一種在線加載的分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)方案

侯亮 張沛 高升

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094) (2 空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京 100094)

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一種在線加載的分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)方案

侯亮1,2張沛1,2高升1,2

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094) (2 空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京 100094)

結(jié)合在星載計算機(jī)系統(tǒng)中廣泛采用的主從分布式體系結(jié)構(gòu)，文章提出了一種基于在線加載機(jī)制的主從分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)方案，其從節(jié)點計算機(jī)中僅存儲引導(dǎo)程序，應(yīng)用程序存放于主節(jié)點計算機(jī)中，在從節(jié)點計算機(jī)啟動或復(fù)位后由主節(jié)點計算機(jī)通過總線網(wǎng)絡(luò)將其應(yīng)用軟件進(jìn)行加載。分析結(jié)果表明，此設(shè)計方案能夠降低從節(jié)點計算機(jī)對程序存儲區(qū)的需求，簡化從節(jié)點計算機(jī)的設(shè)計，并可優(yōu)化研制流程，在航天領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

引導(dǎo)程序；在線加載；主從分布式；星載計算機(jī)系統(tǒng)

1 引言

星載計算機(jī)為典型的嵌入式系統(tǒng)，一般由處理器、程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、“看門狗”電路、通信接口電路、電源接口電路等組成[1]。星載計算機(jī)的程序存儲區(qū)用于存儲星載計算機(jī)應(yīng)用程序，要求掉電不丟失，一般采用可編程只讀存儲器(PROM)實現(xiàn)。隨著星載計算機(jī)軟件復(fù)雜度的不斷提高，PROM容量已逐漸難以滿足星載計算機(jī)對體積和重量的嚴(yán)苛要求。同時為滿足軟件在軌維護(hù)的需求[2]，電擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)或閃速存儲器(FLASH)越來越多的應(yīng)用于星載計算機(jī)中，并采用“PROM+EEPROM/FLASH”的組合形式作為程序存儲器[3]，其中PROM中存儲引導(dǎo)程序，EEPROM或FLASH中存儲應(yīng)用程序。在星載計算機(jī)上電或復(fù)位后，首先運(yùn)行PROM中的引導(dǎo)程序，引導(dǎo)程序負(fù)責(zé)將EEPROM或FLASH中的應(yīng)用程序引導(dǎo)至靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)中運(yùn)行，最終軟件在SRAM中運(yùn)行[4]。

由于EEPROM和FLASH的抗輻照指標(biāo)較低，易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)[5-8]，實際應(yīng)用中需要采取單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)設(shè)計。在文獻(xiàn)[3]和[9]中，針對空間數(shù)字信號處理器(DSP)加載系統(tǒng)中FLASH的單粒子翻轉(zhuǎn)問題，提出了三模冗余和糾錯編碼用于糾正FLASH的錯誤，并采用定時刷新方案防止錯誤的積累。文獻(xiàn)[4]中，針對EEPROM的單粒子翻轉(zhuǎn)問題，結(jié)合SPARC V8(Scalable Processor ARChitecture，可擴(kuò)充處理器結(jié)構(gòu))架構(gòu)芯片的錯誤檢測與糾正(EDAC)功能和系統(tǒng)軟件冗余備份提出了一種容錯引導(dǎo)算法，提高系統(tǒng)的可靠性。上述方法都可以有效解決空間環(huán)境下EEPROM和FLASH的單粒子翻轉(zhuǎn)問題，但是需要每一臺應(yīng)用程序較大或需要軟件維護(hù)的星載計算機(jī)均采用上述各種單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)措施，如此會加大系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的復(fù)雜度。

基于上述原因，結(jié)合在航天領(lǐng)域計算機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的主從分布式體系結(jié)構(gòu)的特點[4]，本文提出了一種基于在線加載機(jī)制的主從分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)方案，對系統(tǒng)的組成、各組成部分的功能及系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行介紹，并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和對比。

2 主從分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)

主從分布式體系結(jié)構(gòu)不僅具有分布式系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好和可靠性高的優(yōu)點，還具有層次清晰的特點，便于功能劃分，因此廣泛地應(yīng)用于星載計算機(jī)系統(tǒng)中[10]。主從分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)由一臺主節(jié)點計算機(jī)和若干從節(jié)點計算機(jī)組成，其中，主節(jié)點計算機(jī)負(fù)責(zé)整個計算機(jī)系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行及健康管理，從節(jié)點計算機(jī)在主節(jié)點的控制下，互相配合完成系統(tǒng)要求的各項任務(wù)，如圖1所示。

圖1 主從分布式體系結(jié)構(gòu)的星載計算機(jī)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of master-slave distributed on-board computer system

