周鵬舉,倪 明,施華君,楊三嶺

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所,上海 201800)

自第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)入太空以來,航天技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民生活的方方面面.我國(guó)經(jīng)過40多年的艱苦努力,在航天方面取得了一系列重大成就.隨著計(jì)算機(jī)模塊運(yùn)算能力的提升和任務(wù)的增多,計(jì)算機(jī)模塊應(yīng)用程序呈現(xiàn)出多樣化和復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì).快速迭代的軟件需求,要求設(shè)計(jì)一種計(jì)算機(jī)模塊引導(dǎo)軟件(以下簡(jiǎn)稱引導(dǎo)軟件),使其能夠?qū)?yīng)用程序進(jìn)行重構(gòu)和引導(dǎo)等,并且為適應(yīng)復(fù)雜的空間環(huán)境,需要采用一定措施保證其高可靠性.

本文針對(duì)上述問題,設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于SPARC架構(gòu)的高可靠引導(dǎo)軟件.該引導(dǎo)軟件的主要功能如下:

1)自檢功能,確保引導(dǎo)軟件本身正確.

2)硬件檢測(cè)功能,確保硬件狀態(tài)正確.

3)三冗余架構(gòu)、反彈墻、EDAC保護(hù)等多種高可靠性措施,確保軟件的正確運(yùn)行.

4)重構(gòu)功能,便于不同應(yīng)用程序的在線固化,縮短研發(fā)周期.

5)多種引導(dǎo)方式,便于對(duì)應(yīng)用程序的調(diào)試.

1 硬件環(huán)境概述

1.1 計(jì)算機(jī)模塊與調(diào)試環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)所用的計(jì)算機(jī)模塊原理框圖如圖1所示,CPU使用基于SPARC架構(gòu)的AT697F,主要包含RAM、PROM、EEPROM三種存儲(chǔ)芯片,RAM是計(jì)算機(jī)模塊的內(nèi)存區(qū)域,引導(dǎo)軟件燒寫于PROM1(實(shí)驗(yàn)過程中由EEPROM代替)中,自動(dòng)引導(dǎo)的應(yīng)用程序(以下簡(jiǎn)稱應(yīng)用程序)燒寫于PROM2(實(shí)驗(yàn)過程中由EEPROM代替)中,可重構(gòu)的應(yīng)用程序(以下簡(jiǎn)稱重構(gòu)程序)固化于EEPROM中.

圖1 計(jì)算機(jī)模塊原理框圖

計(jì)算機(jī)模塊通過RS232與外界通信.計(jì)算機(jī)模塊與計(jì)算機(jī)的通信示意圖如圖2所示,計(jì)算機(jī)使用調(diào)試環(huán)境VDS通過仿真器LEON將引導(dǎo)軟件下載到計(jì)算機(jī)模塊中,計(jì)算機(jī)中的地面服務(wù)程序(界面見圖10)通過RS232串口與計(jì)算機(jī)模塊進(jìn)行通信.

圖2 計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)模塊通信圖

1.2 CPU簡(jiǎn)介

該實(shí)驗(yàn)采用的CPU是Atmel公司的AT697F.AT697F基于SPARC V8架構(gòu)設(shè)計(jì),采用RISC精簡(jiǎn)指令集,具有8個(gè)寄存器堆窗口、5級(jí)流水線,使用容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù),具有軟件可控的省電工作模式,是一種高性能低功耗的32位嵌入式處理器.

AT697F主頻最高可達(dá)100MHz,定點(diǎn)運(yùn)算性能86MIPS,浮點(diǎn)運(yùn)算性能23MFLOPS.正常工作溫度范圍廣,抗輻射能力強(qiáng).該CPU的各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間的各項(xiàng)性能要求.

1.3 計(jì)算機(jī)模塊存儲(chǔ)空間

AT697F具有32根地址總線,可尋址4 GB的地址空間.該計(jì)算機(jī)模塊采用統(tǒng)一編址方式,地址空間分配如表1所示.

表1 計(jì)算機(jī)模塊地址空間

2 引導(dǎo)軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 引導(dǎo)軟件的模塊劃分

本引導(dǎo)軟件的設(shè)計(jì)方案如圖3所示,主要分為6個(gè)模塊.

圖3 引導(dǎo)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)初始化模塊用于系統(tǒng)初始化和引導(dǎo)程序的搬移和跳轉(zhuǎn).系統(tǒng)初始化主要包括CPU、外圍器件,陷阱/中斷、堆棧等的初始化.引導(dǎo)程序的搬移和跳轉(zhuǎn)用于引導(dǎo)程序自身的轉(zhuǎn)移.

