一种基于常加电工作模式的高可靠星上计算机制造技术

本发明专利技术公开了一种基于常加电工作模式的高可靠星上计算机，包括主处理单元、FPGA控制单元、存储单元、通信单元、同步串口、引导软件、控制软件和应用程序软件；主处理单元采用具有抗辐照指标的CPU，用于负责多任务调度和处理，通过总线对FPGA控制单元、存储单元和通信单元进行管控和资源分配；FPGA控制单元采用反熔丝FPGA芯片，用于负责接收主处理单元的控制指令，对存储单元进行任务托管，并负责对通信单元的终端地址配置；存储单元采用具有抗辐照指标的存储器，包括静态随机存储区、反熔丝只读存储区、缓冲/备份闪存区和电可擦可编程存储区。本发明专利技术具有ECC纠检错功能和三取二冗余措施，工作寿命较长，可靠性较高。

A high reliable on-board computer based on constant power operation mode

The invention discloses a highly reliable on-board computer based on the normal power-on mode, which includes the main processing unit, the control unit of the FPGA, the storage unit, the communication unit, the synchronous serial port, the boot software, the control software and the application software; the main processing unit adopts the CPU with anti-irradiation index to be responsible for multi-task scheduling. And processing, through the bus to control and allocate resources to the control unit, storage unit and communication unit of the FPGA; the control unit of the FPGA uses the anti-fuse FPGA chip, which is responsible for receiving the control instructions of the main processing unit, hosting the storage unit, and configuring the terminal address of the communication unit; and the storage unit adopts the anti-fuse FPGA chip. Storage with anti-irradiation index includes static random storage area, anti-fuse read-only storage area, buffer/backup flash area and electric erasable programmable storage area. The invention has the functions of ECC error correction and three two redundancy measures, and has long working life and high reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于常加电工作模式的高可靠星上计算机
本专利技术涉及航天领域以及电子科学
，主要涉及一种基于常加电工作模式的高可靠星上计算机。
技术介绍
