Модуль процессорный

Полезная модель относится к области испытательного оборудования техники и предназначена для разработки, тестирования и развёртывания многоуровневых комплексов обработки данных с высокой масштабируемостью.
При разработке и испытаниях самолетного оборудования на комплексах полунатурного моделирования возникает необходимость интеграции данных с широкой номенклатуры авиационных интерфейсов, проведения промежуточных вычислений и передачи их в унифицированном виде через стандартные интерфейсы (PCI Express, Ethernet, AFDX).
Состав и количество авиационных интерфейсов может меняться в широких пределах, типичная самолетная подсистема содержит два и более разнородных или дублирующих авиационных интерфейса помимо дублируемых сетевых каналов (на основе технологии AFDX). Возможны экспериментальные сборки с уникальными интерфейсами, соответственно требуется многоуровневая система, в которой физические интерфейсы выполнены в виде мезонинов с внешними выводами, а вычислительный модуль имеет унифицированный способ их подключения и сам может быть установлен как расширение/сопроцессор в персональный компьютер (ПК), оборудованный слотом расширения PCI Express. Вычислительным модулем в такой системе является модуль процессорный.
Из уровня техники известен процессорный модуль (патент РФ №175051, опубликовано 16.11.2017), который содержит: микропроцессор Эльбрус 1С+, многофункциональный контроллер КПИ-2 и интерфейс программирования  JTAG, элементы питания, ОЗУ SDRAM, ПЗУ Flash, интерфейсы USB, соединители Ethernet, разъём интерфейсной шины PCI-Express.
Недостатком указанного аналога являются его узкие функциональные возможности, не позволяющие работать с мезонинами, совместимыми с одноплатным компьютером типа Raspberry Pi, с сетями типа AFDX по причине отсутствия двух разъёмов SFP (Small Form-factor Pluggable) и микросхем сетевых интерфейсов, поддерживающих SFP, а также принимать и выдавать дискретные сигналы с уровнями напряжения 3.3В и 5 В, использовать карты памяти MicroSD в качестве ПЗУ.
Известен аналог - модуль APE-FDX-2 компании AIM (https://www.aim-online.com/products/ape-fdx-2b/), который содержит: микросхему с системой на кристалле (СнК), интерфейс программирования  JTAG, элементы питания, ОЗУ SDRAM, ПЗУ Flash, интерфейсы USB, соединители Ethernet, программируемые каналы ввода-вывода, которые возможно использовать для приема и передачи разовых команд, разъёмы интерфейсной шины PCI Express.
К недостаткам указанного устройства можно отнести отсутствие открытой архитектуры, а также то, что данное устройство позволяет решать только узкоспециальные задачи (работа только с AFDX интерфейсом), что сужает спектр выполняемых задач.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели (прототип) является модуль Cosmos XZQ10 производителя Enclustra GmbH (https://www.enclustra.com/en/products/system-boards/cosmos-xzq10/), который содержит: микросхему, являющуюся системой на кристалле (СнК), интерфейс JTAG, элементы питания, ОЗУ SDRAM, ПЗУ Flash, интерфейсы USB, соединители SFP+, соединитель QSFP+, ПЗУ SD Card, программируемые каналы ввода-вывода, которые возможно использовать для приема и передачи разовых команд, разъём подключения мезонинов, разъём интерфейсной шины PCI Express.
К недостаткам указанного устройства можно отнести узкие функциональные возможности, не позволяющие работать с мезонинами, совместимыми содноплатным компьютером типа Raspberry Pi, с сетями типа AFDX через вставки SFP по причине отсутствия двух разъёмов SFP, а также принимать и выдавать дискретные сигналы с уровнем напряжения 5В.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей процессорного модуля в части подключения к нему мезонинов, совместимых с одноплатным компьютером типа Raspberry Pi, модулей стандарта SFP для работы с сетями AFDX при возможности организации приема-выдачи дискретных сигналов с выбором уровня напряжения +3.3В/+5В.
