鄭璧青 袁杰沈 霽施雯 于大海

摘要：可重構(gòu)在軌計算機系統(tǒng)，借鑒歐空局和谷歌安卓的運營思路，對操作系統(tǒng)高級特性的應(yīng)用可行性進行技術(shù)論證，選用高可靠實時性VxWorks操作系統(tǒng)，通過軟件的開放式架構(gòu)設(shè)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(wù)過程中的低成本快速在軌維護。

關(guān)鍵詞：可重構(gòu);VxWorks操作系統(tǒng);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(yè)的發(fā)展，衛(wèi)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(tǒng)應(yīng)滿足應(yīng)用要求實現(xiàn)系統(tǒng)組成精簡、系統(tǒng)構(gòu)建快速、系統(tǒng)功能強大以及系統(tǒng)擴展性強的應(yīng)用特點?？芍貥?gòu)在軌計算機系統(tǒng)運用VxWorks操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)內(nèi)核的基礎(chǔ)上設(shè)計了符合空間科學型號實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層次。實現(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(tǒng)選型

在空間科學領(lǐng)域的系統(tǒng)中，軟件任務(wù)日趨復雜、關(guān)鍵任務(wù)實時性要求更加苛刻，傳統(tǒng)的前后臺方式以無法承載當下以及未來的發(fā)展需求，迫切需要引入實時操作系統(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)計方案。

VxWorks具體優(yōu)勢如下：（1）VxWorks操作系統(tǒng)獲得了IEC 61508 SIL3系統(tǒng)安全等級認證、DO178B適航標準等多項認證，在航天各個系統(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)先級搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度機制，它的高性能的實時微內(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(tǒng)重構(gòu)設(shè)計

改變針對特定任務(wù)重新編寫特定業(yè)務(wù)流程代碼的方式，中心計算機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層次。實現(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(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)在軌計算機系統(tǒng)主要運用了DKM工程模塊結(jié)合文件系統(tǒng)以及RTP實時進程工程模塊結(jié)合文件系統(tǒng)兩種方式。

在實驗設(shè)計中同時兼顧了DKM工程與RTP工程，對兩種工程調(diào)試均進行了驗證。

3 可重構(gòu)方案驗證

方案設(shè)計在硬件平臺上驗證實驗，計算機系統(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APP都是一個可動態(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)計方案圖如圖2所示，驗證流程圖如圖3所示。

4 結(jié)語

本文主要闡述了一種可重構(gòu)的在軌計算機系統(tǒng)設(shè)計方法，采用VxWorks高實時性操作系統(tǒng)，驗證了小型飛行器計算機系統(tǒng)在軌重構(gòu)的可行性和有效性。通過在軌維護軟件技術(shù)體系的構(gòu)建，使得計算機系統(tǒng)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(xiàn)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(yīng)用需求，降低了維護的成倍，擴大了應(yīng)用范圍，為未來智能化小型化計算機系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

[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)實時性調(diào)度設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（12）：116-119.

[2] 王戰(zhàn)強，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.