基于VxWorks的星載控制計算機(jī)動態(tài)可重構(gòu)研究

石 煒 ， 鄧 偉

（1.通信信息控制和安全技術(shù)重點實驗室 浙江 嘉興 314033；2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033）

軟件無線電[1]這個概念已經(jīng)提出快二十年，不僅僅在通訊領(lǐng)域也在雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、廣播電視、測控等相關(guān)領(lǐng)域得到長足發(fā)展。軟件無線電的基本思想是以開放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡的硬件為通用平臺，把盡可能多的無線電功能用重構(gòu)、可升級的構(gòu)件化軟件實現(xiàn)，隨著天線智能化、前端寬開化、中頻寬帶化、硬件通用化、功能軟件化和軟件構(gòu)件化的發(fā)展，已經(jīng)能夠滿足未來天基信息系統(tǒng)衛(wèi)星功能可重構(gòu)設(shè)計的需求。

未來天基信息系統(tǒng)衛(wèi)星載荷主要包括智能寬帶天線、通用平臺、星載控制計算機(jī)幾部分，其中星載控制計算機(jī)根據(jù)地面控制設(shè)備的需求主要完成對系統(tǒng)中通用平臺等資源的控制、管理、確定各種功能的參數(shù)配置、重構(gòu)和對通用平臺的輸出數(shù)據(jù)的綜合處理，是整個天基信息系統(tǒng)衛(wèi)星載荷中的重要組成部分。為了滿足未來天基信息系統(tǒng)的“軟件無線電”概念設(shè)計，達(dá)到系統(tǒng)的可重構(gòu)要求，對星載控制計算機(jī)的設(shè)計也提出了可重構(gòu)要求。

1 星載控制計算機(jī)設(shè)計

1.1 VxWorks軟件平臺

星載控制計算機(jī)通常采用高可靠、高實時的嵌入式操作系統(tǒng)，而VxWorks是一個功能強(qiáng)大的高實時嵌入式操作系統(tǒng)，為星載控制計算機(jī)的設(shè)計實現(xiàn)提供了一個完美的軟件平臺。VxWorks的動態(tài)加載器為用戶設(shè)計高可靠、可重構(gòu)的星載控制計算機(jī)軟件提供了有力的技術(shù)手段。

1.2 星載控制計算機(jī)軟件組成

為滿足高可靠、可重構(gòu)的星載控制計算機(jī)的設(shè)計需求，星載控制計算機(jī)的設(shè)計采用分層式模塊化設(shè)計，如圖1所示。

底層硬件、VxWorks操作系統(tǒng)：為星載控制計算機(jī)的軟件運行提供一個高可靠、高性能、低功耗、小體積、強(qiáng)實時的軟硬件支持平臺。

擴(kuò)展模塊動態(tài)加載管理：負(fù)責(zé)星載控制計算機(jī)上層應(yīng)用軟件模塊和與星載控制計算機(jī)相連的其他星載載荷的可重構(gòu)模塊的加載、卸載、管理工作。其設(shè)計基于VxWorks的動態(tài)加載組件，但消除了VxWorks動態(tài)加載組件允許可重名加載、允許加載含有未定義符號的模塊、不考慮依賴關(guān)系的模塊卸載這3方面不足。

圖1 星載控制計算機(jī)軟件架構(gòu)Fig.1 On-board computer’s software architecture

上層應(yīng)用軟件：上層應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)提供星載計算機(jī)受地面控制的能力、各類功能的實現(xiàn)和調(diào)度以及參數(shù)可配置、功能結(jié)果數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的上報等。為滿足高靈活、可重構(gòu)的設(shè)計采用優(yōu)化模塊化設(shè)計方法注重各模塊顆粒度選擇，在減少模塊之間的依賴層次的同時，最大化公用模塊的提取，增加各模塊的可移植性。

2 擴(kuò)展模塊動態(tài)加載管理的設(shè)計

擴(kuò)展模塊動態(tài)加載管理設(shè)計是星載控制計算機(jī)實現(xiàn)可重構(gòu)設(shè)計，完成功能定制、動態(tài)升級、故障恢復(fù)的技術(shù)手段。

2.1 VxWorks動態(tài)加載機(jī)制

擴(kuò)展模塊動態(tài)加載管理的設(shè)計是基于VxWorks動態(tài)加載組件，VxWorks支持多種模塊格式文件主要為ELF[3]。VxWorks動態(tài)加載組件已經(jīng)提供了一個基本的動態(tài)加載、卸載能力但是其存在允許可重名加載、允許加載含有未定義符號的模塊、不考慮依賴關(guān)系的模塊卸載、不具備模塊重載能力等不足。因此需要對其加載機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計一種擴(kuò)展模塊動態(tài)加載管理系統(tǒng)來完善動態(tài)加載機(jī)制，實現(xiàn)星載計算機(jī)的可重構(gòu)設(shè)計。