主從分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)具有如下特點：

(1)系統(tǒng)的健康管理和狀態(tài)檢測一般由主節(jié)點計算機(jī)實現(xiàn)，主節(jié)點計算機(jī)可根據(jù)從節(jié)點計算機(jī)的相關(guān)遙測對系統(tǒng)進(jìn)行重組；

(2)從節(jié)點計算機(jī)用于完成系統(tǒng)的各項功能，并可根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行數(shù)量的調(diào)整，具有良好的可擴(kuò)展性；

(3)主從節(jié)點之間采用串行數(shù)據(jù)總線(1553B、CAN、SpaceWire等)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的星載計算機(jī)系統(tǒng)組成與傳統(tǒng)的主從分布式系統(tǒng)相同，由主節(jié)點計算機(jī)和若干從節(jié)點計算機(jī)組成，主節(jié)點計算機(jī)和從節(jié)點計算機(jī)通過星載總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，各部分功能如下：

(1)主節(jié)點計算機(jī)：完成整個系統(tǒng)的管理并負(fù)責(zé)系統(tǒng)的對外通信接口，包括遙測數(shù)據(jù)的組織、健康管理、指令的解析等，與傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)不同，主節(jié)點計算機(jī)存儲有各從節(jié)點星載計算機(jī)的應(yīng)用程序，可接收從節(jié)點計算機(jī)的加載請求并完成對從節(jié)點計算機(jī)的程序注入；主節(jié)點計算機(jī)中，自身的應(yīng)用程序及從節(jié)點計算機(jī)的應(yīng)用程序均存儲于EEPROM或FLASH中，主節(jié)點計算機(jī)需對存儲器數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，如采用定時刷新或三模冗余等保護(hù)措施，確保數(shù)據(jù)完好。

(2)從節(jié)點計算機(jī)：完成系統(tǒng)的特定功能，如熱控、指令發(fā)送、電機(jī)控制、敏感器數(shù)據(jù)采集、閥門控制等，與傳統(tǒng)的從節(jié)點計算機(jī)不同，其設(shè)備內(nèi)部僅固化引導(dǎo)程序，應(yīng)用程序必需從外部注入，而引導(dǎo)程序固化在對單粒子免疫的PROM中，從節(jié)點計算機(jī)無需采用抗單粒子翻轉(zhuǎn)措施，從而簡化硬件及軟件設(shè)計。

(3)星載網(wǎng)絡(luò)：為主從節(jié)點計算機(jī)之間的通信提供通路，可根據(jù)需求選用1553B、CAN、RS485、1394、SpaceWire等通信協(xié)議。

2.5.3 網(wǎng)關(guān)。Zig bee模塊接收傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過串口透傳將數(shù)據(jù)包再發(fā)送 給Wi-Fi模塊，從而連接外網(wǎng)。

星載計算機(jī)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic of the system

3.2 系統(tǒng)工作流程

整個星載計算機(jī)系統(tǒng)的工作流程如圖3所示，首先主節(jié)點計算機(jī)上電、完成初始化后，主節(jié)點計算機(jī)依次控制各從節(jié)點計算機(jī)上電，并讀取存儲于主節(jié)點計算機(jī)中的各從節(jié)點計算機(jī)的應(yīng)用程序，然后通過星載總線網(wǎng)絡(luò)注入至從節(jié)點計算機(jī)中。注入完成后，主節(jié)點計算機(jī)可根據(jù)相應(yīng)從節(jié)點計算機(jī)的遙測判斷注入程序的狀態(tài)，注入數(shù)據(jù)無誤，則控制相應(yīng)的從節(jié)點計算機(jī)開始正常運(yùn)行，否則重新注入應(yīng)用程序。

目前在航天領(lǐng)域應(yīng)用的星載網(wǎng)絡(luò)包括1553B總線、CAN總線、RS485總線、1394總線和SpaceWire總線，其中1553B及CAN總線的通信速率最低，為1 Mbit/s。一般星載計算機(jī)的應(yīng)用程序不大于500 kbyte，在1 Mbit/s速率下完成的程序注入需要約4 s的時間，如果考慮總線利用率的因素，時間會進(jìn)一步延長，但不會大于10 s，可滿足大部分航天應(yīng)用的需求。隨著SpaceWire等高速總線在航天器中逐漸推廣應(yīng)用，配置時間將進(jìn)一步縮短。

圖3 系統(tǒng)工作流程Fig.3 Working flow of the system

在所有從節(jié)點計算機(jī)均完成程序注入后，整個系統(tǒng)開始運(yùn)行。在運(yùn)行期間，主節(jié)點計算機(jī)應(yīng)周期性地輪詢各從節(jié)點計算機(jī)的狀態(tài)，當(dāng)從節(jié)點計算機(jī)因故障或其它原因重新啟動或復(fù)位時，對相應(yīng)從節(jié)點計算機(jī)重新進(jìn)行程序注入。

