可重構在軌計算機系統設計

鄭璧青 袁杰沈 霽施雯 于大海

摘要：可重構在軌計算機系統，借鑒歐空局和谷歌安卓的運營思路，對操作系統高級特性的應用可行性進行技術論證，選用高可靠實時性VxWorks操作系統，通過軟件的開放式架構設計，減少軟件的復雜度和各功能耦合度，有效的保障軟件任務過程中的低成本快速在軌維護。

關鍵詞：可重構;VxWorks操作系統;在軌維護

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0127-01

0 引言

隨著中國航天事業的發展，衛星、貨船、空間站對小型化飛行器的需求量大大提高，小型飛行器平臺主要特點是“省、好、快” 平臺電系統應滿足應用要求實現系統組成精簡、系統構建快速、系統功能強大以及系統擴展性強的應用特點。可重構在軌計算機系統運用VxWorks操作系統，在操作系統內核的基礎上設計了符合空間科學型號實際需求的可通用軟件系統框架，將飛行軟件劃分為任務層、服務組件層和資源訪問層三個層次。實現操作系統內核與應用軟件、控制面與設備面、應用軟件與應用軟件之間多個層次和緯度的解耦，通過最小安全模式軟件中串口加載功能可以將星載應用軟件以APP的形式進行安裝與卸載，有效的保障軟件研制過程中的低成本快速維護。

1 操作系統選型

在空間科學領域的系統中，軟件任務日趨復雜、關鍵任務實時性要求更加苛刻，傳統的前后臺方式以無法承載當下以及未來的發展需求，迫切需要引入實時操作系統。本文基于VxWorks操作系統選用了一種創新型的在軌可重構設計方案。

VxWorks具體優勢如下：（1）VxWorks操作系統獲得了IEC 61508 SIL3系統安全等級認證、DO178B適航標準等多項認證，在航天各個系統中應用廣泛，可靠性安全性非常高;（2）VxWorks操作系統采用的是人物控制優先級搶占和輪轉調度機制，它的高性能的實時微內核Wind，支持多任務調度，任務間通信，上下文切換和系統調用均可以在微秒級內完成[1];（3）支持高度的系統可裁剪性，可根據具體的應用定制系統，使得系統對資源的需求最小，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，移植性繼承性高。

2 系統重構設計

改變針對特定任務重新編寫特定業務流程代碼的方式，中心計算機軟件將飛行軟件劃分為任務層、服務組件層和資源訪問層三個層次。實現操作系統內核與應用軟件、控制面與設備面、應用軟件與應用軟件之間多個層次和緯度的解耦，減小各功能模塊軟件在軌維護的代價，從而建立軟件在軌重構能力的基礎[2]，具體框架如圖1所示。

基于VxWorks內核模塊可重構在軌計算機系統主要運用了DKM工程模塊結合文件系統以及RTP實時進程工程模塊結合文件系統兩種方式。

在實驗設計中同時兼顧了DKM工程與RTP工程，對兩種工程調試均進行了驗證。

3 可重構方案驗證

方案設計在硬件平臺上驗證實驗，計算機系統基于VxWorks操作系統可加載內核模塊的特性，使得每一個APP都是一個可動態加載的程序，由監控軟件在最小模式下，將注入的新的APP模塊，經校驗固化入FLASH中，由VxWorks操作系統在軌重構模塊將新的APP模塊加載到文件系統模塊中，其中VxWorks文件系統首次運用了DosFS（適用于塊存取設備的文件系統）結合RAM-DISK（虛擬內存盤）的技術，采用APP模塊替換，基于VxWorks操作系統可加載內核模塊的特性，實現應用程序的在軌重構以及應用的加載。

具體的設計方案圖如圖2所示，驗證流程圖如圖3所示。

4 結語

本文主要闡述了一種可重構的在軌計算機系統設計方法，采用VxWorks高實時性操作系統，驗證了小型飛行器計算機系統在軌重構的可行性和有效性。通過在軌維護軟件技術體系的構建，使得計算機系統具備在軌通過星地通信可更改、可升級的能力。部署于計算機的軟件具備了通過程序加載遙控塊實現修正或替換某個被確認需要更新或有故障的軟件模塊，以滿足新的應用需求，降低了維護的成倍，擴大了應用范圍，為未來智能化小型化計算機系統奠定了基礎。

參考文獻

[1] 趙建坤，張大松，胡愛蘭，李建宏.基于VxWorks的星務管理系統軟件多任務實時性調度設計[J].電子技術應用，2017，43（12）：116-119.

[2] 王戰強，翟盛華.星載處理設備軟件在軌重構技術研究[J].空間電子技術，2013，10（01）：7-13+43.