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淺談某型機載作戰(zhàn)任務加載器的設計與實現(xiàn)論文
軍用飛機作戰(zhàn)任務具有較高的保密要求，飛行員需要從作戰(zhàn)指揮部獲取作戰(zhàn)任務數(shù)據(jù)，然后在飛機執(zhí)行任務起飛前將作戰(zhàn)任務相關參數(shù)通過數(shù)據(jù)加載設備傳輸?shù)交鹂赜嬎銠C中�；鹂叵到y(tǒng)根據(jù)裝訂的信息參數(shù)引導飛行，在載機到達程序裝訂的目標區(qū)域時提醒飛行員做好戰(zhàn)斗準備，此外攻擊后的退出引導、返場引導等飛行過程都可根據(jù)裝訂的信息自動完成。
1 整體方案考慮
作戰(zhàn)任務加載器需要實現(xiàn)三個功能，包括讀取數(shù)據(jù)存儲卡的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解密和通過1553B接口向火控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)存儲卡用于存儲和傳遞作戰(zhàn)導航數(shù)據(jù)，任務規(guī)劃系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲卡執(zhí)行編程操作，作戰(zhàn)任務加載器對數(shù)據(jù)存儲卡執(zhí)行讀取操作。作戰(zhàn)任務加載器屬于小型機載嵌入式設備，其工作頻率較低，數(shù)據(jù)存儲卡應選擇工作模式相對簡單、讀取速度快、可靠性較高的產(chǎn)品。作戰(zhàn)任務加載器采用基于USB接口的NOR Flash存儲卡作為作戰(zhàn)導航參數(shù)信息的存儲載體。NOR Flash也稱為Linear Flash, 擁有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線,能快速隨機讀取,可以單字節(jié)/單字編程,但必須以塊為單位或整片執(zhí)行擦除,重新編程之前必須進行擦除操作。NOR Flash存儲卡簡單的訪問方式、快速讀取速度及較高的可靠性適合機載作戰(zhàn)任務加載器的工作環(huán)境和工作模式。
作戰(zhàn)任務編程/加載系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)加解密技術保證移動存儲的安全保密性。所謂數(shù)據(jù)加密技術是指將信息(或稱明文)經(jīng)過加密鑰匙及加密函數(shù)轉換，變成無意義的密文，而接收方將此密文經(jīng)過解密函數(shù)、解密鑰匙還原成明文的技術。作戰(zhàn)導航參數(shù)信息需要任務規(guī)劃系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)加密后存儲在數(shù)據(jù)存儲卡上，作戰(zhàn)任務加載器對數(shù)據(jù)存儲卡上的密文數(shù)據(jù)進行解密處理。作戰(zhàn)任務加載器固定安裝在飛機上，應用環(huán)境具有較高的安全性�？紤]作戰(zhàn)任務加載器的實時性要求較低，且需要解密的導航信息數(shù)據(jù)量較小，加載器采用軟件解密方法即可滿足要求。雖然會帶來軟件運行開銷，但可降低硬件成本。
本系統(tǒng)采用IDEA(International Data EncryptionAlgorithm)加密算法實現(xiàn)作戰(zhàn)導航數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)生成端的加密和數(shù)據(jù)使用端的解密。IDEA被認為是目前世界上最好最安全的分組密碼算法，且對計算機功能要求不高。IDEA的密鑰長度是128位，相對較長，加密強度高。在窮舉攻擊的情況下，IDEA需要經(jīng)過2128次加密才能恢復出密鑰，假設芯片每秒能檢測10億個密鑰，需要1013年，它被認為僅循環(huán)4次即可抵制差分密碼分析，對IDEA算法也不起作用，隨機選擇密鑰基本沒有危險，故其安全性較高;算法的基礎是16位運算，實現(xiàn)速度與DES相同。加密中從數(shù)碼鎖獲得的密鑰為128比特，明文分組長度是64比特。
采用DSP實現(xiàn)IDEA解密算法與硬件實現(xiàn)解密相比具有開發(fā)周期短、成本低的優(yōu)點。另外DSP本身的流水線和運算器設計也能夠有效提高數(shù)據(jù)解密算法的運算速度。
2 硬件設計
作戰(zhàn)任務加載器由數(shù)據(jù)處理模塊、電源系統(tǒng)、機箱和數(shù)據(jù)存儲卡構成，機箱和電源采用一體化設計，數(shù)據(jù)處理模塊是作戰(zhàn)任務加載器內(nèi)部唯一的SRU。數(shù)據(jù)存儲卡直接安裝在數(shù)據(jù)處理模塊上，可簡化整機結構設計。
2.1 DSP選型
數(shù)據(jù)處理模塊采用TI公司的數(shù)字信號處理器SM320F2812，集成1553B、USB、串口、離散量等數(shù)字接口。1553B接口用于向火控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，USB接口用于訪問數(shù)據(jù)存儲卡，串口用于顯示維護BIT的測試結果，離散量用于控制作戰(zhàn)任務加載器進入不同的工作模式。SM320F2812的額定工作頻率為150MHz，每秒可執(zhí)行1.5億次指令，具有單周期32bit×32bit的乘和累加操作功能，主要實現(xiàn)USB存儲卡數(shù)據(jù)讀取、解密、發(fā)送的功能。
