Область применения микросхем приёмопередатчиков

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………………….....3

1.ПЛИС-системы как средство повышения отказоустойчивости…………........................4

     1.1 Тенденция развития……………………………………………………………....5

     1.2 Анализ надёжности ПЛИС…………………………………………………….....5

     1.3 Примеры использования ПЛИС…………………………………………………6

     1.4 Особенности технических решений на основе ПЛИС………………………....7

2.Область применения микросхем приёмопередатчиков………………………………….8

      2.1 Интерфейс RS-485………………………………………………………………..9

      2.2 Интерфейс LVDS…………………………………………………………………12

      2.3 CAN-протокол…………………………………………………………………….13

      2.4 Основные постулаты, используемые при построении каналов……………….14

      2.5 Интерфейс магистральный для бортовой аппаратуры космических аппаратов……………………………………………………………………………………..15

      2.6 Сравнение по скорости передачи пакетов и надёжности передачи

 информации  CAN-протокол и MIL-STD-1553B…………………………………………..17

Выводы………………………………………………………………………………………..19

Список литературы…………………………………………………………………………..20

 

ВВЕДЕНИЕ

     Актуальность  темы обусловлена тем, что в настоящее время, с каждым годом увеличивается количество спутников, запущенных с разными целями: для прогноза погоды, для исследования природных ресурсов Земли, для решения коммуникационных и военных задач, и т.д. Системы спутниковой связи и телевизионного вещания являются основным средством увеличения объема и качества получаемой и передаваемой информации, в интересах всех отраслей экономики. Обычно такие бортовые системы должны обладать свойствами отказоустойчивости и живучести во время их функционирования, поскольку их отказы могут быть весьма дорогостоящими и иметь опасные последствия.

     С первого дня появления вычислительных машин начались исследования повышения  надежности их работы. В классических работах на эту тему показан путь к повышению надежности, заключающийся в резервировании. В период до конца 60-х годов прошлого столетия основная направленность исследований состояла в повышении безотказности спутниковых систем в течение достаточно ограниченных сроков активного существования (САС), не выше 3-5 лет, достигаемой в первую очередь за счет введения различных форм избыточности (аппаратной, функциональной, временной и др.). Эти исследования и полученные результаты базировались в основном на математических методах (методы теории вероятностей и математической статистики, случайных процессов, теории графов, исследования операций и др.) В области радиационной стойкости были разработаны методические подходы к заданию требований по радиационной стойкости интегральных микросхем (ИМС), начаты исследования дозовых и временных эффектов в комплектующих элементах и аппаратуре в условиях воздействия ионизирующих излучений (ИИ) (в первую очередь, высокоинтенсивных воздействий искусственных источников) - ученными Агаханяным Т.М., Першенковым B.C., Поповым В.Д..

     С возникшей сегодня потребностью увеличения сроков активного существования космического аппарата (КА) эта проблема приобрела особую актуальность и значимость и стимулировала проведение исследований и разработку адекватной поставленным в работе цели и задачам. Так в современных же условиях конкурентоспособность и рентабельность проектов предоставления услуг космической связи определяют необходимость создания КА САС 12 и более лет. Существующие методы не полностью обеспечивали требуемые характеристики надежности бортовых вычислительных систем. Однако, указанные методы не позволяли в необходимой мере учитывать влияние на стойкость ИМС бортовых систем в условиях специфических воздействий внешней среды космического пространства, прежде всего к дозовым эффектам при воздействий низкоинтенсивных ионизирующих излучений космического пространства, так как в центре внимания указанных исследований были вопросы стойкости электронных систем к высокоинтенсивным ионизирующим полям искусственного происхождения; Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли показал, что прогресс в создании КА с такими САС невозможен без изменения традиционного подхода резервирования в области обеспечения отказоустойчивости их электронных систем.

Именно  все это и определило важность и актуальность решаемой научно-технической задачи - разработки методики обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем реального времени.

     Цель  работы состоит в разработке методики и средств обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем реального времени, позволяющих повысить надежности систем в условиях низкоинтенсивных ионизирующих излучений (ИИ), использующих резервирование, активную защиту от отказов и режим принудительного переключения. 

Для достижения поставленной цели представляется целесообразным решение следующих задач: 

• Сравнительного  анализа существующих концепций обеспечения  отказоустойчивого  функционирования и  принципов построения современных отказоустойчивых вычислительных систем.
• Разработки методики обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем с целью предотвращения сбоя или отказа от воздействия низкоинтенсивных ионизирующих излучений на элементы системы с традиционной схемой резервирования.
• Организации активной защиты от отказов в бортовых вычислительных системах реального времени для обеспечения отказоустойчивости системы от воздействия низкоинтенсивных ионизирующих излучений на элементы системы.
• Оценки эффективности применения активной защиты от отказов в иерархических бортовых вычислительных системах.

