史毅龍 ， 薛長斌

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190；2.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190）

在航天領(lǐng)域，由于軟件設(shè)計的復(fù)雜程序越來越高，盡管軟件在研制過程中已發(fā)現(xiàn)和解決了大量軟件問題，但難免在軌飛行時仍發(fā)現(xiàn)少量軟件存在缺陷；同時某些需要載荷根據(jù)在軌飛行應(yīng)用情況調(diào)整某些算法。基于以上等方面原因越來越需要軟件具有在軌更新能力[1]。一方面可保證航天應(yīng)用的可靠運(yùn)行，另一方面可提高軟件維修性。同時由于嵌入式操作系統(tǒng)為了符合航天領(lǐng)域的應(yīng)用需要進(jìn)行剪裁，本文所采用的基于“龍芯”計算機(jī)平臺的vxWorks操作系統(tǒng)為適應(yīng)航天領(lǐng)域的需求剪裁掉了文件系統(tǒng)，所以無法使用動態(tài)加載模塊的方式實(shí)現(xiàn)函數(shù)的在軌更新，需要使用新的方法來實(shí)現(xiàn)在軌編程。同時更新函數(shù)中如果有函數(shù)調(diào)用則其調(diào)用的函數(shù)和全局變量的鏈接地址可能會發(fā)生變化，需要對函數(shù)和全局變量的調(diào)用指令做出修改。

結(jié)合這些背景，本文提出了針對“龍芯”體系結(jié)構(gòu)的函數(shù)在軌更新方案以及設(shè)計了可調(diào)整調(diào)用指令的更新代碼提取工具，以滿足軟件具有在軌更新能力的航天任務(wù)要求。

1 函數(shù)在軌更新方案簡介

文中基于“龍芯”平臺的VxWorks操作系統(tǒng)由于要符合航天系統(tǒng)操作系統(tǒng)盡量小的要求，剪裁掉了文件系統(tǒng)，所以不能直接使用動態(tài)加載模塊的方式實(shí)現(xiàn)函數(shù)在軌更新，本文的在軌更新基于RAM進(jìn)行，系統(tǒng)軟件在RAM中保留了一片區(qū)域，專用來保存在軌更新注入的函數(shù)代碼。龍芯計算機(jī)平臺下使用“JAL指令+函數(shù)名”的方式完成函數(shù)調(diào)用，在鏈接時，函數(shù)名會被鏈接器替換為函數(shù)的地址。JAL指令在執(zhí)行時，會將自身地址寫入到寄存器ra中。通常JAL指令之后會跟延遲槽，因此返回地址為原函數(shù)調(diào)用指令地址+8[2]。

若將待更新函數(shù)的前幾條指令進(jìn)行替換，修改為“JAL指令+新函數(shù)的地址”，這樣調(diào)用該函數(shù)后，替換的JAL指令會調(diào)用新的函數(shù)。從新函數(shù)返回后，將回到原函數(shù)的代碼繼續(xù)執(zhí)行。因此需要將原函數(shù)第三條指令修改為返回指令，返回到原函數(shù)的調(diào)用處。

由于JAL指令調(diào)用新函數(shù)時，會當(dāng)前地址寫入寄存器ra中，故會將原函數(shù)的返回地址（之前寄存器ra中的內(nèi)容）覆蓋掉，因此在JAL指令之前，須將寄存器ra中的內(nèi)容保存到堆棧中。在從新函數(shù)返回后，接著將堆棧中的原函數(shù)返回地址寫回到ra中，并通過返回指令回到原函數(shù)調(diào)用指令地址+8處，即回到原函數(shù)調(diào)用處的下一指令。

2 方案設(shè)計及內(nèi)存分配

2.1 函數(shù)替換模塊設(shè)計

本設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，原調(diào)用方式為通過JAL指令直接跳轉(zhuǎn)到被調(diào)函數(shù)然后通過jr ra返回，替換后的函數(shù)調(diào)用方式為將通過將原函數(shù)的前8條指令進(jìn)行修改，替換為以下形式的指令

addiu$sp，$sp，-4

sw$ra，0（$sp）

jal......

nop

lw$ra 0（$sp）

jr$ra

nop

addiu$sp，$sp，4

從而實(shí)現(xiàn)對新函數(shù)的調(diào)用，圖1中給出了在軌替換前后的函數(shù)調(diào)用示例，可發(fā)現(xiàn)函數(shù)替換對其被調(diào)用者而言是不可見的，對其被調(diào)用者無任何影響。