4 系統(tǒng)性能分析

4.1 系統(tǒng)可靠性分析

假設(shè)分布式計算機(jī)系統(tǒng)中主從節(jié)點計算機(jī)均采用雙機(jī)熱備份設(shè)計，則系統(tǒng)的可靠性框圖如圖4所示，整個計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性RSYS=Rm×Rsn，其中Rm為主節(jié)點計算機(jī)的可靠性，Rs為從節(jié)點計算機(jī)

的可靠性，n為從節(jié)點計算機(jī)的數(shù)量。

(1)

采用本文設(shè)計方法的分布式計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性為

(2)

RSYSN與RSYST的比值為

(3)

圖4 系統(tǒng)可靠性框圖Fig.4 Reliability block diagram of the system

由式(3)可以看出，系統(tǒng)可靠性的提高與FLASH/EEPROM的失效率λf和從節(jié)點計算機(jī)的數(shù)量n有關(guān)，系統(tǒng)10年末期RSYSN與RSYST的比值N與從節(jié)點計算機(jī)數(shù)量和FLASH/EEPROM的失效率λf之間的關(guān)系如圖5所示，從節(jié)點計算機(jī)數(shù)量越多，λf越大，本文設(shè)計方案對可靠性的提高越明顯。

圖5 系統(tǒng)10年末期的可靠度對比Fig.5 Comparison of the reliability at the end of 10 years

4.2 系統(tǒng)存儲容量需求分析

根據(jù)本文的設(shè)計方案，所有從節(jié)點計算機(jī)的應(yīng)用程序均存儲于主節(jié)點計算機(jī)中，因此僅需對主節(jié)點計算機(jī)應(yīng)用程序存儲區(qū)進(jìn)行三模冗余設(shè)計，現(xiàn)對其容量需求進(jìn)行分析。

假設(shè)主從節(jié)點計算機(jī)均采用雙機(jī)備份設(shè)計，且主備份狀態(tài)完全一致，主節(jié)點計算機(jī)自身應(yīng)用程序存儲區(qū)的容量需求為Cm，每個從節(jié)點計算機(jī)應(yīng)用程序存儲區(qū)的容量要求最大為CS，從節(jié)點計算機(jī)數(shù)量為n，凡應(yīng)用程序都要采用三模冗余設(shè)計。

如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計方案，主從節(jié)點計算機(jī)均設(shè)計獨立的應(yīng)用程序存儲區(qū)，則整個計算機(jī)系統(tǒng)對應(yīng)用程序存儲區(qū)容量的需求為

(4)

如果采用本文的設(shè)計方案，假設(shè)所有從節(jié)點計算機(jī)之間應(yīng)用程序互不相同，此情況下針對每一個從節(jié)點計算機(jī)，主節(jié)點計算機(jī)僅需存儲一份應(yīng)用程序，整個計算機(jī)系統(tǒng)即主節(jié)點計算機(jī)應(yīng)用程序存儲區(qū)容量的需求為

(5)

二者之間的差值ΔM為

(6)

由以上分析可見，從節(jié)點計算機(jī)數(shù)量越多，應(yīng)用程序越大，本文設(shè)計方案的優(yōu)勢越明顯。

4.3 研制流程優(yōu)化分析

對于星載計算機(jī)正樣產(chǎn)品的研制，在軟件完成了相關(guān)測試之后，需要對最終版本進(jìn)行固化，傳統(tǒng)的設(shè)計方案情況下，主節(jié)點計算機(jī)及從節(jié)點計算機(jī)均需進(jìn)行軟件固化，固化流程如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)設(shè)計方案星載軟件固化流程Fig.6 Software curing procedure of traditional design

如果采用本文的設(shè)計方案，由于僅有主節(jié)點計算機(jī)中需要固化應(yīng)用程序，從節(jié)點計算機(jī)僅需提供應(yīng)用程序軟件產(chǎn)品即可，本文的設(shè)計方案對應(yīng)的軟件固化流程如圖7所示。

圖7 本文設(shè)計方案星載軟件固化流程Fig.7 Software curing procedure of design in this paper

由上文分析可見，本文的設(shè)計方案可以簡化從節(jié)點計算機(jī)的軟件固化流程，省去了從節(jié)點計算機(jī)軟件固化對應(yīng)的大量測試、設(shè)備開蓋等工作，從而簡化了系統(tǒng)的研制，有利于加快衛(wèi)星研制進(jìn)度。