系統(tǒng)初始化完成后,引導(dǎo)軟件等待4 s,若4 s內(nèi)未收到地面接管指令則進(jìn)入飛行模式模塊,否則進(jìn)入測(cè)試模式模塊.飛行模式模塊是系統(tǒng)的自動(dòng)管理模塊,它根據(jù)引導(dǎo)標(biāo)志自動(dòng)完成應(yīng)用程序或重構(gòu)程序的引導(dǎo);測(cè)試模式模塊根據(jù)地面指令執(zhí)行相應(yīng)操作,如重構(gòu)程序上注、固化等,并最終引導(dǎo)一個(gè)應(yīng)用程序的啟動(dòng).

數(shù)據(jù)回送模塊用于引導(dǎo)程序運(yùn)行過程中狀態(tài)的回送,如重構(gòu)程序校驗(yàn)和的回送等.

錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)主要包括RAM正確性檢測(cè)、程序比特位正確性檢測(cè)、系統(tǒng)運(yùn)行正確性檢測(cè)和重構(gòu)程序三冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)等,若檢測(cè)到錯(cuò)誤,則嘗試進(jìn)行恢復(fù).

本文主要對(duì)系統(tǒng)初始化、飛行模式、測(cè)試模式和錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)4個(gè)模塊進(jìn)行論述.

2.2 引導(dǎo)軟件的目錄結(jié)構(gòu)

該引導(dǎo)軟件主要由trap.s、setup.s、xxmain.c等3個(gè)文件組成,trap.s主要用于設(shè)置陷阱表和中斷臨界區(qū),setup.s主要包含初始化和錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)兩個(gè)模塊,xxmain.c完成引導(dǎo)軟件的引導(dǎo)測(cè)試功能,即完成飛行模式、測(cè)試模式和程序啟動(dòng)三個(gè)模塊.

3 引導(dǎo)軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括硬件初始化和引導(dǎo)程序的搬移和跳轉(zhuǎn).

3.1.1 硬件初始化

AT697F共有8個(gè)全局通用寄存器和8個(gè)寄存器窗口,每個(gè)寄存器窗口對(duì)應(yīng)一組通用寄存器.初始化時(shí)對(duì)上述通用寄存器全部清0,對(duì)控制寄存器進(jìn)行配置,主要配置當(dāng)前寄存器窗口、無效窗口、cache、內(nèi)存等.

中斷是現(xiàn)代處理器的重要組成部分,本引導(dǎo)軟件在系統(tǒng)初始化時(shí)完成對(duì)中斷的配置.中斷服務(wù)函數(shù)在xxmain.c中完成,臨界區(qū)的進(jìn)入/退出和中斷向量表在trap.s中,中斷配置在setup.s中完成.

AT697F的中斷控制在多個(gè)寄存器中完成.主要是設(shè)置中斷屏蔽級(jí)別PSR.pil為0,設(shè)置異?；窐?biāo)志寄存器TBR為中斷向量表的入口地址,其它與中斷相關(guān)的寄存器如中斷級(jí)別/屏蔽寄存器等都設(shè)為0.當(dāng)程序跳轉(zhuǎn)至主函數(shù)前置PSR.ET為1,打開中斷.

因AT697F共有8個(gè)寄存器窗口,故需為每個(gè)窗口設(shè)置一個(gè)堆棧,該引導(dǎo)軟件的堆棧棧底位于SRAM的 0x400f0000 處,代碼為:

PROVIDE (__stack = 0x400f0000);

每個(gè)窗口對(duì)應(yīng)一段?？臻g,棧指針%sp向下增長(zhǎng).

3.1.2 引導(dǎo)程序的搬移和跳轉(zhuǎn)

引導(dǎo)程序固化于PROM中,運(yùn)行時(shí)將自身搬移到RAM中,自檢正確后跳轉(zhuǎn)至引導(dǎo)軟件的main主函數(shù).

3.2 錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)

因太空復(fù)雜的環(huán)境對(duì)程序的正確運(yùn)行構(gòu)成極大威脅,本引導(dǎo)軟件為保證程序的正確運(yùn)行采取如下高可靠性措施,在文件setup.s中主要完成RAM正確性檢測(cè),EDAC保護(hù),反彈墻保護(hù),看門狗保護(hù)等;在文件xxmain.c中主要完成三冗余架構(gòu)設(shè)計(jì).其中RAM正確性檢測(cè)屬于硬件正確性檢測(cè),EDAC保護(hù)屬于比特位正確性檢測(cè)與恢復(fù),反彈墻保護(hù)、看門狗保護(hù)屬于系統(tǒng)運(yùn)行正確性檢測(cè),三冗余架構(gòu)屬于錯(cuò)誤檢測(cè)與錯(cuò)誤恢復(fù),將在3.4.2節(jié)論述.