Технический результат достигается за счет того, что модуль процессорный содержит систему на кристалле (СнК), подсистему питания, разъём JTAG, микросхему оперативной памяти DDR SDRAM, постоянное запоминающее устройство  (ПЗУ) типа Flash, карту памяти MicroSD, шину PCI Express, соединители для приема-выдачи дискретных сигналов +3.3В, отличается тем, что дополнительно содержит преобразователи уровней напряжения дискретных сигналов с выбором питающего напряжения +3.3В/+5В, соединители для приема-выдачи дискретных сигналов настраиваемого диапазона напряжений +3.3В/+5В, соединители для подключения мезонинов, совместимых с одноплатным компьютером типа Raspberry Pi, микросхемы сетевых интерфейсов, разъёмы стандарта SFP, при этом разъём JTAG и подсистема питания  подключены к СнК. СнК соединен двусторонней линией связи для параллельной работы с микросхемой оперативной памяти DDR SDRAM, ПЗУ типа Flash, картой памяти Micro SD, соединителями для приема-выдачи дискретных сигналов +3.3В, преобразователями уровней напряжения дискретных сигналов с выбором питающего напряжения +3.3В/+5В, соединителями для подключения мезонинов, совместимых с одноплатным компьютером типа Raspberry Pi, микросхемами сетевых интерфейсов и шиной PCI Express, при этом преобразователи уровней напряжения дискретных сигналов с выбором питающего напряжения +3.3В/+5В соединены с соединителями для приема-выдачи дискретных сигналов настраиваемого диапазона напряжений +3.3В/+5В, а микросхемы сетевых интерфейсов соединены с разъёмами стандарта SFP.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели, модуль процессорный содержит порт Mini USB, который соединен двусторонней линией связи с системой на кристалле СнК.
В другом предпочтительном варианте осуществления полезной модели, модуль процессорный содержит порт Micro USB, который соединен двусторонней линией связи с системой на кристалле СнК.
В еще одном  предпочтительном варианте осуществления полезной модели, система на кристалле СнК содержит два процессорных ядра.
Полезная модель поясняется следующим чертежом.
Фиг. - структурная схема модуля процессорного, где:
1 - система на кристалле (СнК);
2 - разъём JTAG;
3 - подсистема питания;
4 - микросхема оперативной памяти DDR SDRAM;
5 - постоянное запоминающее устройство  (ПЗУ) типа Flash;
6 - порт Mini USB;
7 - порт Micro USB;
8 - карта памяти Micro SD;
9 - соединители для приема-выдачи дискретных сигналов +3.3В;
10 - преобразователи (микросхемы) уровней напряжения дискретных сигналов с выбором питающего напряжения +3.3В/+5В;
11 - соединители для приема-выдачи дискретных сигналов настраиваемого диапазона напряжений +3.3В/+5В;
12.1, 12.2 - соединители для подключения мезонинов, совместимых с одноплатным компьютером типа Raspberry PI;
13 - микросхемы сетевых интерфейсов c поддержкой SFP;
14 - разъёмы стандарта SFP;
15 -шина PCI Express.
Модуль процессорный осуществляется следующим образом.
Центральным процессорным устройством модуля процессорного является система на кристалле СнК 1 со стандартными интерфейсами SPI, I2C, UART, CAN. В предпочтительном варианте осуществления полезной модели СнК 1 включает два процессорных ядра ARM Cortex с поддержкой многозадачности через Linux-совместимые ОС и ОСРВ.
После подачи и стабилизации питания системой питания 3 СнК 1 осуществляет загрузку программного обеспечения из ПЗУ типа Flash 5 и карты памяти  MicroSD 8 в микросхему оперативной памяти DDR SDRAM 4 и приступает к мониторингу внешних интерфейсов или рассылке через эти интерфейсы данных, сохраненных в микросхеме оперативной памяти DDR SDRAM 4 или в карте памяти Micro SD 8. При подключении модуля процессорного к ПК через шину PCI Express 15, модуль процессорный принимает  сигналы, содержащие данные и инструкции (опрос интерфейсов, запрос данных из памяти, запрос вычислений над данными) и выдаёт сигналы с обработанными данными обратно в ПК через шину PCI Express 15. Детальный алгоритм взаимодействия с ПК настраивается с помощью ПО, установленного на модуле процессорном. При подключении сетевых модулей к разъёмам SFP 14 и наличии сетевого подключения к микросхемам сетевых интерфейсов 13 осуществляется автоматический выбор протоколов согласно настройкам ОС для достижения заданной или наиболее эффективной работы сети. По завершении настроек происходит обмен данными с одним (через сети с дублированием AFDX, Fibre Channel) или двумя внешними узлами сети. Если СнК 1 обнаруживает на соединителях 12.1, 12.2 мезонины, то ПО, выполняющееся на СнК 1, осуществляет запрос режимов работы и настраивает интерфейсы, выведенные на соединители 12.1, 12.2, на обмен данными с мезонинами. Одновременно через соединители 9 может осуществляться приём и выдача дискретных сигналов +3.3В, а через соединители 11 — дискретных сигналов уровнем до +5В. При необходимости через порт Micro USB 7 осуществляется подключение внешних USB-устройств.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели СнК 1 оснащена двумя процессорными ядрами, двумя наборами контроллеров интерфейсов, благодаря чему обмен данными с двумя мезонинами, источниками дискретных сигналов, ПК, сетью, внешними USB-устройствами осуществляется параллельно.
Для программирования и отладки модуль подключается к рабочему месту разработчика через разъём JTAG 2 и внешний программатор, обмен отладочными данными между работающим ПО и ПК разработчика также возможен через Mini USB 6.