一種衛(wèi)星綜合電子應用軟件遙控解耦設計方法

李光旭， 萬麗景， 鐘睿明， 王 裙， 周中澤， 陳志華

北京控制工程研究所, 北京 100094

0 引 言

隨著對衛(wèi)星集成度、成本、體積、功耗、研制周期的要求越來越高，衛(wèi)星計算機的集成度、計算能力都大幅提高，原來采用數(shù)管計算機完成星務管理功能，采用姿軌控計算機完成姿軌控功能的模式，逐步被一臺衛(wèi)星綜合電子計算機完成星務管理功能和姿軌控功能的模式所取代，從而滿足衛(wèi)星對成本、體積、功耗和研制成本的要求[1-4].

衛(wèi)星綜合電子計算機要實現(xiàn)總線管理、熱控、能源、遙控、遙測、FDIR、GNC、軌道等功能，衛(wèi)星綜合電子計算機應用軟件的規(guī)模和復雜度較以往大大提高，軟件架構設計的功能解耦、可擴展性、可維護性變得尤為重要[5-7].

本文對衛(wèi)星綜合電子計算機應用軟件必備的遙控功能，運用HASH表和鏈表技術使軟件遙控機制與子系統(tǒng)之間解耦，同時提高了軟件遙控的時間性能和時間均勻性，提高了軟件的可擴展性和可維護性[8-16].

1 遙控軟件的主要功能及遇到的問題

衛(wèi)星綜合電子應用軟件的遙控功能，即接收遙控指令，修改或者注入星上的變量或者任務場景的值，完成預期任務.遙控功能的主要過程：

1)接收測控系統(tǒng)的遙控指令；

2)按照遙控協(xié)議(如CCSDS)進行協(xié)議解包(遙控機制功能)；

3)根據(jù)協(xié)議的內(nèi)容修改相應的變量或者任務場景的值(指令執(zhí)行功能).

由于航天嵌入式軟件的高可靠性要求，需要對每條指令的指令命令字、長度及指令的具體內(nèi)容進行驗證.一般的設計方法，在遙控機制中定義一個含有全部指令命令字(KEY)、長度及掛接函數(shù)的遙控指令參數(shù)表，遙控參數(shù)表的命令字(KEY)按照從小到大的順序排列，在遙控機制部分通過對遙控指令參數(shù)表的命令字(KEY)進行折半查找的方法，找到命令字(KEY)的位置，對遙控指令的命令字和長度進行匹配驗證，通過掛接的指令執(zhí)行函數(shù)進行指令內(nèi)容的驗證和執(zhí)行，對指令具體內(nèi)容進行驗證和執(zhí)行的子函數(shù)放在子系統(tǒng)的軟件遙控功能中.

這種設計方法將具體指令的驗證和執(zhí)行函數(shù)放到各個子系統(tǒng)軟件功能中，減少了子系統(tǒng)遙控功能和遙控機制功能的變量耦合，但遙控機制功能中需要知道所有指令命令字、長度和執(zhí)行函數(shù)的地址(遙控指令裝訂參數(shù)表)，通過裝訂參數(shù)表的方式造成了遙控機制功能和子系統(tǒng)的指令執(zhí)行功能沒有完全隔離.

遙控機制功能中查找命令字(KEY)的折半查找法，指令的最大查找速度依賴于所有命令字(KEY)的個數(shù)，并且要求指令必須按照從小到大的順利排列.這種實現(xiàn)方法要求程序設計人員對程序的實現(xiàn)原理必須清楚，否則，如指令參數(shù)表初始化不完全，命令字插入的位置錯誤，都會造成遙控錯誤.在實際的過程中，多次出現(xiàn)過指令的命令字排序錯誤造成指令驗證不通過的情況.

綜上所述，現(xiàn)在的設計方法存在如下問題：

1)在遙控機制中定義的遙控指令參數(shù)表，破壞了遙控機制與子系統(tǒng)之間的獨立性，遙控機制觸及了子系統(tǒng)的具體內(nèi)容；

2)遙控指令參數(shù)表的折半查找方法查詢效率低，查找次數(shù)離散度大，且容易維護出錯；

3)擴展性、維護性差，如果在軌注入一個新的功能有新的遙控需求，必須對原來的程序和指令參數(shù)表進行修改，更改影響域難以分析.

2 解決方法

1)HASH表

HASH是基于快速存取的角度設計的，也是一種典型的“空間換時間”的做法.HASH根據(jù)關鍵碼值(key value)而直接進行訪問的數(shù)據(jù)結構，它通過把關鍵碼值映射到表中一個位置來訪問記錄，以加快查找的速度.這個映射函數(shù)叫做散列函數(shù)，存放記錄的數(shù)組叫做HASH.散列函數(shù)能使對一個數(shù)據(jù)序列的訪問過程更加迅速有效，通過散列函數(shù)，數(shù)據(jù)元素將被更快地定位.

2)雙向鏈表

雙向鏈表也叫雙鏈表，是鏈表的一種，它的每個數(shù)據(jù)結點中都有兩個指針，分別指向直接后繼和直接前驅.所以，從雙向鏈表中的任意一個結點開始，都可以很方便地訪問它的前驅結點和后繼結點.