圖1 在軌替換前后函數(shù)調(diào)用示例Fig.1 On-orbit replacement sample before and after the function call

2.2 在軌更新內(nèi)存分配

為了保存在軌更新的函數(shù)代碼，系統(tǒng)軟件在RAM中預(yù)留了一片空間，專用來存儲函數(shù)更新代碼，并建立函數(shù)更新表對其進(jìn)行管理，記錄原函數(shù)地址、更新代碼的存儲地址、更新函數(shù)的長度等信息[3]。

目前系統(tǒng)軟件啟動完成后的內(nèi)存分配見圖2，其中USER_RESERVED區(qū)域為用戶保留區(qū)，不會被系統(tǒng)軟件所使用。該區(qū)域的大小在BSP的config.h文件中定義。

對BSP中RAM初始化的代碼（對于基于ROM的和引導(dǎo)ROM的vxworks映像在rom Init.s中）進(jìn)行修改，使初始化時不對USER_RESERVED區(qū)域清零。在系統(tǒng)首次加電時由應(yīng)用程序?qū)υ搮^(qū)域清零，而在系統(tǒng)復(fù)位時則不做清零處理。這樣修改是為了在系統(tǒng)復(fù)位后，USER_RESERVED區(qū)域中保存的內(nèi)容不被清除掉。如果每次復(fù)位后該區(qū)域的內(nèi)容均被擦除，其中保存的在軌更新代碼必須重新注入，在進(jìn)行了函數(shù)在軌更新后，須時刻關(guān)注系統(tǒng)狀態(tài)，在復(fù)位發(fā)生后立即重新注入。這樣會對數(shù)據(jù)注入鏈路造成較大的壓力。

2.3 更新區(qū)域的布局

圖2 系統(tǒng)軟件啟動完成后的內(nèi)存分配圖Fig.2 Memory allocation system diagram

2.2中提到在RAM中預(yù)留了用戶保留區(qū)域USERRESE RVED區(qū)域來建立函數(shù)更新表對函數(shù)更新進(jìn)行管理，該區(qū)域內(nèi)將記錄原函數(shù)地址、更新代碼的存儲地址、更新函數(shù)的長度等信息。在更新代碼注入完成且校驗正確后，需檢查是否有空間來存儲更新代碼，如果有則在函數(shù)更新表中增加一項，并確定更新代碼在更新專用區(qū)域中的存放地址，然后將注入的代碼從緩沖區(qū)拷貝到該地址。

為了保證可靠性，函數(shù)更新表及更新代碼存儲區(qū)域均采用三模處理。函數(shù)更新表在內(nèi)部三模。更新代碼存儲區(qū)域則是將同一更新代碼存儲在3個區(qū)域，在執(zhí)行更新替換前進(jìn)行比對，防止錯誤。在軌更新區(qū)域內(nèi)存布局如圖3，ONLINE_UPDATE_BEGIN定義了在軌更新區(qū)域首地址ONLINE_UPDATE_LEN定義了區(qū)域長度，ONLINE_UPDATE_END則定義了區(qū)域末地址，這些常量均需要在在軌更新頭文件（本文定義在onlineUpdate.h）中定義。

圖3 函數(shù)更新表Fig.3 Function update figure

3 在軌更新接口函數(shù)

為了便于應(yīng)用程序使用在軌更新功能，制定并實(shí)現(xiàn)了在軌更新功能接口，分別實(shí)現(xiàn)在軌更新區(qū)域初始化，獲取下一個在軌更新的函數(shù)第一條指令的存儲地址，設(shè)置函數(shù)在軌更新，以及啟用和禁用函數(shù)更新功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試代碼提取工具及調(diào)試結(jié)果

4.1 代碼提取工具

若待更新的函數(shù)中調(diào)用了其它函數(shù)，或是使用了全局變量，由于重新編譯鏈接后，函數(shù)和全局變量的鏈接地址均可能發(fā)生變化，從而導(dǎo)致更新的函數(shù)中引用的地址與當(dāng)前星載計算機(jī)上正在運(yùn)行的軟件中地址不一致[4]。在龍芯計算體系結(jié)構(gòu)下，并不需要對全局變量進(jìn)行處理，只需對函數(shù)調(diào)用指令進(jìn)行處理。本文設(shè)計的代碼提取工具完成更新代碼的提取，并將更新代碼中的函數(shù)調(diào)用指令進(jìn)行調(diào)整。

