某型武器装备磁带存储系统国产化

2013-07-09蔡绍伟吴千秋杨国平姜广顺

兵器装备工程学报 2013年1期

蔡绍伟，吴千秋，赵丰，杨国平，姜广顺

(空军二十三厂，北京 102200)

某引进型号武器系统作战指挥软件存储在数字计算机的指令存储器组合中，工作状态下，作战指挥软件由指令存储器读入操作存储器，实现对整个武器系统的控制。为防止指令存储器中程序损坏或丢失，作战指挥软件还保存在磁带中作为备份。随着武器装备服役年限增长，存储磁带在软件恢复操作过程中容易产生磨损，长期贮存还会发生磁粉脱落、磁带粘黏等现象，直接导致存储信息丢失。此外，磁带机由于器件老化等原因，故障率高，维护保障困难，影响到装备的战备完好性，制约了武器系统作战效能的发挥。国外生产厂家注意到这一缺陷，在后期生产的同型号装备中，使用输入输出装置替代原磁带存储系统。笔者在剖析输入输出装置设计原理的基础上，采用逆向工程方法和工控机技术，实现原磁带存储系统的国产化替代。

1 原磁带存储系统

磁带存储系统由通道连接组合、磁带存储器和电源组合构成。该系统按数字计算机指令组织信息交换，将磁带上的信息还原并送入数字计算机通道;接收来自数字计算机通道的信息并将其记录在磁带上，进行信息的长期保存。

2 输入输出装置功能分析和反设计

2.1 输入输出装置的工作原理分析

输入输出装置采用以工控机为主体，依托于FPGA 组成的时序控制电路，以高速输入输出总线技术为桥梁的总体技术方案，完成与数字计算机的交互，实现信息的实时读出、写入操作。装置的基本组成见图1。

图1 输入输出装置的基本组成

2.2 单片机执行程序和FPGA 芯片配置文件的提取

输入输出装置的主要部件是智能接口模块，包括2 个8位单片机Atmel89S53(U21，U16)，1 个XC2S50 型FPGA(U77)。单片机负责运行功能程序，FPGA 负责译码、解码和编码。U16 是核心处理器，管理打字机的串行接口和整个接口模块的引导启动，其自身执行程序、U77 的配置文件和U21的执行程序都位于U70、U67 和U64 铁电存储器(FRAM)中。如何提取这3 个FRAM 内的程序，成为项目研制的关键。

试验显示，上述FRAM 不仅适合在板编程，而且焊下来也是安全的，具备了使用编程器读取芯片内部程序的可能性。考虑到FRAM 内部数据的脆弱性，为慎重起见，先使用同型号FRAM 在编程器上反复进行编程和芯片的插、拔操作，这时，出现个别数据丢失现象，原因是芯片和编程器接触的一瞬间，各管脚的信号具有不确定性。通过反复摸索，发现将芯片的“写”和“片选”信号上安置跳线，使其始终处于已知的确定状态，就可以在编程器上安全地插装和卸下芯片，由此成功地从3 个FRAM 中读取了程序和配置文件。U21 和U16 这2 片89S53 内部有无程序呢?从电路上看，U21 使用外部程序区，并不使用内部程序区，因此，判断其内部没有固化程序。U16 的情况与此类似。同时，通过阅读反汇编得到的汇编文件，排除了外部程序和内部固化程序同时存在的可能性。由此可以断定已经获取所有程序。程序和配置文件在存储器里共有3 个相同的数据块，可以通过判断3 块数据是否一致来确定数据的正确性。执行程序和芯片配置文件提取流程图如图2 所示。

3 国产化存储系统硬件设计

3.1 国产化存储系统硬件组成

磁带存储系统的国产化，保持原电气接口不变，采取测仿+功能替代的技术路线。国产化存储系统主要包括工控机、数据交换接口板、输入输出设备和电源供电装置。国产化存储系统硬件组成如图3 所示。

图2 执行程序和芯片配置文件提取流程

图3 国产化存储系统硬件组成

工控机为购买的现成PC -104 模块6236。PC -104 是一种专门为嵌入式而定义的工业控制总线，具有低成本、高可靠性、系统组建方便等优点，被广泛应用于工业控制、自动化测试等领域［1］。6236 模块集成有主频为800 MHz 的Vortex86DX 型CPU，4 个串口COM1 ～COM4，1 个PS2 键盘接口KBD，1 个LPT 打印接口PRINT，1 个VGA 显卡接口VGA，1个CF 卡接口CF，以及板载虚拟软驱D8000 等。

2 个Atmel89S53 型单片机和1 个144 脚的XILINX XC2S50 型FPGA 组成数据交换接口板的微控制器(MCU)，对接口板上的固态存储器进行管理，实现数据的读出、写入和存储，替代了原磁带机和磁带盒的功能;完成数据打印和显示功能。固态存储器由FM24C256 构成。FM24C256 是一个256kbit 的FRAM，其总线频率可高达1 MHz，具有10 亿次以上的读写次数且功耗很低［2］。数据位被串行移出，使用两线制(I2C)串行总线进行读写，工作电压+5 V，动态工作电流200 μA，静态工作电流100 μA。

