机的结构规范，采用了标准化的设计思想，整个箱体通过铝板拼接而成，前后面板通过安装螺钉紧固在箱体外壳上，箱体的前面板留有维修窗口。箱体左侧和中间位置是导轨板，导轨板外侧开散热片，内侧设计有导轨槽，与板卡模块的楔形导轨相配合，将板卡模块产生的热量传导到机箱外壁上。
（2）背板模块
背板模块完成主板模块、电源模块、扩展卡模块的电气和结构互联。背板模块主要包括后面板和CPCI背板，其中CPCI背板直接固定在后面板上。电源连接器使用标准的CPCI电源连接器，CPCI背板的系统槽P1-P5信号定义遵从CPCI电气规范的标准定义，扩展卡的P5采用自行定义的信号定义，对外的信号接口均采用焊印制板的高可靠航空连接器经后面板输出，从而提高了整机互联的可靠性。
（3）主板模块
主板模块是计算机组合的核心模块，采用嵌入式计算机模块开发。主板模块的设计采用了CPCI导冷结构，并充分考虑了标准化、通用化的设计思想，将楔形导轨、导热板、前面板均设计为标准件。主板模块上的功率器件产生的热量通过导热板传导到主板两侧的楔形导轨上，然后通过楔形导轨将热量传递到机箱外壁上。
考虑到主板的通用性和可扩展性，主板模块的设计采用了嵌入式计算机模块的设计方案。嵌入式计算机模块看作是一个集成了CPU、PCI总线、ISA总线以及标准PC/IO功能的特殊芯片，其具有高性能，低功耗，小尺寸，完全PC兼容，易于升级等特点，其安装方式充分考虑了抗振动的恶劣环境应用要求。图 3为主板的电气功能和对外接口系统框图。
嵌入式计算机模块支持四路32bit 33MHz的PCI设备扩展，但使用其作为CPCI系统板的核心来实现CPCI背板总线扩展时，如果直接将模块提供的四路总线引入背板，PCI信号将穿越模块至载板，再经由背板最终到CPCI扩展卡。这种做法将导致PCI信号，尤其是时钟信号，产生严重的衰减，进而影响设备的稳定性和健壮性。因此，在应用于CPCI板卡形式的场合，嵌入式计算机模块的PCI总线必须通过架桥等信号增强的方式来完成PCI总线的延伸。在载板上使用PCI-PCI桥接技术，一方面可以使PCI信号在背板上的信号得到增强，另一方面，可以灵活的扩充对PCI设备数量的支持。 （4）电源模块
电源模块为整个主机组合供电，按照CPCI电源的标准进行设计，其结构形式与主板模块类似，也是采用了CPCI导冷结构，楔形导轨等部件均采用与主板模块相同的标准化部件。电源模块上的功率器件产生的热量通过导热板传导到主板两侧的楔形导轨上，然后通过楔形导轨将热量传递到机箱外壁上。
（5）扩展卡模块
根据系统配置的要求，CPCI加固计算机内可以选配不同的扩展卡模块，扩展卡为标准6UCPCI插卡，其外形尺寸采用标准化设计，板卡两侧装有楔形导轨，中间设计有板卡加强筋，起到固定板卡和散热的作用。
4 主板的BIT设计
主板在整个CPCI加固计算机中起着至关重要的作用。CPU及总线控制逻辑、BIOS芯片读写控制、系统时钟发生器与时序控制电路、DMA传输与中断控制、内存及其读写控制、键盘控制逻辑、I/O总线插槽及某些外设控制逻辑都集成在主板上。因此，主板故障对于整个计算机系统往往是致命的。
当计算机出现故障时，一般都使用插拔法、替换法、比较法等来确认计算机中故障范围，这样做盲目性太大。在此在主板硬件层加入BIT设计，使主板在系统开机自检时以数字代码方式显示故障部位，达到快速、准确的确定故障部件的目的。
主板在开机时都要进行上电自检——在主板BIOS 的引导下，严格检测系统的各个组件。POST 的过程大致为： 加电→CPU→ROMBIOS→System Clock→DMA→64KB RAM→IRQ→Display Card 等，检测显卡以前的过程称为关键性部件测试，任何关键性部件有问题，计算机都将处于挂起状态。BIOS 要进行某项测试动作时，首先将该POSTCODE 写入80H 地址，如果测试顺利完成，再写入下一个POST CODE。通过对POSTCODE的译码和读取，以数码管的形式在主板面板上进行显示，从而及时了解到主板的启动状态。
5 结论
本文对军用CPCI加固计算机通用化、系列化进行了研究，提出了CPCI加固计算机的系统构成形式，并对各组成模块的通用化和系列化进行了研究。通过通用化、系列化的设计可以减少军用加固计算机的种类，提高计算机系统的可靠性，避免重复设计，为实现整个指控系统的通用化、系列化奠定基础。
参 考 文 献
[1] PICMG2.0 R3.0， CompactPCI Specification3.0.
