摘要：根據航空電子系統(tǒng)對顯示技術的需求，針對機載環(huán)境的應用特點，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現進行了設計。顯示平臺通過集中控制和綜合顯示，能及時響應和集中處理飛行員的各種命令。同時，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(zhàn)術和飛行參數等技術提供了支持。通過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、數據吞吐量大和動態(tài)圖形處理效率高等特點，對于提升座艙顯示效果具有重要意義。

　　0 引言

　　戰(zhàn)斗機座艙顯示是飛行員了解戰(zhàn)場態(tài)勢、攻防信息、本機狀態(tài)等信息，完成作戰(zhàn)任務的重要信息來源;預警機、戰(zhàn)場指揮機的作戰(zhàn)任務顯示終端是指揮員了解戰(zhàn)場環(huán)境、指揮作戰(zhàn)的主要信息來源。因此，機載顯示系統(tǒng)是新一代航空電子系統(tǒng)實現綜合化、數字化和智能化的核心與關鍵。三維圖形顯示是機載顯示系統(tǒng)的發(fā)展方向，而提高圖形顯示質量、加快圖形生成速度是機載顯示系統(tǒng)的關鍵。

　　本文以可視化導航信息系統(tǒng)(以下簡稱可視化系統(tǒng))為研制背景，進行機載顯示平臺的設計和實現?？梢暬到y(tǒng)以Power PC7447高性能通用處理器為核心;采用VME總線標準，符合通用化、標準化、系列化的要求;采用VxWorks實時操作系統(tǒng)和OpenGL函數庫，提高軟件的開發(fā)效率。

　　1 可視化系統(tǒng)結構與設計方法

　　1.1 可視化系統(tǒng)功能分析

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

　　1.2 系統(tǒng)架構設計

　　根據可視化系統(tǒng)的功能需求，顯示平臺需要實現高性能的顯示處理、大容量的存儲、高速的總線等技術。因此在系統(tǒng)設計時，需要進行處理器類型及速度選擇、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。目前，在32位嵌入式處理器領域，Freescale的PowerPC占據市場份額最大，其中G4系列，即74xx系列產品以其卓越的性價比得到了軍品市場的青睞，并且在全球范圍內有多個廠家生產軍品級，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，而隨著技術的進步，其下幾代產品主頻更高、單封裝處理器核數更多，當然處理能力也越強。對于硬件設計來說，PowerPC G4主機處理器的外圍電路相似，部分型號封裝也相同，在硬件上不改動或經過很小的改動就可以升級處理器到新的型號，而軟件的改動也非常小，就可以迅速提升原有系統(tǒng)的處理能力。

　　通過以上性能分析，以及在成本、功耗、時鐘頻率、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MPC7447A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個獨立的執(zhí)行單元和3組寄存器類;3)kbytes指令Cache和32kbytes數據Cache;4)內部集成512kbytes的L2Cache;5)浮點數據類型有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、靜態(tài)數據的存儲。Flash用于存儲實時操作系統(tǒng)、驅動和應用程序，完成系統(tǒng)的程序加載和啟動;SDRAM存儲系統(tǒng)運行時的程序和數據;NVRAM存儲系統(tǒng)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，實現軟件復位、中斷、計數器、看門狗定時器、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，可以通過軟件寫寄存器方式復位CPU，同時驅動底板總線上的復位信號。

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

　　2.2 圖形加速模塊的設計

　　圖形顯示中顯示速度和圖形質量是關鍵問題，實時的圖形生成系統(tǒng)對處理器的運算速度要求很高，提高系統(tǒng)處理速度有兩種方法：采用多處理器并行系統(tǒng)或采用硬件協處理器作為圖形加速引擎。顯示平臺采用了硬件協處理器的概念。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(tǒng)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，采用多芯片封裝技術，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：