单片机执行程序和FPGA 配置文件保存在由3 个并口FRAM 芯片FM18L08 组成的存储器中。FM18L08 内存组织结构为32k×8bit，可通过工业标准并行接口进行访问，兼容SRAM 和EEPROM。数据交换接口板加电后，单片机执行程序从FM18L08 调入单片机的RAM(IS62C256 -70UI)，FPGA配置文件调入FPGA 芯片中运行，完成数据交换和转换功能。

原磁带存储系统的2 路+27V 直流电源接电控制方式不变，其中1 路+27V 直流电源经ACE -709CX 型DC/DC变换器后输出+5V 和12V，用于为工控机和数据交换接口板供电;另1 路+27 V 直流电源经SM150 -224 型DC/AC 变换器输出～220V 50Hz 交流电源，为EPSONLx -300 +Ⅱ打字机供电。

3.2 数据交换接口板设计

数据交换接口板参考了输入输出装置中数据交换接口部分的设计思路，包括微控制器、FRAM、固态存储器、打印接口电流环电路和串/并转换接口电路等。接口板的开发过程虽然是对输入输出装置数据交换接口部分的测仿，但需要对原设计的高速信号接口、交互控制、串并转换、时序产生等电路进行全面剖析。基于FPGA 的设计开发，同样采用了144脚的XC2S50 芯片，并对芯片中电路的特性、参数和时序进行了对比测试，保证与装备原件一致。

数据交换接口板功能原理见图4。

图4 数据交换接口板功能原理

40 个FM24C256 芯片构成1280k×8bit 的固态存储器存储空间，由微控制器进行分区管理，形成虚拟磁盘0 和虚拟磁盘1，替代原磁带存储器。接口板上的2 个单片机分为主机和从机，主机负责管理固态存储器和串/并联接口，从机负责打字机的数据串行接口。2 个RS -232 串行接口，用于和工控机通讯。

4 国产化存储系统软件方案

国产化存储系统运行的所有软件及程序均来自输入输出装置。工控机操作系统运行环境为DOS 6.22，系统软件及打印程序装在板载硬盘上;其他应用程序及作战指挥程序代码存储于CF 卡存储器中。数字交换接口板上的FRAM 存储从输入输出装置破解的单片机执行程序和FPGA 配置文件;固态存储器保存作战指挥程序代码。

国产化存储系统以“检查状态”方式启动后，操作人员在C:WH 目录下进行维护操作。主要包括:

1)检验源代码OZZUK 的校验和

为确保从工控机下载到固态存储器中的作战指挥程序代码的正确性，下载前，应检验源代码OZZUK 的校验和。过程如下:国产化存储系统以“检查状态”方式启动成功后，运行C:WHKS_PO. BAT 程序;若运行结果КС1 ～КС5 与下述代码相符，则表明源代码OZZUK 正确。

КС1 =63C48819

КС2 =00000000

КС3 =FEE48EA5

КС4 =235A134F

КС5 =BE7A15F3

2)对固态存储器进行读操作

读操作的目的是为了检验写入固态存储器的作战指挥程序代码的正确性。读取固态存储器第2 区至第129 区的数据，形成OLZUK 格式、OZZUK 格式的4 个文件以及WCOPY.EXE 和TFD. EXE 程序运行产生的2 个日志文件，存储于CF 卡存储器的C:WH 目录下，同时还要进行检验OLZUK 格式文件及OZZUK 格式文件代码正确性的操作。

3)对固态存储器进行写操作

读固态存储器操作出现存储代码的校验和不正确时，才进行固态存储器的写入操作:将CF 卡存储器C:WH 目录下的OZZUK 文件进行代码转换，形成可下载文件OLZUK，将OLZUK 文件下载到固态存储器。过程如下:国产化存储系统以“检查状态”方式启动成功后，进行检验源代码OZZUK的校验和操作;校验和符合要求后，运行C:WHR_ZUK.BAT 程序，将OLZUK 文件下载到固态存储器;代码下载结束后，为了验证下载的正确性，进行固态存储器的读操作;当检验结果符合要求后，表明OLZUK 代码已正确写入固态存储器中。

当武器系统指令存储器存储的程序损坏或丢失时，数字计算机可通过第14 交换通道读取固态存储器中存储的作战指挥程序代码，重新写入指令存储器。装备阵地的遮蔽角信息通过键盘输入，保存在固态存储器中，需要时，数字计算机可通过第14 交换通道读取到指令存储器;同时，也可将指令存储器中的阵地遮蔽角信息写入固态存储器保存。