 

1. ПЛИС-СИСТЕМЫ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ

 

     В связи с большими темпами развития микропроцессорной техники становятся доступными все новые и новые возможности реализации многих, до сих пор невозможных, проектов. Уже не вызывает сомнения и то, что в подходах к проектированию микропроцессоров происходят большие изменения, связанные с организацией внутренней структуры. Все эти изменения не могут быть не отмеченными научным сообществом. В связи с этим проводились многочисленные исследования одного из таких относительно новых подходов к реализации отказоустойчивых систем, как программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС, англ. Programmable logic device, PLD), а именно ПЛИС такого вида, как программируемые пользователем вентильные матрицы (ППВМ, англ. Field – programmable gate array, FPGA), которые, благодаря своей гибкой структуре, позволяют не только реализовывать сложные проекты на одном кристалле и проводить многоуровневую верификацию на всех этапах разработки, но и позволяют осуществлять оперативную реконфигурацию внутренней архитектуры в процессе их функционирования. Именно поэтому использование ПЛИС-систем дает возможность по-новому подойти к решению вопросов резервирования и распараллеливания процессов управления, тем самым совершив переход на новую фазу развития многоверсийных систем (МВС) и технологий (МВТ), обеспечивающих отказоустойчивость информационно-управляющих систем (ИУС). 
 

       
 

1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

 

     Анализ  основных тенденций и перспективных  направлений построения отказоустойчивых и гарантоспособных объектов ИТ-технологий показывает, что они направлены в первую очередь на предупреждение появления отказов (сбоев) системы средствами оперативной (автоматической) их нейтрализации и устранения внутри функциональных блоков системы, а также на предотвращение непреднамеренных и злонамеренных вторжений в процесс работы систем за счет аппаратной, программной и временной избыточности. Все это существенно усложняет структуру и архитектуру

системы, с одной стороны, а с другой, требует эффективных мер по обеспечению достаточного уровня надежности за счет:

     а) микроминиатюаризации аппаратно-программных  вычислительных средств;

     б) частичной передачи системных технологий обеспечения отказоустойчивости из области чисто аппаратных средств в сферу программного обеспечения;

           в) частичной интеллектуализации логики процессов противостояния негативным влияниям.

     В этом контексте ПЛИС-технология выходит  на передний план и становится одним  из ключевых элементов концепции построения "системы на кристалле" (System on Chip-SOC). Новые поколения таких микросхем способны конкурировать со сверхбольшими интегральными схемами (СБИС) как по числу вентилей, производительности и надежности, так и по функциональности. Кроме того, уже сегодня существуют ПЛИС, не требующие внешних средств для хранения и загрузки базовой конфигурации и готовые к работе с момента подачи питания.

     Таким образом, внедрение концепции "системы  на кристалле" является одним из приоритетных направлений развития современной электроники, что, по сути, определяет технологию построения электронной аппаратуры будущих поколений. Среди основных преимуществ "системы на кристалле", спроектированной на базе ПЛИС, следует выделить глубокую оптимизацию внутренней структуры и отсутствие чрезмерной избыточности, характерной для систем, построенных на основе универсальных компонентов. Так, например, поток данных организовывается непосредственно между контроллерами, а не через микропроцессорную шину. В таких системах за счет высокой оптимизации достигается снижение энергопотребления, повышение надежности и производительности, уменьшение объема аппаратной отладки. 

1.2 АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ПЛИС 

     В процессе разработки отказоустойчивых и гарантоспособных систем, который  начинается с тщательной подготовки к проекту и заканчивается многоуровневой верификацией и тестированием, так или иначе ключевым является момент выбора оптимальной элементной базы, которая должна удовлетворять определенным требованиям.

     Самые высокие требования предъявляются, например, к электронным компонентам

бортовых систем космических аппаратов. В табл. 1 подведены итоги сравнительного анализа рисков, связанных с применением ПЛИС и микропроцессоров. Таким образом, применение ПЛИС позволяет снизить риски десяти из шестнадцати видовобщих рисков, которые возникают как в случае применения ПЛИС, так и в случае применения микропроцессоров. В то же время рассмотрение специфических рисков, возникающих в случае применения ПЛИС, позволило сделать вывод, что риски данной группы незначительны и могут быть снижены с использованием стандартных или специальных апробированных решений. 

Таблица 1. Результаты сравнения рисков, связанных с  применением ПЛИС и микропроцессоров