От коммерческих систем к специальным

Принцип COTS (Commercial Off The Shelf - готовые к применению) был выдвинут министром обороны США У. Перри шесть лет назад и означает применение гражданских (или коммерческих) разработок в системах специального назначения, в том числе военных. При этом в качестве прототипов и опытных образцов на начальной стадии реализации проекта используются доступные на рынке одноплатные компьютеры и интерфейсные модули, которые затем на этапе создания боевых систем заменяются аналогичными компонентами, но рассчитанными на расширенный температурный диапазон и более жесткие условия эксплуатации. Главное в этом принципе - опора на открытые технологии, перенесение наработанной идеологии построения современных гражданских систем управления в сферу спецсистем. Полная преемственность и переносимость программного обеспечения как на системном, так и на прикладном уровне и внедрение проверенных на практике решений позволяет резко сократить инвестиции в военные разработки и сроки их выполнения.

Перечислим основные принципы построения современных компьютерных встраиваемых систем управления для специальных областей применения на основе подхода COTS:

1. Использование современных процессоров и открытых промышленных стандартов при создании аппаратных и программных средств.

2. Возможность дальнейшей модификации системы на основе новейших технологий и разработок без изменения базового системного ПО.

3. Внедрение высокоуровневых программных графических интерфейсов.

4. Обеспечение доступности систем в бортовом исполнении.

5. Применение стандартных магистралей, обеспечивающих пользовательский ввод-вывод.

6. Снижение стоимости новой системы по сравнению со стоимостью заменяемого специализированного решения.

7. Сокращение сроков развертывания прототипа системы для тестовых испытаний до года и менее.

Открытые стандарты

В настоящее время в большинстве случаев для построения современных распределенных промышленных систем управления используются магистрально-модульные стандарты VME и CompactPCI. Процедуры развития и принятия этих стандартов регламентируются международными ассоциациями VITA (www.vita.com) и PICMG (www.picmg.com). В табл. 1 приведены сравнительные характеристики стандартов VME и CompactPCI. К основным преимуществам VME можно отнести более развитую поддержку мультипроцессорных конфигураций, гибкие механизмы обработки прерываний, а также возможность построения систем с 21 слотом. В свою очередь стандарт CompactPCI позволяет более эффективно организовать высокоскоростной обмен блоками данных, поддерживает технологию “горячей” замены модулей и имеет ряд преимуществ с точки зрения возможности использования операционной системы Windows NT/2000. В настоящее время стандарт CompactPCI широко применяется при реализации различных телекоммуникационных приложений.

Таблица 1. Сравнительные характеристики стандартов VME и CompactPCI

Информационное обеспечение и контроль качества

Другой важный принцип, соблюдение которого упрощает построение военных систем на базе продукции многих компаний - производителей оборудования и ПО, заключается в обеспечении разработчиков и пользователей полной информацией о применяемых компонентах. Для этого в США под контролем различных военных ведомств (U.S. Army, U.S. Navy, U.S. Air Force) развернута специальная программа обмена информацией между правительством и промышленностью, получившая название GIDEP (Government-Industry Data Exchange Program). В ней участвуют сотни предприятий, производящих различные компоненты для систем управления. Цель GIDEP - предоставить пользователю достоверные данные для корректного выбора тех или иных составляющих при разработке новых систем. В рамках программы промышленные компании сообщают следующую информацию о собственных изделиях:

- инженерные данные (общетехнические отчеты, результаты тестовых испытаний);

- сведения об отказах (статистика зафиксированных отказов оборудования и ошибок в программных компонентах);

- результаты официальных метрологических испытаний и тестов;

- сведения о заменяемых продуктах и компонентах;

- отчеты о надежности выпускаемой продукции.

Сама структура информации, ориентированная на потребителя, заставляет компании, производящие оборудование, реально обеспечивать качество своей продукции. Этому способствует и созданная в США система сертификации компонентов, предназначенных для военных и космических систем. Специальное агентство при МО США определяет три уровня сертификации (для общего военного применения, для использования в космосе, радиационно-устойчивые компоненты и модули) и ведет список сертифицированных компаний (QML - Qualified Manufactorer’s List). В число производителей, сертифицированных по всем трем уровням QML-38535, входят Actel, Allied Signal, Honeywell, Intersil, Lockheed Martin, National Semiconductor, Raytheon, UTMC.

Время жизни изделия

Одним из важнейших понятий технической идеологии построения современных систем управления для специальных применений является время жизни изделия - показатель, определяющий продолжительность выпуска электронных элементов, модулей, систем. На быстро обновляющемся рынке компьютерных компонентов необходимо взаимное соответствие сроков производства интегральных схем и модулей и суммарного времени разработки и выпуска готового изделия на их основе. Цикл жизни компьютерной системы специального назначения, как правило, включает несколько этапов:

- демонстрация и тестирование новых технологических решений (1,5 года);

- разработка прототипа изделия (1-2 года);

- разработка опытного образца, выпуск технической документации, подготовка производства (1-1,5 года);

- изготовление продукции небольшими партиями, выход на рынок (2 года);

- серийный выпуск изделия (3 года).