1)RAM錯(cuò)誤檢測(cè)

RAM的起始地址是0x40000000,錯(cuò)誤檢測(cè)的方法是在RAM的地址空間中,依次向每個(gè)字中寫入0x0并讀出,檢測(cè)讀出的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤,若出現(xiàn)錯(cuò)誤則將錯(cuò)誤計(jì)數(shù)加1.當(dāng)上述檢測(cè)完成后,分別將0x0替換為0x55555555、0xaaaaaaaa和0xffffffff重復(fù)上述檢測(cè).最后將錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值存入地址0x40000000處.當(dāng)引導(dǎo)軟件進(jìn)入main函數(shù)后將錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值返回給地面服務(wù)程序.檢測(cè)SRAM的代碼如圖4所示,進(jìn)入_checkram 前%g1～%g4為0,%g2進(jìn)行錯(cuò)誤計(jì)數(shù),%5為RAM的大小,%g6為RAM的起始地址.

2)引導(dǎo)軟件自檢

引導(dǎo)軟件無錯(cuò)誤是其正確執(zhí)行其它功能的前提,當(dāng)RAM自檢正確后,引導(dǎo)軟件將被轉(zhuǎn)移到起始地址為SADDR的RAM中,計(jì)算其校驗(yàn)和,若校驗(yàn)和正確則認(rèn)為引導(dǎo)軟件沒有錯(cuò)誤.

3)反彈墻保護(hù)

反彈墻的目的在于保證程序非法運(yùn)行時(shí),能夠跳轉(zhuǎn)到指定的異常處理函數(shù).本軟件添加反彈墻的方法是在未使用的區(qū)域填入“nop”和跳轉(zhuǎn)到0地址的指令,這些區(qū)域包括ROM、EEPROM、RAM中未使用的所有區(qū)域.若程序運(yùn)行中跳入非法地址,則軟件復(fù)位.

4)EDAC保護(hù)

EDAC(error detection and correction)采用海明碼,能夠糾正一位錯(cuò),檢測(cè)兩位及多位錯(cuò)誤,對(duì)于受保護(hù)的RAM區(qū)域,任何一條指令的讀取或數(shù)據(jù)的讀寫都將經(jīng)過EDAC檢測(cè),對(duì)于一位可糾正錯(cuò),錯(cuò)誤將在CPU內(nèi)部糾正,對(duì)于兩位不可糾正錯(cuò),將產(chǎn)生instruction_access_exception或data_access_exception陷阱.

本引導(dǎo)軟件主要對(duì)RAM進(jìn)行EDAC保護(hù).軟件初始化時(shí),開啟全RAM區(qū)域EDAC保護(hù),軟件運(yùn)行過程中,為了防止比特位的錯(cuò)誤累積,定期對(duì)RAM中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫,若出現(xiàn)多位錯(cuò)誤則進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù),中斷服務(wù)函數(shù)將錯(cuò)誤發(fā)回給地面,引導(dǎo)軟件自動(dòng)復(fù)位.

5)看門狗

看門狗是防止程序跑飛的有效手段,在該引導(dǎo)軟件中,引導(dǎo)軟件必須定期喂狗,否則引導(dǎo)軟件將復(fù)位.

圖4 SRAM檢測(cè)

3.3 飛行模式

系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入飛行模式后,對(duì)引導(dǎo)標(biāo)志進(jìn)行檢測(cè),若導(dǎo)標(biāo)志不是引導(dǎo)EEPROM中的重構(gòu)程序,則引導(dǎo)程序?qū)ROM中的應(yīng)用程序復(fù)制到起始地址為SADDR的RAM中,然后啟動(dòng)應(yīng)用程序的運(yùn)行;若引導(dǎo)標(biāo)識(shí)是引導(dǎo)EEPROM中的重構(gòu)程序,則引導(dǎo)程序則按照3.4.2節(jié)中重構(gòu)程序引導(dǎo)的方式啟動(dòng)重構(gòu)程序的運(yùn)行.飛行模式的流程圖如圖5所示.