2.2 動態(tài)加載管理設(shè)計

動態(tài)加載管理采用分層式設(shè)計[2]由用戶接口層、管理層、執(zhí)行層3個層次組成如圖2所示。

圖2 動態(tài)加載管理Fig.2 Dynamic loading management

2.3 用戶接口層

用戶接口層為用戶提供了包括信息查詢、模塊操作（加載、卸載、重載、替換）、模塊的設(shè)置（自動加載屬性的設(shè)置）、用戶幫助之類的管理指令。其指令集合如表1所示。

表1 用戶接口層主要指令集合Tab.1 Main instructions of user interface

2.4 管理層

在管理層中主要負(fù)責(zé)模塊信息、模塊依賴信息、自動加載屬性的保存和維護(hù)，模塊加載等功能的策略執(zhí)行以及信息查詢能力。

2.4.1 模塊信息、模塊依賴關(guān)系管理

模塊信息主要由加載參數(shù)、MODULE_ID、依賴關(guān)系鏈表、被依賴關(guān)系鏈表組成如圖3所示。

圖3 模塊信息管理和依賴關(guān)系Fig.3 Module information management and Depended RelationShip

加載參數(shù)：包括模塊名、模塊文件、加載方式、模塊載荷ID等信息。

MODULE_ID：加載完成后的模塊信息內(nèi)容，其主要結(jié)構(gòu)定義如下：

模塊的依賴關(guān)系[4]：模塊之間的依賴關(guān)系分別通過依賴關(guān)系鏈表、被依賴關(guān)系鏈表來管理。完整的獲知各模塊的依賴信息，主要有2種方法：1）操作人員通過輸入提供。2）在動態(tài)加載的符號解析階段，自動提取出依賴信息。

2.4.2 各功能操作策略

為解決VxWorks動態(tài)加載組件的不足，對各功能操作策略進(jìn)行了改進(jìn)。

1）模塊加載

模塊加載如圖4所示，首先判斷是否在系統(tǒng)中已經(jīng)有與此模塊名稱重名的模塊，如果沒有重名的模塊則創(chuàng)建模塊信息，調(diào)用執(zhí)行層中的模塊加載函數(shù)完成模塊的加載。

圖4 模塊動態(tài)加載流程Fig.4 Module dynamic loading flow

2）模塊卸載

模塊卸載[5]如圖5所示。

圖5 模塊卸載流程Fig.5 Module dynamic unloading flow

3）模塊重載

模塊重載如圖6所示，它與模塊的加載存在著不同，首先要求被重載的模塊已加載到內(nèi)存當(dāng)中，在模塊重載的時候，需要指定模塊加載到的此模塊之前加載的內(nèi)存位置，不需要創(chuàng)建模塊信息和修改模塊依賴表和模塊被依賴表等信息。

圖6 模塊重載流程Fig.6 Module dynamic reloading flow

4）模塊替換

模塊的替換如圖7所示，它可以用于功能模塊的動態(tài)升級、故障修改、功能擴(kuò)展等情況。

圖7 模塊替換流程Fig.7 Module replacing flow

5）模塊自動加載

模塊自動加載用于系統(tǒng)在重新啟動復(fù)位后或系統(tǒng)新功能定制完成后，依據(jù)自動加載配置文件信息逐個加載功能模塊，完成系統(tǒng)的初始化和功能的定制。

2.5 執(zhí)行層

執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)動態(tài)加載的底層操作實現(xiàn)，比如：加載、卸載和重載，如圖8所示。本設(shè)計中主要從VxWorks的加載組件中進(jìn)行信息的獲取和操作，由于星載控制計算機(jī)是整個衛(wèi)星載荷加載重構(gòu)的管理者，在加載、卸載和重載中也加入了對衛(wèi)星中其他載荷的加載、卸載、重載控制。

圖8 模塊操作執(zhí)行流程Fig.8 Module executing flow

3 結(jié) 論

該設(shè)計達(dá)到了未來天基信息系統(tǒng)中衛(wèi)星載荷星載控制計算機(jī)的功能重構(gòu)、動態(tài)升級、故障恢復(fù)、資源管理的要求，使未來天基信息系統(tǒng)衛(wèi)星載荷能夠通過軟件的方式上載各功能模塊、新算法、新軟件實現(xiàn)衛(wèi)星載荷的工作達(dá)到不同時域、不同空域、不同功能需求的目的。

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