摘要：根据航空电子系统对显示技术的需求，针对机载环境的应用特点，提出了基于PowerPC7447处理器的显示平台的设计方案，并对该平台的构成及功能实现进行了设计。显示平台通过集中控制和综合显示，能及时响应和集中处理飞行员的各种命令。同时，显示平台强大的图形处理和数据处理能力对在三维地图显示基础上叠加导航、战术和飞行参数等技术提供了支持。通过综合测试和应用表明，本显示平台具有通用性强、可扩展性强、数据吞吐量大和动态图形处理效率高等特点，对于提升座舱显示效果具有重要意义。

0 引言

战斗机座舱显示是飞行员了解战场态势、攻防信息、本机状态等信息，完成作战任务的重要信息来源;预警机、战场指挥机的作战任务显示终端是指挥员了解战场环境、指挥作战的主要信息来源。因此，机载显示系统是新一代航空电子系统实现综合化、数字化和智能化的核心与关键。三维图形显示是机载显示系统的发展方向，而提高图形显示质量、加快图形生成速度是机载显示系统的关键。

本文以可视化导航信息系统(以下简称可视化系统)为研制背景，进行机载显示平台的设计和实现。可视化系统以Power PC7447高性能通用处理器为核心;采用VME总线标准，符合通用化、标准化、系列化的要求;采用VxWorks实时操作系统和OpenGL函数库，提高软件的开发效率。

1 可视化系统结构与设计方法

1.1 可视化系统功能分析

可视化系统作为机载导航设备，需要为飞行员或**员直观地提供三维数字地图导航信息、控制指令、近地告警、进近着陆和地图漫游等显示信息，应具有以下主要功能：1)卫星定位;2)地图导航;3)进近着陆;4)地图漫游;5)数据管理。

1.2 系统架构设计

根据可视化系统的功能需求，显示平台需要实现高性能的显示处理、大容量的存储、高速的总线等技术。因此在系统设计时，需要进行处理器类型及速度选择、存储器容量选择、输入和输出接口的选择等工作。

按照模块化的设计思路，可将显示平台按功能划分为CPU模块、图形加速器模块、存储模块、多功能接口模块和电源模块。其组成结构如图1所示。

2 硬件设计与实现

2.1 CPU模块设计

2.1.1 CPU模块组成

CPU模块主要由以下几个电路组成：处理器电路(选用高性能通用处理器PowerPC7447A)、存储电路、逻辑控制电路、时钟电路、接口电路、复位电路等。CPU模块的组成示意图如图2所示。

2.1.2 处理器选择

PowerPC主机处理器是Motorola和IBM共同研发的RISC体系结构的处理器，它具有速度高、功耗低、计算能力强的特点。目前，在32位嵌入式处理器领域，Freescale的PowerPC占据市场份额*大，其中G4系列，即74xx系列产品以其**的性价比得到了**市场的青睐，并且在全球范围内有多个厂家生产**级，供货渠道有保证。从性能上讲，1GHz的MPC7455峰值运算速度为8GFLOPS，1.3GHZ的MPC7457可以达到峰值运算速度为9GFLOPS，而随着技术的进步，其下几代产品主频更高、单封装处理器核数更多，当然处理能力也越强。对于硬件设计来说，PowerPC G4主机处理器的外围电路相似，部分型号封装也相同，在硬件上不改动或经过很小的改动就可以升级处理器到新的型号，而软件的改动也非常小，就可以迅速提升原有系统的处理能力。

通过以上性能分析，以及在成本、功耗、时钟频率、发展趋势方面具有的内在优势和第三方软件的支持率，我们*终选择了Freescale的PowerPCG4主机处理器中的佼佼者MPC7447A作为CPU的核心处理器。

CPU模块采用MPC7447A处理器，工作主频为1GHZ。MPC7447A是PowerPC系列处理器中的第四代高性能的处理器。完成整、浮点数据处理运算以及并行向量运算。单处理器功耗典型情况下为9W。

该处理器集成如下功能块：1)高性能、超标量处理器：2)11个独立的执行单元和3组寄存器类;3)kbytes指令Cache和32kbytes数据Cache;4)内部集成512kbytes的L2Cache;5)浮点数据类型有32和164位;6)功耗和热管理单元。

2.1.3 存储电路

本电路一般由Flash、SDRAM、NVRAM存储器组成，王要完成动、静态数据的存储。Flash用于存储实时操作系统、驱动和应用程序，完成系统的程序加载和启动;SDRAM存储系统运行时的程序和数据;NVRAM存储系统BOOT程序参数和某些上电配置器件的配置数据。

2.1.4 逻辑控制电路

采用FPGA作为可编程控制芯片，实现软件复位、中断、计数器、看门狗定时器、串口、GPIO寄存器、外设的片选译码等。

2.1.5 复位电路

复位电路的设计包括软件复位和硬件复位。

软件复位是软件引起CPU复位，可以通过软件写寄存器方式复位CPU，同时驱动底板总线上的复位信号。

需要注意的是模块上电时，FPGA需要配置，在配置过程中应保证其他功能块仍处于复位状态，在设计时把FPGA加载是否完成的信号接到复位芯片的手动复位输入端以保证FPGA加载完成，同时可通过手动复位对模块进行复位。