圖5 飛行模式流程圖

3.4 測(cè)試模式

3.4.1 地面指令

地面指令通過地面服務(wù)程序以幀的形式下發(fā)到計(jì)算機(jī)模塊,該計(jì)算機(jī)模塊中的幀分為指令幀、數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答幀.指令幀用于計(jì)算機(jī)模塊的控制與測(cè)試,數(shù)據(jù)幀用于重構(gòu)程序的上注,應(yīng)答幀用于計(jì)算機(jī)模塊狀態(tài)的回送.數(shù)據(jù)的發(fā)送往往伴隨著封裝成幀和幀的重組.在計(jì)算機(jī)模塊上對(duì)幀的處理主要是幀重組和幀解析.

1)幀重組

幀重組在串口UART的中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行.當(dāng)收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生UART中斷,經(jīng)中斷切換進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù).因數(shù)據(jù)的發(fā)送具有連續(xù)性,進(jìn)入串口中斷服務(wù)函數(shù)后連續(xù)判斷UART狀態(tài)寄存器的dr位是否為1,若此位為1,則表示在UART的接收保持寄存器中已經(jīng)有可讀的新數(shù)據(jù),串口服務(wù)程序讀取UART數(shù)據(jù)寄存器中的一字節(jié)數(shù)據(jù),并根據(jù)幀協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)組裝成幀.

2)幀解析

幀的解析在函數(shù)cmdAnalysis中進(jìn)行.該函數(shù)對(duì)于一個(gè)幀的解析流程如圖6所示.若收到的幀是數(shù)據(jù)幀,則使用io_copy函數(shù)將數(shù)據(jù)(不包含幀頭、幀尾,幀長(zhǎng)度等與幀有關(guān)的數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)移到首地址為FRM_BUF_ADDR的RAM中,數(shù)據(jù)復(fù)制完成后,計(jì)算校驗(yàn)和,并將其回送至地面服務(wù)程序;若收到的幀是指令幀,則根據(jù)指令碼選擇相應(yīng)的操作,如地面接管、軟件上注、重構(gòu)程序固化、RAM引導(dǎo)等.

圖6 幀解析流程

3.4.2 重構(gòu)程序的三冗余架構(gòu)與引導(dǎo)

該引導(dǎo)軟件的一個(gè)重要功能是重構(gòu)程序的在線固化功能.本引導(dǎo)軟件將重構(gòu)程序分三份固化于EEPROM中,并分別計(jì)算校驗(yàn)和,將校驗(yàn)和發(fā)送回地面服務(wù)程序.

根據(jù)3.4.1節(jié)對(duì)數(shù)據(jù)幀的論述,當(dāng)重構(gòu)程序存放于RAM中,且地面收到正確的校驗(yàn)和后,地面服務(wù)程序可以發(fā)送重構(gòu)程序固化指令,開始重構(gòu)程序的固化.重構(gòu)程序的固化使用FPGA托管方式進(jìn)行.重構(gòu)程序共固化三份,首地址分別是RADDR1、RADDR2、RADDR3,固化完成后分別計(jì)算校驗(yàn)和,并將校驗(yàn)和返回給地面服務(wù)程序,若應(yīng)答幀返回的三個(gè)校驗(yàn)和與重構(gòu)程序的校驗(yàn)和相同,則重構(gòu)程序固化成功,此時(shí)地面服務(wù)程序可以向計(jì)算機(jī)模塊發(fā)送重構(gòu)程序引導(dǎo)指令.

計(jì)算機(jī)模塊收到重構(gòu)程序引導(dǎo)指令后,分別將這三份程序按字節(jié)取出,進(jìn)行三取二操作,將所得的結(jié)果移動(dòng)到RAM中起始地址SADDR處.當(dāng)程序搬運(yùn)完畢,計(jì)算RAM中該程序的校驗(yàn)和,若校驗(yàn)和正確,則啟動(dòng)重構(gòu)程序的運(yùn)行,否則啟動(dòng)原應(yīng)用程序.重構(gòu)程序啟動(dòng)的核心代碼如圖7所示.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)模塊固定在板卡基座上,實(shí)物如圖8所示,圖8左邊是計(jì)算機(jī)模塊的正視圖,右邊是計(jì)算機(jī)模塊的俯視圖.在試驗(yàn)中使用EEPROM代替PROM,地面服務(wù)程序的界面如圖10所示.

4.1 引導(dǎo)軟件的自動(dòng)引導(dǎo)

在tornado中建立VxWorks應(yīng)用程序,并添加printf打印函數(shù),設(shè)置引導(dǎo)標(biāo)識(shí),重啟計(jì)算機(jī)模塊,則可以在串口調(diào)試助手中看到如圖9的結(jié)果.