[2] GJB/Z 28A-99，插箱、插件基本尺寸系列.
[3] GB/T19520.8-2004，电子设备机械结构.
The Generalization and Seriation Development of Rugged Military CPCI Computer
Yuan Shiqing
（The Second Military Representative Office in Aerospace Center，Beijing 100854，China）
Abstract The variety of computer in command and control system baffled the seriation development. In order to realize the generalization of rugged military CPCI computer this paper researched the generalization and seriation of computer module. By this research the category of rugged computer is reduced and the dependability is advanced.
Key words CPCI，Rugged Computer，Generalization，Seriation
关键词 CPCI 加固计算机 通用化 系列化
1 前言
计算机从诞生之日起就开始应用于军事领域，而且计算机技术的开发与进步往往始于军事应用的需求。计算机及其技术的发展和应用不仅成为现代国防科技、各种军事系统和武器系统研制开发的重要物质基础和技术支柱，而且是现代战争作战指挥、通信联络、后勤保障等诸多决定战争胜负关键因素的依靠和保证，并亦已或正在对传统的军事理论和军事观念产生着巨大而深远的影响。随着计算机的商用现货技术以及开放系统的广泛使用，计算机在军事领域的应用已由早期的国防科技研究、重大工程配套迅速扩展到现代战争的C4ISR、电子战/信息战、武器控制、军事训练、战略与战术武器的研究、设计、试验和仿真以及后勤保障等各种军事系统。可以说，计算机的应用已经遍布军事领域的方方面面。计算机不仅是处理、传输信息的工具和手段，还将成为信息化作战的武器和目标。
CPCI型计算机和嵌入式计算机是未来计算机应用的两大趋势，CPCI型计算机的广泛应用导致“金手指”插件已被欧洲“针孔”式插件逐步代替，“金手指”接插方式所引起的不可靠问题在可靠的欧洲“针孔”式接插方式中不复存在。CPCI型计算机在硬件模块易于装卸维修的前提下提供了优秀的机械和热整合性，采用CPCI型的军用计算机具有先天的内在可靠性，同时又兼容了基于PCI总线的软、硬件主流技术。CPCI型计算机采用模块化设计，方便设备的后期维护与更新。
现阶段军用加固计算机的研制均采用各自的技术路线，缺乏统一规划和统一的管理，具体表现在军用计算机专用程度高或者说定制设计多，没有形成统一的装备体系，模块化、标准化、系列化程度低，技术保障能力差。只有对计算机系统的硬件、软件、网络、数据表示以及计算机技术在各方面的应用进行标准化，才能够为各军兵种、各个领域、各个层次的武器系统和信息系统的设计、开发、生产等提供统一标准和统一规范，从而为实现相互之间的互联、互通、互操作打下基础。
2 系统组成
通过对指控系统中计算机类产品的研究并结合目前加固计算机发展的趋势，计算机主机采用CPCI总线架构，该架构广泛应用于苛刻环境下的工业和军事领域，先天具备良好的抗恶劣环境性能。同时，该架构系统结构利于实现模块化。
CPCI加固计算机的设计充分考虑标准化、系列化、模块化的思想，整个组合由通用化模块组成，通过通用化模块的不同组合，可以灵活实现具备多种功能的加固计算机设备，避免了重复设计。
CPCI加固计算机的标准配置包括：通用主板模块、通用电源模块以及硬盘模块，在标准配置的情况下可以对外输出2个网口、1个串口、1个并口，具备通用计算机的数据处理能力。根据不同的使用需求，可以选用不同的扩展卡模块，即可具备相应通信功能，计算机组合的系统互连框图如图 1所示。
3 通用化、模块化研究
CPCI加固计算机依据功能不同依次分为外箱体模块、主板模块、电源模块、扩展卡模块、硬盘模块和背板模块，其中背板模块固定到外机箱后面板上，主板模块、电源模块、扩展卡模块均采用楔形导轨的形式插入到背板模块上，硬盘模块作为一个相对独立的部件放置在机箱右侧，并通过减振器与外机箱连接，整机布局如图 2所示。各模块设计过程中充分考虑了标准性和互换性，可以实现系统的多功能灵活配置。
（1）外机箱模块
CPCI加固计算机的外机箱模块的设计充分考虑了CPCI加固计算机的结构规范，采用了标准化的设计思想，整个箱体通过铝板拼接而成，前后面板通过安装螺钉紧固在箱体外壳上，箱体的前面板留有维修窗口。箱体左侧和中间位置是导轨板，导轨板外侧开散热片，内侧设计有导轨槽，与板卡模块的楔形导轨相配合，将板卡模块产生的热量传导到机箱外壁上。
（2）背板模块
背板模块完成主板模块、电源模块、扩展卡模块的电气和结构互联。背板模块主要包括后面板和CPCI背板，其中CPCI背板直接固定在后面板上。电源连接器使用标准的CPCI电源连接器，CPCI背板的系统槽P1-P5信号定义遵从CPCI电气规范的标准定义，扩展卡的P5采用自行定义的信号定义，对外的信号接口均采用焊印制板的高可靠航空连接器经后面板输出，从而提高了整机互联的可靠性。