2.2 图形加速模块的设计

图形显示中显示速度和图形质量是关键问题，实时的图形生成系统对处理器的运算速度要求很高，提高系统处理速度有两种方法：采用多处理器并行系统或采用硬件协处理器作为图形加速引擎。显示平台采用了硬件协处理器的概念。图形处理器采用ATI公司的M9，它是ATI公司针对新一代低功耗多媒体系统而设计的高图形处理芯片，支持2D/3D硬件加速，硬件支持OpenGL图形接口标准，内建多条并行图形处理流水线，采用多芯片封装技术，内部集成64MByte的DDR显存。M9图形硬件加速性能极高，功耗较低，它主要具有以下特性：

(1)GPU的主频为250MHZ，支持图形硬件加速，支持2D/3D硬件加速，硬件支持OpenGL图形接口标准;

(2)芯片集成了四片DDR显存，显存容量共64MByte，位宽128位，时钟频率200MHZ;

(3)显示外部接口支持LVDS、DVI、VGA、TV和并行LCD，分辨率支持800×600，1024×768，刷新频率支持60Hz，像素点时钟支持65MHz;

(4)提供PCI接口，支持PCI2.2，支持32位总线宽度，33M/66M总线频率，支持3.3V总线信号环境。

M9显示芯片提供两路独立的显示输出通路，支持1路LVDS视频和1路XGA视频信号输出，可以满足需求。硬件上支持三维图形加速，软件上支持GUI驱动接口。

2.2.1 接口模块

接口模块内各种I/O接口由模块内的DSP处理器进行管理。接口模块通过双口存储器与CPU模块交换命令及数据。

3 软件设计与实现

显示平台软件的组成如图3所示。

可视化系统的软件由应用软件、系统软件和维护支持软件组成。应用软件实现地图导航、近地告警、进近着陆、地图漫游、数据管理和自检等功能。系统软件包括引导程序、操作系统、设备驱动程序和BIT程序。维护支持软件包括集成开发环境(IDE)、烧录和固化的在线编程等。

3.1 系统软件

系统软件用于支持可靠、方便地运行;开发、调试应用程序。系统软件包括引导程序操作系统、设备驱动程序和BIT测试程序。

3.1.1 引导程序

硬件系统上电后首先执行引导程序，引导程序根据离散量的状态进入不同的分支：地面调试、地面维护(数据加载)和空中运行。

3.1.2 操作系统软件

操作系统软件由以下功能模块组成：

(1)任务管理。完成应用任务的管理，是操作系统内核的核心部分。具有创建任务、删除任务、挂起任务、解挂任务、设置任务优先级等功能。

(2)时间管理。为应用系统的实时响应提供支持，保证整个系统的实时性、正确性，以提高整个嵌入式系统的实时工作能力。该模块允许应用任务设置和读取系统时间，允许应用任务睡眠一段时间或睡眠到某一时刻，完成系统计时和对任务时间片的计算。

(3)定时管理。完成系统的定时功能，在定时时间后调用相应的定时处理程序。

(4)中断管理。完成响应中断的一些必要处理，支持中断嵌套时任务堆栈和中断专用堆栈的切换。

(5)通信、同步、互斥管理。提供应用任务之间、任务与中断之间的通信、同步和互斥机制，包括：消息队列、信号量、异步信、事件、黑板、环形缓冲、标志集。

(6)存储管理。提供可变大小数据块和固定大小数据块的管理。

(7)周期任务管理。提供对周期任务的支持;实现周期任务的创建、周期等待和重启等控制功能。

(8)板级支持包(BSP)。BSP提供操作系统工作必须的硬件资源，包括时钟管理、终端管理、以太网接口管理、串口管理、Flash读写、OpenGL驱动程序和OpenGL绘图引擎驱动程序等。

3.1.3 驱动程序

驱动程序是硬件资源的驱动软件，以驱动库的形式供软件设计人员调用，包括存储器驱动、中断管理驱动、总线驱动、显卡初始化程序和OpenGL驱动程序等。

3.2 维护支持软件

维护支持软件包括：

(1)集成开发环境。为应用软件研制人员提供一个开发、调试的环境，为系统综合人员提供输入环境、系统综合的分析环境(可调度性、确定性等分析);

(2)在线编程软件。烧录和固化应用程序和系统程序的工具，实现综合显示系统的软件维护和升级功能，可以在不拆卸设备的情况下完成设备软件的升级。

4 结论和工作展望

基于PowerPC7447处理器的显示平台系统具有吞吐率高、实时性强、显示性能优的特点。其丰富的接口方便用户的应用和开发，性能及功能均能满足用户要求，并且在使用过程中稳定、可靠。显示平台的开发和实现具有非常重要的科研意义和工程应用价值。