圖7 重構(gòu)程序引導(dǎo)

圖8 計(jì)算機(jī)模塊實(shí)物圖

圖9 引導(dǎo)程序自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)用程序

圖9上圖為自動(dòng)引導(dǎo)PROM中的應(yīng)用程序,下圖為自動(dòng)引導(dǎo)EEPROM中的重構(gòu)程序.從圖中可以看出VxWorks已經(jīng)成功運(yùn)行,并成功打印出相應(yīng)信息,證明應(yīng)用程序已經(jīng)成功運(yùn)行.

4.2 重構(gòu)程序的固化與引導(dǎo)

計(jì)算機(jī)模塊重啟后發(fā)送地面接管指令,接管成功后,引導(dǎo)軟件進(jìn)入測(cè)試模式,圖10顯示了地面服務(wù)程序發(fā)送的一系列地面指令.從中可以看到程序啟動(dòng)后自檢正確,SRAM無錯(cuò)誤.當(dāng)發(fā)送地面接管指令后成功接管引導(dǎo)軟件,引導(dǎo)程序成功進(jìn)入測(cè)試模式,這時(shí)選取重構(gòu)程序,發(fā)送軟件上注指令,執(zhí)行重構(gòu)程序固化和引導(dǎo),從圖中可以看出重構(gòu)程序在計(jì)算機(jī)、RAM和EEPROM中的校驗(yàn)和完全一樣,都為0x37b0,表明引導(dǎo)程序已經(jīng)成功將重構(gòu)程序固化完成.

圖10 引導(dǎo)程序進(jìn)入測(cè)試模式

當(dāng)?shù)孛姘l(fā)送重構(gòu)程序引導(dǎo)指令后,引導(dǎo)程序引導(dǎo)重構(gòu)程序的執(zhí)行.所得的結(jié)果如圖11所示.

圖11 重構(gòu)程序引導(dǎo)

4.3 錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)

4.3.1 反彈墻測(cè)試

在引導(dǎo)軟件的main函數(shù)中添加:

asm(“b 0x40001000”)

運(yùn)行引導(dǎo)軟件,得到的結(jié)果如圖12所示.

從圖12中可以看出程序在不停的重啟,說明反彈墻能夠正確的運(yùn)行.

4.3.2 三冗余造錯(cuò)

通過VDS將RADDR1,RADDR2+0xf,RADDR3+0xff處的值改為0xFF,設(shè)置引導(dǎo)標(biāo)識(shí)為重構(gòu)程序引導(dǎo),啟動(dòng)引導(dǎo)軟件,可以得到如圖11所示的結(jié)果,證明三冗余架構(gòu)具有一定的容錯(cuò)能力,能夠保證應(yīng)用軟件的正常運(yùn)行.

圖12 反彈墻測(cè)試

4.3.3 SADDR處校驗(yàn)和錯(cuò)誤

在重構(gòu)程序放置在SADDR后、校驗(yàn)和檢測(cè)前,使用VDS更改SADDR處的值,運(yùn)行軟件,此時(shí)會(huì)檢測(cè)到校驗(yàn)和錯(cuò)誤,轉(zhuǎn)而引導(dǎo)位于PROM中的應(yīng)用程序,串口調(diào)試助手此時(shí)返回的結(jié)果如圖9上圖所示.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于SPARC架構(gòu)的的計(jì)算機(jī)模塊引導(dǎo)軟件,詳細(xì)論述了該引導(dǎo)軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)和主要功能,并論述了為保證其高可靠性采取的技術(shù),最后將該引導(dǎo)軟件在計(jì)算機(jī)模塊上測(cè)試,實(shí)驗(yàn)證明,該引導(dǎo)軟件的各項(xiàng)功能正確,能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目中.該軟件也有不完善之處,需要改進(jìn),比如為保證高可靠性,數(shù)據(jù)的傳送速度較慢,可以通過測(cè)試,在保證高可靠的前提下提高數(shù)據(jù)傳輸速度.

1 徐福祥,林寶華.衛(wèi)星工程概論.2版.北京:中國(guó)宇航出版社,2004.

2 AT697F_doc7703.pdf. http://www.atmel.com/Images/doc 7703.pdf.

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7 時(shí)晨,于倫政.基于SPARC結(jié)構(gòu)的RISC系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2002,19(11):52–54.[doi:10.3969/j.issn.1000-7180.2002.11.017]

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9 徐惠民.基于VxWorks的嵌入式系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn).北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.