（3）主板模块
主板模块是计算机组合的核心模块，采用嵌入式计算机模块开发。主板模块的设计采用了CPCI导冷结构，并充分考虑了标准化、通用化的设计思想，将楔形导轨、导热板、前面板均设计为标准件。主板模块上的功率器件产生的热量通过导热板传导到主板两侧的楔形导轨上，然后通过楔形导轨将热量传递到机箱外壁上。
考虑到主板的通用性和可扩展性，主板模块的设计采用了嵌入式计算机模块的设计方案。嵌入式计算机模块看作是一个集成了CPU、PCI总线、ISA总线以及标准PC/IO功能的特殊芯片，其具有高性能，低功耗，小尺寸，完全PC兼容，易于升级等特点，其安装方式充分考虑了抗振动的恶劣环境应用要求。图 3为主板的电气功能和对外接口系统框图。
嵌入式计算机模块支持四路32bit 33MHz的PCI设备扩展，但使用其作为CPCI系统板的核心来实现CPCI背板总线扩展时，如果直接将模块提供的四路总线引入背板，PCI信号将穿越模块至载板，再经由背板最终到CPCI扩展卡。这种做法将导致PCI信号，尤其是时钟信号，产生严重的衰减，进而影响设备的稳定性和健壮性。因此，在应用于CPCI板卡形式的场合，嵌入式计算机模块的PCI总线必须通过架桥等信号增强的方式来完成PCI总线的延伸。在载板上使用PCI-PCI桥接技术，一方面可以使PCI信号在背板上的信号得到增强，另一方面，可以灵活的扩充对PCI设备数量的支持。 （4）电源模块
电源模块为整个主机组合供电，按照CPCI电源的标准进行设计，其结构形式与主板模块类似，也是采用了CPCI导冷结构，楔形导轨等部件均采用与主板模块相同的标准化部件。电源模块上的功率器件产生的热量通过导热板传导到主板两侧的楔形导轨上，然后通过楔形导轨将热量传递到机箱外壁上。
（5）扩展卡模块
根据系统配置的要求，CPCI加固计算机内可以选配不同的扩展卡模块，扩展卡为标准6UCPCI插卡，其外形尺寸采用标准化设计，板卡两侧装有楔形导轨，中间设计有板卡加强筋，起到固定板卡和散热的作用。
4 主板的BIT设计
主板在整个CPCI加固计算机中起着至关重要的作用。CPU及总线控制逻辑、BIOS芯片读写控制、系统时钟发生器与时序控制电路、DMA传输与中断控制、内存及其读写控制、键盘控制逻辑、I/O总线插槽及某些外设控制逻辑都集成在主板上。因此，主板故障对于整个计算机系统往往是致命的。
当计算机出现故障时，一般都使用插拔法、替换法、比较法等来确认计算机中故障范围，这样做盲目性太大。在此在主板硬件层加入BIT设计，使主板在系统开机自检时以数字代码方式显示故障部位，达到快速、准确的确定故障部件的目的。
主板在开机时都要进行上电自检——在主板BIOS 的引导下，严格检测系统的各个组件。POST 的过程大致为： 加电→CPU→ROMBIOS→System Clock→DMA→64KB RAM→IRQ→Display Card 等，检测显卡以前的过程称为关键性部件测试，任何关键性部件有问题，计算机都将处于挂起状态。BIOS 要进行某项测试动作时，首先将该POSTCODE 写入80H 地址，如果测试顺利完成，再写入下一个POST CODE。通过对POSTCODE的译码和读取，以数码管的形式在主板面板上进行显示，从而及时了解到主板的启动状态。
5 结论
本文对军用CPCI加固计算机通用化、系列化进行了研究，提出了CPCI加固计算机的系统构成形式，并对各组成模块的通用化和系列化进行了研究。通过通用化、系列化的设计可以减少军用加固计算机的种类，提高计算机系统的可靠性，避免重复设计，为实现整个指控系统的通用化、系列化奠定基础。
参 考 文 献
[1] PICMG2.0 R3.0， CompactPCI Specification3.0.
[2] GJB/Z 28A-99，插箱、插件基本尺寸系列.
[3] GB/T19520.8-2004，电子设备机械结构.
The Generalization and Seriation Development of Rugged Military CPCI Computer
Yuan Shiqing
（The Second Military Representative Office in Aerospace Center，Beijing 100854，China）
Abstract The variety of computer in command and control system baffled the seriation development. In order to realize the generalization of rugged military CPCI computer this paper researched the generalization and seriation of computer module. By this research the category of rugged computer is reduced and the dependability is advanced.
Key words CPCI，Rugged Computer，Generalization，Seriation