F2812的外部接口映射到5塊固定的存儲空間。每個存儲空間可以單獨設置訪問時的等待狀態(tài)數(shù)目、選通信號的建立時間和保持時序，且讀和寫操作的時序可以獨立設置。此外，每個空間可以分別選擇是否使用外部等待信號(XREADY)來擴展所需的等待狀態(tài)。這些片選信號以及可編程的等待狀態(tài)和選通時序使得DSP芯片可以和許多外部存儲器或擴展外設間實現(xiàn)無縫接口。每個XINTF空間都有自己的時序寄存器XTIMING，改變時序寄存器的值將會影響相應空間的訪問時序。1553B接口、RAM、數(shù)據(jù)存儲卡可分別映射到不同的存儲空間，實現(xiàn)簡化設計。
2.2 1553B總線接口電路
作戰(zhàn)任務加載器與火控計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸通過1553B總線接口實現(xiàn)。本設計選擇1553B接口芯片HK1553B來實現(xiàn)通信功能。
1553B總線接口電路工作時鐘為12MHz，經(jīng)過隔離變壓器連接到1553B總線，模塊上1553B芯片工作在RT方式下，1553B協(xié)議芯片訪問外部存儲器為一片64k×16bitSRAM存儲器，存儲器的訪問控制及1553B協(xié)議芯片請求DSP總線及應答信號由FPGA產(chǎn)生。1553B協(xié)議芯片的地址和數(shù)據(jù)總線全部引入FPGA，1553B協(xié)議芯片訪問DSP總線時地址數(shù)據(jù)通過FPGA掛在EMIF總線上。
2.3 USB接口電路
本系統(tǒng)采用的存儲卡為MagicRAM公司的USBFlash存儲卡，該存儲卡讀取周期最大為200ns，可執(zhí)行100000次寫/擦除操作。該存儲卡的讀寫訪問時序是典型的異步并行接口訪問時序。DSP提供了對異步存儲器的無縫訪問接口XINTF，將數(shù)據(jù)存儲卡單獨映射到DSP的Zone 2外部存儲空間。
USB芯片CY7C68013與FPGA相連，在檢測到USB供電后，通過FPGA實現(xiàn)對USB接口芯片的復位，并使能USB接口信號，實現(xiàn)與上位機的通信，完成調試加載功能。
FPGA通過USB口電源監(jiān)控電路實現(xiàn)對USB接口的接口控制，當USB接口供電有效時，F(xiàn)PGA輸出USB芯片復位有效，并使能與USB接口的數(shù)據(jù)總線，在USB不使用條件下USB工作在PowerDown模式，數(shù)據(jù)總線置為三態(tài)。
3 軟件設計
作戰(zhàn)任務加載器的軟件分為三部分，包括驅動程序、BIT程序和應用程序，驅動程序由BIT程序和應用程序調用。驅動程序包括DSP初始化、1553B接口驅動、串口驅動、GPIO驅動等。DSP初始化對DSP的工作頻率、XINTF總線時序、中斷使能和優(yōu)先級進行配置。1553B、串口接口驅動實現(xiàn)通信初始化配置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等基本底層控制操作。作戰(zhàn)任務加載器BIT程序包括上電BIT和維護
BIT。作戰(zhàn)任務加載器上電后通過讀取地面狀態(tài)使能信號GSE#的狀態(tài)進入地面工作模式或機上工作模式。在地面工作模式，作戰(zhàn)任務加載器執(zhí)行維護BIT程序，對FLASH、RAM、1553B接口、USB數(shù)據(jù)存儲卡等硬件資源進行測試，對FLASH的測試只進行應用程序校驗和測試，對RAM、USB數(shù)據(jù)存儲卡進行讀寫正確性測試，對1553B接口進行數(shù)據(jù)傳輸正確性測試。在機上工作模式，為了保證作戰(zhàn)任務加載器的功能完備性，首先進行上電BIT測試，對應用程序FLASH校驗和、數(shù)據(jù)RAM讀寫正確性、1553B接口內(nèi)部環(huán)測正確性進行測試。上電BIT測試正確后，通過定時器產(chǎn)生定時中斷不斷偵測USB接口是否有數(shù)據(jù)傳輸卡存在。當正常插入數(shù)據(jù)存儲卡后，任務加載器可向空地火控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)加載請求，根據(jù)火控計算機的應答情況發(fā)起數(shù)據(jù)加載流程，執(zhí)行應用程序。如未檢測到數(shù)據(jù)存儲卡或火控計算機無應答，則循環(huán)執(zhí)行上電BIT測試。
應用程序對USB存儲卡內(nèi)密文數(shù)據(jù)和密鑰讀取，采用IDEA解密算法對密文數(shù)據(jù)解密，將解密后的明文數(shù)據(jù)通過1553B接口傳輸給空地火控計算機，其加載端和目標機均需支持1553B基本數(shù)據(jù)通信，通過握手-響應-確認機制來完成數(shù)據(jù)在加載端和目標機的可靠傳輸過程。
4 結束語
本文介紹了一種可讀取USB數(shù)據(jù)存儲卡并實現(xiàn)作戰(zhàn)任務數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加載器。此設計方法可應用于更多具有安全可靠要求的數(shù)據(jù)加載設備。數(shù)據(jù)信息載體不局限于USB線性FLASH存儲卡，可根據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)量要求采用加固U盤、加固SATA電子盤等移動存儲設備。與上位機的數(shù)據(jù)傳輸交互接口也可根據(jù)實際應用需求進行設計，可設計為AFDX、ARINC429、ARINC825等串行通信接口。
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