衛(wèi)星綜合電子應用軟件遙控指令的HASH函數(shù)構造采用簡單實用的除留余數(shù)法，遙控指令的KEY值對數(shù)N求模，得到HASH表的下標位置.這樣會出現(xiàn)一個問題，不同的遙控KEY值通過求模后可能對用同一個 HASH表的下標位置，這就是HASH沖突，在本文中通過鏈地址法來解決HASH沖突的問題.HASH數(shù)組的每一個元素不僅是一個進入對象，還是一個鏈表的頭節(jié)點，每一個Entry對象通過next指針指向他的下一個Entry節(jié)點，當新來的Entry映射到與之沖突的數(shù)組位置時，只需要插入到對應的鏈表中即可[1]，HASH-鏈表的原理示意圖見圖1所示.

總結上面描述的HASH-鏈表形成過程如下：1)定義一個鏈表頭結點的HASH表；2)遙控指令的KEY通過求模函數(shù)對N求余，得到HASH表的下標位置，并以鏈表節(jié)點的形式插入到對應HASH表下標位置的雙向鏈表中；3)如果有不同的遙控指令的KEY值HASH化后對應相同的HASH表下標位置，則依次插入到相應的雙向鏈表中.這樣具有相同下標位置的遙控指令就形成了一個雙向鏈表.

通過遙控指令的KEY值找到HASH表的下標位置，通過對HASH表下標位置對應的雙向鏈表進行查找，就能得到遙控指令驗證、執(zhí)行所有的信息.

3 具體實例

(1)公共接口定義

/* 宏定義 */

typedef struct list_head HashTable;

#define hash_init(node)

#define hash_insert(table， cell)

#define hash_find(pos， table， userkey， type_of)

/* 鏈表頭定義 */

struct list_head

{

struct list_head *next， *prev;

};

/* 遙控指令hash節(jié)點數(shù)據(jù)結構 */

typedef struct TAG_COMMMAND_LIST

{

unint32 key; /* 為指令id */

unint32 len; /* 指令長度 */

unint32 pfHandle; /* 指令處理函數(shù) */

/* 哈希鏈區(qū) */

struct list_head list; /* 鏈表數(shù)據(jù)結構 */

} SCommandList;

/* HASH表定義 */

HashTable cmdHashTable[203];

(2)子系統(tǒng)具體示例

下面以熱控為例說明在子系統(tǒng)的具體應用方法，能源、總線、FDIR、GNC等分系統(tǒng)的使用方法與此相同.

1)熱控指令聲明

熱控指令的聲明如圖2所示.

圖2 熱控指令定義示例

2)熱控指令插入HASH表中

調用hash_insert將mCommandListHeat[10]，依次插入到cmdHashTable中.

通過公共接口定義，各個子系進行具體指令的定義，并插入到HASH表中，遙控指令的具體處理都封鎖在各個子系統(tǒng)內(nèi)，上層通過統(tǒng)一的接口hash_find訪問子系統(tǒng)的具體內(nèi)容.

(3)效果分析

1)解耦性

通過上述的方法，遙控機制里提供了統(tǒng)一的遙控接口定義和插入方法，各個子系統(tǒng)各自定義自己的命令字和命令解析函數(shù)，遙控機制通過統(tǒng)一的接口函數(shù)訪問各個子系統(tǒng)定義的命令字和命令解析函數(shù)，遙控機制功能和子系統(tǒng)的遙控功能完全隔離.

如果衛(wèi)星在軌增加一個新的子系統(tǒng)，可以按照(2)的過程進行定義和注冊，能做到不改動原來程序的情況下，增加新的子系統(tǒng)遙控功能，軟件的影響域小，軟件的可擴展性和可維護性大大提高.

2)查找性能結果比對

圖3對比了在指令關鍵字都是200個的情況下折半查找和HASH鏈表查找指令的次數(shù)比對，由圖3可以看出折半查找的均值在7次左右，分布于1-8之間，HASH鏈表查找的大部分1次就能找到具體指令，少數(shù)會出現(xiàn)2、3次找到指令的情況，HASH鏈表查找的性能比折半查找的效果要好，HASH鏈表查找的均勻性比折半查找的效果要好，指令的個數(shù)越多這種效果越明顯.

圖3 折半查找和HASH鏈表查找次數(shù)比對圖

4 結 論

衛(wèi)星綜合電子應用軟件實現(xiàn)了星務和GNC控制的功能，從整體上縮短了研制周期和節(jié)約了開發(fā)費用，但也帶來了軟件規(guī)模和復雜度的提高，怎樣從架構上減少軟件之間的耦合，并提高軟件的可擴展和可維護性變得尤為重要.本文針對衛(wèi)星綜合電子應用軟件的遙控功能，提出用HASH表和鏈表的方法解決了軟件功能耦合問題，提高了軟件的可擴展和在軌維護，此方法還可以應用到其他類似的應用場景如遙測等.