目前，急需有一种基于常加电工作模式的可以为具有高可靠长寿命运行要求的中高轨卫星提供了程序在轨重构和数据存储方法的高可靠星上计算机。现有技术中提供了一种星载可重构协处理单元，申请(专利)号:CN103020011A(公开日为2013年04月03日)。该申请主要通过主处理器的外部接口向协处理单元传输任务信息，经过反熔丝FPGA处理后将任务信息转换成FPGA配置文件，并通过配置端口下载到协处理器(V5FPGA和第二NORFLASH存储器)，完成相应的计算工作，从而达到提高星载处理性能、工作效率和安全性能的目的。但是其只能适用于FPGA的配置文件，不支持对PowerPC微处理器中的文件重构，同时，该方法中的重构文件需要系统重新上电才能刷新存储。现有技术中还提供了一种基于FPGA的嵌入式立方星星务计算机及其重构方法，申请(专利)号:CN104049687A(公开日为2014年09月17日)。该方法所述处理芯片集成有FPGA硬核、FPGA逻辑单元以及CPU内核。其中FPGA硬核用于与外围电路以及立方星的各分系统进行通信；FPGA逻辑单元用于对外围电路进行控制，同时对立方星的星务本地时间校时；CPU内核用于对立方星进行整星控制算法实现、整星数据管理、姿控算法实现、控制命令分发以及载荷数据管理。该方法结合了FPGA的并行处理能力与CPU的控制运算能力，星上硬件大部分基于工业级甚至商业级芯片，具有使用灵活、性能优化、集成度高及成本低的优点。但是，该方法选用的器件本身抗辐照指标较低，采用冗余重构等加固措施后抗辐照能力和系统可靠性提升有限，仅适用于近地轨道等辐射较低的应用场合。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的不足，本专利技术提出了一种基于常加电工作模式的高可靠星上计算机。为实现上述目的，本专利技术具体通过以下技术方案实现：一种基于常加电工作模式的高可靠星上计算机，包括硬件产品和配套软件，硬件部分包括主处理单元、FPGA控制单元、存储单元、通信单元和同步串口，软件部分包括引导软件、控制软件和应用程序软件；所述主处理单元采用具有抗辐照指标的CPU，用于负责多任务调度和处理，通过总线对FPGA控制单元、存储单元和通信单元进行管控和资源分配；所述FPGA控制单元采用反熔丝FPGA芯片，用于负责接收主处理单元的控制指令，对存储单元进行任务托管，并负责对通信单元的终端地址配置；所述存储单元采用具有抗辐照指标的存储器，包括静态随机存储区(SRAM区)、反熔丝只读存储区(PROM)、缓冲/备份闪存区(NORFLASH)和电可擦可编程存储区(EEPROM)，用于负责程序和数据的校验、存储、重构；所述通信单元采用MIL-STD-1553B通讯总线，其采用曼彻斯特Ⅱ(Manchester)编码法，这种自我时钟同步(Self-clocking)的编码法，抗噪音、波形失真小、容易克服长线耦合效应，因此可靠性比较高。所述引导软件运行于主处理单元上，具备在轨重构和备份功能，用于负责硬件设备初始化、存储区自纠自检、实时操作系统(RTOS)的加载和解压缩以及应用程序软件的加载和重构等；所述应用程序软件运行于主处理单元上，具备按位三取二表决和实时按页回写纠错功能，负责总线通信协议初始化以及多任务调度等，支持用户软件自定义；所述控制软件运行于FPGA控制单元上，用于负责存储托管、译码控制、复位控制、通信终端地址配置、软件启动标志管理、看门狗计数等。优选地，所述主处理单元采用32位抗辐照处理器AT697F。优选地，所述FPGA控制单元采用Actel的RTSX系列。。优选地，所述引导软件的上电直接载体为反熔丝只读存储器，重构备份载体为闪存存储器，应用程序软件的载体为电可擦可编程存储器；控制软件的载体为反熔丝FPGA芯片。优选地，所述通信单元和同步串口通过外总线与上述各单元实现数据传输和交换。优选地，所述硬件部分还包括一遥测状态输出模块，用于采集主处理单元1的心跳信号、FPGA控制单元的看门狗狗叫信号以及电可擦可编程存储区的故障定位页和回写次数等数据，供外部判读使用。本专利技术通过选用具有抗辐照指标和EDAC功能的器件，对引导软件和应用程序软件进行了在轨重构备份设计，对应用程序软件进行了按位三取二表决和实时按页回写纠错设计，利用反熔丝FPGA进行任务托管实现了大容量数据存储和校验，支持实时操作系统，具备计算、通信、遥测、备份、重构等功能，实现了卫星有效载荷在常加电工作下的高可靠工作。本专利技术具有以下有益效果：1)计算机使用寿命10年，10年末87600h可靠度0.9563，具有较长时间工作寿命；2)具有ECC纠检错功能和三取二冗余措施，可靠性较高；3)抗辐射指标TID≥100kRad(Si)，免SEL，具有较强的抗SEU/SET能力和SEU/SET保护功能，抗辐照能力较强。附图说明图1为本专利技术所述的基于常加电工作模式的高可靠星上计算机架构图。图2为本专利技术所述的基于常加电工作模式的高可靠星上计算机FPGA控制单元功能示意图。图3为本专利技术所述的基于常加电工作模式的高可靠星上计算机采用FPGA托管进行的数据存储方法流程图。