Если учесть взаимное перекрывание этапов (особенно первых трех фаз цикла), то общее время их выполнения составит около 8-8,5 лет. В течение этого срока должны производиться и интегральные компоненты системы. Однако сейчас на компьютерном рынке систем гражданского или общего назначения период выпуска и доступности процессоров занимает часто 9-15 месяцев. Так, выпуск процессора Intel Mobile Pentium II (333 МГц), анонсированного компанией Intel в январе 1999 г., по плану уже в июне 2001 г. будет прекращен.

Одноплатный компьютер на базе PowerPC

Таким образом, налицо существенное противоречие между требуемыми суммарными сроками поставок для обеспечения времени жизни военных изделий и реальной ситуацией на рынке компонентов для гражданских применений.

Одним из возможных способов решения проблемы поставок процессорных компонентов является внедрение во встраиваемые приложения процессоров PowerPC, ориентированных на рынок систем управления. К тому же резкое увеличение общей доли разработок на базе операционной системы Linux (которая с одинаковым успехом функционирует как на платформе Intel, так и на PowerPC!) позволяет реально создавать долгоживущие системы по схеме VME+PowerPC+Linux или CompactPCI+PowerPC+Linux. Именно поэтому компании, ориентированные на рынок встраиваемых компьютеров и систем специального назначения, например Motorola Computer Group (www.mcg.mot.com), имеют в своем арсенале широкий спектр одноплатных компьютеров на базе процессоров PowerPC (750, 7400).

Выставка современных компьютерных технологий для специальных применений

В начале года в Лос-Анджелесе прошла выставка и конференция “Коммерциализация электроники для военных и космических применений”. В ней приняло участие свыше 100 компаний. Большинство из них работу по обеспечению военно-промышленного комплекса США современными компьютерными компонентами и системами строят на принципах COTS. На выставке была представлена техника в стандартах VME, CompactPCI (компании Motorola, Acromag, SBS, Mercury, Synergy и др.), операционные системы реального времени и промежуточное программное обеспечение (Microware, Wind River, VenturCom, Lynx и др.), DSP, программные и аппаратные компоненты (Eonic, Blue Wave Systems, Pentek, SpectrumSignal и др.).

Темы докладов на конференции охватывали следующие проблемы:

- реализация принципов COTS при построении систем;

- создание навигационных систем повышенной надежности на основе GPS;

- обеспечение радиационной устойчивости систем;

- подходы к преодолению проблемы быстрого устаревания компонентов.

Созданный AiTech аналог компьютера MVME2700 с процессором PowerPC

Несколько компаний на выставке предлагали решения на основе обычных одноплатных компьютеров, разработанных для эксплуатации в расширенном температурном диапазоне и удовлетворяющих повышенным требованиям по вибро- и ударопрочности. Так, компания AiTech Defense Systems (www.rugged.com) выпустила одноплатные компьютеры, схемотехнически идентичные одноплатным компьютерам компании Motorola Computer Group MVME2700, MVME5100 на базе шины VME.

Радиационно-устойчивые компоненты

В настоящее время наиболее жесткие требования предъявляются к аппаратуре, предназначенной для эксплуатации при повышенном уровне радиации. Лишь несколько крупных компаний выпускают компоненты для таких условий.

Компания Lockheed Martin (www.lmco.com) предложила комплект радиационно-устойчивых интегральных элементов, который включает разработанную по лицензии версию микропроцессора PowerPC с тактовой частотой 266 МГц, набор микросхем для организации системных интерфейсов, а также модули памяти. На этой базе производятся одноплатные компьютеры в стандартах VME и CompactPCI. Краткая информация по выпускаемым и планируемым к выпуску компонентам и модулям этого класса приведена в табл. 2.

Таблица 2. Радиационно-устойчивые компоненты для встраиваемых компьютерных приложений

Компания UTMC (www.utmc.com) также предлагает широкий спектр интегральных компонентов, устойчивых к повышенному уровню радиации. Это 12-разрядные АЦП и ЦАП, статическая память емкостью 4 Мб, модули DRAM объемом до 64 Мб и EPROM на 1 Мб, а также различные интерфейсные компоненты и микроконтроллеры. Все компоненты сертифицированы на соответствие требованиям стандарта QML-38535 (выдерживаемая доза облучения составляет до 30 крад).

Заключение

В завершение хотелось бы еще раз напомнить, что возможность использования гражданских (и коммерчески доступных!) модулей и блоков способствует снижению затрат на стадии разработки систем управления для специальных областей применения, позволяет и в этой сфере быстро отслеживать новые технические тенденции и обеспечивать своевременный выход новых продуктов на рынок. Для сферы современных военных и космических систем это крайне важно.