可重構(gòu)在軌計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭璧青 袁杰沈 霽施雯 于大海

摘要：可重構(gòu)在軌計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，借鑒歐空局和谷歌安卓的運(yùn)營(yíng)思路，對(duì)操作系統(tǒng)高級(jí)特性的應(yīng)用可行性進(jìn)行技術(shù)論證，選用高可靠實(shí)時(shí)性VxWorks操作系統(tǒng)，通過軟件的開放式架構(gòu)設(shè)計(jì)，減少軟件的復(fù)雜度和各功能耦合度，有效的保障軟件任務(wù)過程中的低成本快速在軌維護(hù)。

關(guān)鍵詞：可重構(gòu);VxWorks操作系統(tǒng);在軌維護(hù)

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0127-01

0 引言

隨著中國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星、貨船、空間站對(duì)小型化飛行器的需求量大大提高，小型飛行器平臺(tái)主要特點(diǎn)是“省、好、快” 平臺(tái)電系統(tǒng)應(yīng)滿足應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組成精簡(jiǎn)、系統(tǒng)構(gòu)建快速、系統(tǒng)功能強(qiáng)大以及系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)的應(yīng)用特點(diǎn)。可重構(gòu)在軌計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用VxWorks操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)內(nèi)核的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了符合空間科學(xué)型號(hào)實(shí)際需求的可通用軟件系統(tǒng)框架，將飛行軟件劃分為任務(wù)層、服務(wù)組件層和資源訪問層三個(gè)層次。實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用軟件、控制面與設(shè)備面、應(yīng)用軟件與應(yīng)用軟件之間多個(gè)層次和緯度的解耦，通過最小安全模式軟件中串口加載功能可以將星載應(yīng)用軟件以APP的形式進(jìn)行安裝與卸載，有效的保障軟件研制過程中的低成本快速維護(hù)。

1 操作系統(tǒng)選型

在空間科學(xué)領(lǐng)域的系統(tǒng)中，軟件任務(wù)日趨復(fù)雜、關(guān)鍵任務(wù)實(shí)時(shí)性要求更加苛刻，傳統(tǒng)的前后臺(tái)方式以無法承載當(dāng)下以及未來的發(fā)展需求，迫切需要引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本文基于VxWorks操作系統(tǒng)選用了一種創(chuàng)新型的在軌可重構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

VxWorks具體優(yōu)勢(shì)如下：（1）VxWorks操作系統(tǒng)獲得了IEC 61508 SIL3系統(tǒng)安全等級(jí)認(rèn)證、DO178B適航標(biāo)準(zhǔn)等多項(xiàng)認(rèn)證，在航天各個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，可靠性安全性非常高;（2）VxWorks操作系統(tǒng)采用的是人物控制優(yōu)先級(jí)搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度機(jī)制，它的高性能的實(shí)時(shí)微內(nèi)核Wind，支持多任務(wù)調(diào)度，任務(wù)間通信，上下文切換和系統(tǒng)調(diào)用均可以在微秒級(jí)內(nèi)完成[1];（3）支持高度的系統(tǒng)可裁剪性，可根據(jù)具體的應(yīng)用定制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)對(duì)資源的需求最小，利用率高;（4）支持包括x86系列，POWERPC系列，SPARC系列，ARM系列，MIPS系列等幾乎所有流行的CPU，可適用于不同的平臺(tái)，移植性繼承性高。

2 系統(tǒng)重構(gòu)設(shè)計(jì)

改變針對(duì)特定任務(wù)重新編寫特定業(yè)務(wù)流程代碼的方式，中心計(jì)算機(jī)軟件將飛行軟件劃分為任務(wù)層、服務(wù)組件層和資源訪問層三個(gè)層次。實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核與應(yīng)用軟件、控制面與設(shè)備面、應(yīng)用軟件與應(yīng)用軟件之間多個(gè)層次和緯度的解耦，減小各功能模塊軟件在軌維護(hù)的代價(jià)，從而建立軟件在軌重構(gòu)能力的基礎(chǔ)[2]，具體框架如圖1所示。

基于VxWorks內(nèi)核模塊可重構(gòu)在軌計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要運(yùn)用了DKM工程模塊結(jié)合文件系統(tǒng)以及RTP實(shí)時(shí)進(jìn)程工程模塊結(jié)合文件系統(tǒng)兩種方式。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中同時(shí)兼顧了DKM工程與RTP工程，對(duì)兩種工程調(diào)試均進(jìn)行了驗(yàn)證。

3 可重構(gòu)方案驗(yàn)證

方案設(shè)計(jì)在硬件平臺(tái)上驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基于VxWorks操作系統(tǒng)可加載內(nèi)核模塊的特性，使得每一個(gè)APP都是一個(gè)可動(dòng)態(tài)加載的程序，由監(jiān)控軟件在最小模式下，將注入的新的APP模塊，經(jīng)校驗(yàn)固化入FLASH中，由VxWorks操作系統(tǒng)在軌重構(gòu)模塊將新的APP模塊加載到文件系統(tǒng)模塊中，其中VxWorks文件系統(tǒng)首次運(yùn)用了DosFS（適用于塊存取設(shè)備的文件系統(tǒng)）結(jié)合RAM-DISK（虛擬內(nèi)存盤）的技術(shù)，采用APP模塊替換，基于VxWorks操作系統(tǒng)可加載內(nèi)核模塊的特性，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的在軌重構(gòu)以及應(yīng)用的加載。

具體的設(shè)計(jì)方案圖如圖2所示，驗(yàn)證流程圖如圖3所示。

4 結(jié)語

本文主要闡述了一種可重構(gòu)的在軌計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用VxWorks高實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，驗(yàn)證了小型飛行器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在軌重構(gòu)的可行性和有效性。通過在軌維護(hù)軟件技術(shù)體系的構(gòu)建，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具備在軌通過星地通信可更改、可升級(jí)的能力。部署于計(jì)算機(jī)的軟件具備了通過程序加載遙控塊實(shí)現(xiàn)修正或替換某個(gè)被確認(rèn)需要更新或有故障的軟件模塊，以滿足新的應(yīng)用需求，降低了維護(hù)的成倍，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，為未來智能化小型化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙建坤，張大松，胡愛蘭，李建宏.基于VxWorks的星務(wù)管理系統(tǒng)軟件多任務(wù)實(shí)時(shí)性調(diào)度設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（12）：116-119.

[2] 王戰(zhàn)強(qiáng)，翟盛華.星載處理設(shè)備軟件在軌重構(gòu)技術(shù)研究[J].空間電子技術(shù)，2013，10（01）：7-13+43.