6 應(yīng)用前景分析

由上文分析可知，本文的設(shè)計方案具有如下優(yōu)點：

(1)降低了整個分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)對應(yīng)用程序存儲區(qū)容量的需求，從節(jié)點計算機(jī)數(shù)量越多，應(yīng)用程序越復(fù)雜，效果越明顯；

(2)從節(jié)點計算機(jī)設(shè)計簡化，不再需要針對應(yīng)用程序存儲區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的可靠性設(shè)計，如EDAC設(shè)計、三模冗余設(shè)計等等；

(3)從節(jié)點計算機(jī)研制流程簡化，可以節(jié)省從節(jié)點計算機(jī)應(yīng)用軟件固化及對應(yīng)的單機(jī)開蓋處理等大量的工作，有利于加快研制進(jìn)度。

本文的設(shè)計方案的代價如下：

(1)從節(jié)點計算機(jī)應(yīng)用程序加載時間增加：對于應(yīng)用程序加載時間增加的問題，會導(dǎo)致從節(jié)點計算機(jī)不可控時間的增加，但根據(jù)上文分析，不可控時間一般可以控制在10s以內(nèi)，對于大部分航天應(yīng)用，可以滿足實時性要求，且隨著星載高速總線的應(yīng)用，應(yīng)用程序的加載時間會進(jìn)一步縮短。

(2)從節(jié)點計算機(jī)的開發(fā)和測試條件增加：由于沒有設(shè)計應(yīng)用程序存儲區(qū)，從節(jié)點計算機(jī)單機(jī)調(diào)試和測試需要對應(yīng)的地面測試設(shè)備的支持。但現(xiàn)在星載計算機(jī)一般都配有地面測試設(shè)備，且地面測試設(shè)備接口豐富，功能強(qiáng)大，實現(xiàn)上述程序注入的功能只需簡單更改地面測試設(shè)備軟件即可。

(3)主節(jié)點計算機(jī)數(shù)據(jù)維護(hù)量增加：由于主節(jié)點計算機(jī)存儲有從節(jié)點計算機(jī)的應(yīng)用程序，主節(jié)點計算機(jī)需要對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)和管理，如定期巡檢、在線糾錯等，但主節(jié)點計算機(jī)本來就需要對自身的應(yīng)用程序進(jìn)行維護(hù)和管理，增加了從節(jié)點計算機(jī)的數(shù)據(jù)后只是數(shù)據(jù)量有所增加，功能無需增加。

(4)主節(jié)點計算機(jī)工作量增加：如采用本文設(shè)計方案，航天器發(fā)射后所有從節(jié)點計算機(jī)的更改都需要主節(jié)點計算機(jī)配合，在后續(xù)軟件維護(hù)、版本控制中主節(jié)點計算機(jī)的管理上的工作量會增加，但對于整個系統(tǒng)來說，是將從節(jié)點計算機(jī)的工作量轉(zhuǎn)移到了主節(jié)點計算機(jī)，總體來說系統(tǒng)的工作量增加較少。

綜上所述，對于從節(jié)點計算機(jī)數(shù)量多、應(yīng)用程序需求量大的分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)，本文的設(shè)計方案可以帶來比較明顯的改善效果。

7 結(jié)束語

本文結(jié)合主從分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)的特點，提出了一種基于在線加載的星載計算機(jī)系統(tǒng)方案，在有效降低系統(tǒng)對應(yīng)用存儲區(qū)容量需求的同時，簡化了從節(jié)點計算機(jī)的軟硬件設(shè)計，使其不必針對應(yīng)用程序存儲區(qū)采用三模冗余、EDAC等可靠性設(shè)計措施，并且可以顯著減少整個星載計算機(jī)系統(tǒng)在產(chǎn)品研制過程中的工作量。本文的設(shè)計方案對主從分布式星載計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計有較好的參考作用。

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(編輯：李多)

A Concept of Distributed On-board Computer System Based on On-line Bootloader

HOU Liang1,2ZHANG Pei1,2GAO Sheng1,2

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China) (2 Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic System Technology and Applications,Beijing 100094,China)

A concept of distributed on-board computer system based on on-line bootloader is proposed in this paper by thoroughly studying master-slave distributed architecture which has been widely utilized in satellites.In this architecture,the program memory of the slave node computer is only used as bootloader.The host node computer loads the application software stored in the memory through bus network after the slave node computer is turned on or reset.The method introduced in this paper has extensive application potentials for space missions because it can effectively reduce the demand for the program memory,simplify the design of the slave node compu-ter,and optimize the development process.

bootloader；on-line load；master-slave distributed；on-board computer system

2015-08-05；

2015-08-18

侯亮，男，工程師，研究方向為星載計算機(jī)設(shè)計。Email：13811714268@163.com。

V446

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.014