1）全局變量地址變化的處理方式

Gcc-wrs-mips交叉編譯器生成的數(shù)據(jù)段地址4 k字節(jié)對齊。更新后的函數(shù)體積若相對于原函數(shù)增加過大，則會造成數(shù)據(jù)段鏈接地址改變[5]。由于龍芯體系結(jié)構(gòu)（基于mips體系結(jié)構(gòu)）中存在著全局指針寄存器即gp寄存器，使用該指針能方便的存取static和extern數(shù)據(jù)，編譯器會將全局變量存放在gp中的全局指針指向的32 kB的地址范圍內(nèi)，這樣鏈接地址的改變并不影響全局變量在gp中的指針指向的范圍的存放地址，因此調(diào)用時并不需要對鏈接地址改變了的全局變量進(jìn)行修改，圖4，圖5為測試結(jié)果，圖4為全局變量gData1的鏈接地址，圖5為gData1鏈接地址變化前后編譯器通過gp寄存器調(diào)用gData1的指令對比。

圖4 函數(shù)更新后全局變量鏈接地址變化Fig.4 Global variable link address of updated function

圖5 全局變量鏈接地址發(fā)生變化前后gp指令對比Fig.5 Comparison of gp instructions before and after link address change

在軌運(yùn)行的軟件中，gData1的地址分別為0x801ed874，而在本地編譯生成的更新函數(shù)代碼中，gData1的地址為0x801ed864。而此時使用gp寄存器調(diào)用gData1的指令并未發(fā)生變化，由此可見，通過利用gp寄存器，并不需要對改變了鏈接地址的全局變量改變做出修改。

2）函數(shù)鏈接地址的變化

在修改函數(shù)代碼重新編譯后，被修改函數(shù)之后的所有函數(shù)鏈接地址均會發(fā)生變化，由于修改了函數(shù)add，導(dǎo)致函數(shù)add和add之后的函數(shù)鏈接地址都發(fā)生了變化。add中調(diào)用了retOne函數(shù)，由于龍芯的函數(shù)調(diào)用指令JAL指令是由指令操作符和目標(biāo)函數(shù)所在地址的低28位右移2位形成的指令偏移值一起構(gòu)成，如圖6所示，因此需對JAL指令的調(diào)整。

圖6 jal指令構(gòu)成Fig.6 Jal instruct

通過對更新代碼中的JAL指令進(jìn)行解析，通過指令編碼中的偏移地址與指令地址高4位計算出JAL調(diào)用的函數(shù)地址。查找新的MAP文件，得到調(diào)用的函數(shù)名。然后利用函數(shù)名查找舊的MAP文件，獲取星載計算機(jī)中該函數(shù)的鏈接地址[6]。然后對調(diào)用函數(shù)的鏈接地址對JAL指令進(jìn)行調(diào)整，即完成了JAL指令的調(diào)整工作。

4.2 代碼提取工具執(zhí)行結(jié)果

代碼執(zhí)行結(jié)果如圖7所示。

圖7 代碼提取工具與原碼對比Fig.7 Comparison between code from onlineUpdate tool and the old one

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于龍芯計算機(jī)平臺的vxWorks函數(shù)在軌更新研究可行，設(shè)計的代碼提取工具能完成任務(wù)需求。測試結(jié)果顯示軟件能達(dá)到了設(shè)計目的，在航天工程領(lǐng)域具備較好的工程利用價值。

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[2]張然峰，郝賢鵬，金龍旭，等.空間相機(jī)軟件在軌重注方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].光機(jī)電信息，2011，28（6）:30-34.ZHANG Ran-feng，HE Xian-peng，JIN Long-xu，et al.Onorbit space camera software research and implementation of heavy injection method[J].OME Information，2011，28 （6）:30-34.

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[4]高進(jìn).衛(wèi)星在軌編程技術(shù)研究[C].中國宇航學(xué)會計算機(jī)應(yīng)用專業(yè)委員會學(xué)術(shù)交流會論文集，2004.

[5]朱虹，王海燕.一種星載軟件在軌編程功能的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].上海航天，2004（1）:26-31.ZHU Hong，WANG Hai-yan.An orbit space-borne software programming function design and implementation of the technology[J]Aerospace Shanghai，2004（1）:26-31.

[6]胡奇明.VxWorks操作系統(tǒng)的重新編譯和優(yōu)化研究與實(shí)現(xiàn)[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.