图4为本专利技术所述的基于常加电工作模式的高可靠星上计算机在轨重构方法流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本实施例所述的基于常加电工作模式的高可靠星上计算机架构图见图1所示，包括主处理单元1、FPGA控制单元2、缓冲/备份闪存3、电可擦可编程存储区4、反熔丝只读存储区5、静态随机存储区6、通信单元7、232同步串口8、遥测状态输出9。其中主处理单元1选用32位抗辐照处理器AT697F，支持实时操作系统运行。FPGA控制单元2功能框图见图2所示，选用宇航级反熔丝芯片RTSX32A，支持对电可擦可编程存储区4进行读写任务托管功能，读写控制流程见图3所示，在每次页写之前增加解锁功能，避免误写操作，保证整页(128个字节)数据的有效。电可擦可编程存储区4作为应用程序软件载体，可擦写次数1万次，存储容量为3MB。应用程序软件共存储三份，在每份程序末预留224KB空间用于存储程序校验和、故障计数和遥测数据。应用程序软件的启动方式见图4所示，采用按位三取二表决启动正确正确程序，同时对故障位置进行定位和按页回写。由于对电可擦可编程存储区4需要定时刷新，而写操作周期较长，如果该任务长期挂在主处理单元1上，会占用大量资源，导致处理速度缓慢。本专利技术将该任务托管给FPGA控制单元2执行，优化了主处理单元1的资源和效率。反熔丝只读存储区5采用宇航级反熔丝芯片UT28F256，存储容量为32KB，用于存储引导软件，上电时主处理单元1默认加载该区域程序，也可以通过缓冲/备份闪存3将引导软件上注到主处理单元1,实现引导软件的在轨重构。静态随机存储区6存储容量为6MB，具有ECC功能，对单粒子打翻引起的一位数据错误能实时纠正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于常加电工作模式的高可靠星上计算机，包括硬件产品和配套软件，硬件部分包括主处理单元、FPGA控制单元、存储单元、通信单元和同步串口，软件部分包括引导软件、控制软件和应用程序软件；其特征在于，所述主处理单元采用具有抗辐照指标的CPU，用于负责多任务调度和处理，通过总线对FPGA控制单元、存储单元和通信单元进行管控和资源分配；所述FPGA控制单元采用反熔丝FPGA芯片，用于负责接收主处理单元的控制指令，对存储单元进行任务托管，并负责对通信单元的终端地址配置；所述存储单元采用具有抗辐照指标的存储器，包括静态随机存储区、反熔丝只读存储区、缓冲/备份闪存区和电可擦可编程存储区，用于负责程序和数据的校验、存储、重构；所述通信单元采用MIL‑STD‑1553B通讯总线，其采用曼彻斯特Ⅱ编码法；所述引导软件运行于主处理单元上，具备在轨重构和备份功能，用于负责硬件设备初始化、存储区自纠自检、实时操作系统的加载和解压缩以及应用程序软件的加载和重构；所述应用程序软件运行于主处理单元上，具备按位三取二表决和实时按页回写纠错功能，负责总线通信协议初始化以及多任务调度支持用户软件自定义；所述控制软件运行于FPGA控制单元上，用于负责存储托管、译码控制、复位控制、通信终端地址配置、软件启动标志管理、看门狗计数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于常加电工作模式的高可靠星上计算机，包括硬件产品和配套软件，硬件部分包括主处理单元、FPGA控制单元、存储单元、通信单元和同步串口，软件部分包括引导软件、控制软件和应用程序软件；其特征在于，所述主处理单元采用具有抗辐照指标的CPU，用于负责多任务调度和处理，通过总线对FPGA控制单元、存储单元和通信单元进行管控和资源分配；所述FPGA控制单元采用反熔丝FPGA芯片，用于负责接收主处理单元的控制指令，对存储单元进行任务托管，并负责对通信单元的终端地址配置；所述存储单元采用具有抗辐照指标的存储器，包括静态随机存储区、反熔丝只读存储区、缓冲/备份闪存区和电可擦可编程存储区，用于负责程序和数据的校验、存储、重构；所述通信单元采用MIL-STD-1553B通讯总线，其采用曼彻斯特Ⅱ编码法；所述引导软件运行于主处理单元上，具备在轨重构和备份功能，用于负责硬件设备初始化、存储区自纠自检、实时操作系统的加载和解压缩以及应用程序软件的加载和重构；所述应用程序软件运行于主处理单元上，具备按位三取二表决和实时按页回写纠错功能，负责总线通信协议初始化以及多任务调度支持用户软件自定义；...

【专利技术属性】
技术研发人员：许红梅，凌幸华，孙均吾，田雪，
申请(专利权)人：华东计算技术研究所中国电子科技集团公司第三十二研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31