星载COTS计算机的体系结构设计及其抗SEU研究
发布时间：2020-11-01 22:34
【摘要】： 空间环境中存在着大量的带电粒子,星载计算机硬件系统的电子器件会受到电磁场的辐射和重粒子的冲击,从而导致SEU(Single-Event Upsets,单粒子翻转)效应。SEU使得星载计算机中的数据可能出现小概率错误,这种错误若不及时进行纠正将会影响计算机系统的运行和关键数据的正确性。一个自然的解决办法是进行屏蔽和加固,但是,屏蔽材料的厚度受到卫星体积和重量的制约,屏蔽的作用有限,且辐射加固的器件价格昂贵,难以供货,性能不高。而COTS(Commercial-Off-The-Shelf,商用现货)器件具有成本低、性能高的优势,且不受国外进口的限制。引入COTS技术是星载计算机发展的趋势。 本文根据国外研制星载计算机的经验和先进技术,结合国内实际情况,设计出一种基于COTS的高性能、高可靠性、低成本的具有抗SEU功能的星载计算机体系结构。本系统的硬件部分以ARM9处理器为核心,具备多种接口,软件部分以裁减后的linux操作系统为平台。本文从器件选型开始,完成了星载COTS计算机的体系结构设计,原型系统的测试验证与实现,并实现了裁减后linux操作系统的移植。在此基础上对系统的进一步改进做了初步探讨,为以后应用于航天工程打下了坚实的基础。 但是,COTS器件本身并不具备抗SEU能力,如何提高COTS系统的可靠性,以适应恶劣的空间辐射环境,是一个具有挑战性的课题。 针对星载计算机的空间SEU效应,本文实现了星载COTS计算机体系结构的抗SEU容错设计,研究了基于COTS器件(如SRAM型FPGA)的具有多级容错机制的抗SEU加固技术,增强了星载COTS计算机的可靠性。系统级采用了基于FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的双机容错系统技术,提高了星载计算机宏观上的可靠性;模块级针对存储器器件的TMR(Triple Module Redundancy,三模冗余)容错技术,也提高了SRAM和FLASH的抗SEU能力;芯片级采用了片内FPGA抗SEU容错设计,片外通过实现FPGA自加载电路的重配置功能,进一步提高了系统的抗SEU能力。本文的设计和验证等研究工作都是建立在星载计算机原型系统实现的基础之上的。 本课题的研究成果若进一步完善,可直接应用于星载计算机和空间机动信息平台中,在降低研制成本、提高在轨数据处理能力方面,对推动中国空间科学技术和国防事业的发展有重大的意义。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：V446;TP302
【图文】：
图 1.1 SoC-OBC 小卫星星载计算机系统集成示意图单片系统中，SoC-OBC的微处理器采用基于SPARC V8架构的32biLEON2，引导程序和 EDAC 通过系统总线和 LEON 相连，其他的外过AMBA 210片上总线和 LEON相连。外围接口模块有CAN总线，以太网 MAC 接口，IDE 接口和 CORDIC 数字协处理器。EU 设计方面，在该星载计算机系统中，内存的内容由检错纠错单元 以纠正由 SEU 导致的数据错误。设计中，采用自行开发的具有 2bDAC 软核，比传统的 1bit 汉明码纠检错能力更强。Virtex 系列 FP分重配置功能允许系统检测和修复发生在片上配置内存中的 SEU。是基于帧结构的配置，数据流文件的写入和读出也是以帧为单位的研究表明，纠正发生在某一帧上的单个位（bit）的 SEU，只需要ION-F C&DH 子系统 FPGA 在航天领域的广泛应用的同时，芯片自身可靠性设计技术越图 1.2 所示，美国的 ION-F 卫星中的 C&DH 子系统[8]，采用具有抗
图 1.2 ION-F 卫星 C&DH 子系统结构示意图抗 SEU 设计方面，为了监控软件的运行状态，系统设计有冗余的看门狗计路。在 C&DH 子系统中设置了两个看门狗。由 RTOS 实时操作系统负责周发送清零脉冲给看门狗计时器。如果这些看门狗没有在指定的周期内接收信号，那么它们将发送一个处理器重启信号。但是，由于两板间的总线竞成软件指令的延迟。考虑到这一点，在电源板上设置了专门的重启响应机制收到重启信号，那么电源子系统将会重启整个卫星系统的电源。如果 CPU 的单板抗 SEU 加固技术失效，那么电源子系统就将通过看门狗的制重启 CPU 使其恢复故障。这个重启电路同样也可以由遥测子系统控制。证可靠性，采用 Actel 的反熔丝型 FPGA 作为系统的一个辐射加固的 PROM存储系统固件。这样，可以保护操作系统的 boot-loader（引导程序）在启动 SEU 效应的干扰。同时，该 FPGA 是基于 Flash 结构的，具有子程序和算轨更新功能。采用抗辐射的高可靠性芯片在国外的应用非常普遍。由瑞典空间物理研究的小卫星 Munin 的星载计算机 DPU（Data Processing Unit，数据处理单元）[9]
国防科学技术大学研究生院学位论文构技术[10]。1.2.2 国内研究情况1) TS-1.1 星载计算机子系统基于文献[11]、[12]和[13]中描述的哈尔滨工业大学研制的立体测绘小卫星TS-1.1）星载计算机系统，图 1.3 为立体测绘微小卫星星载计算机系统。集中控具有实现简单的优点，但为了保证系统的可靠性，在控制器中应采取容错设计，此这种集中控制已不是原来意义下的概念，而是具有容错能力控制器进行的集控制，整个系统是一个集中与分布共存的混合体，既保留了集中控制的简单性，具有分布式系统的可靠性。
【引证文献】
本文编号：2866197
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：V446;TP302
【图文】：
图 1.1 SoC-OBC 小卫星星载计算机系统集成示意图单片系统中，SoC-OBC的微处理器采用基于SPARC V8架构的32biLEON2，引导程序和 EDAC 通过系统总线和 LEON 相连，其他的外过AMBA 210片上总线和 LEON相连。外围接口模块有CAN总线，以太网 MAC 接口，IDE 接口和 CORDIC 数字协处理器。EU 设计方面，在该星载计算机系统中，内存的内容由检错纠错单元 以纠正由 SEU 导致的数据错误。设计中，采用自行开发的具有 2bDAC 软核，比传统的 1bit 汉明码纠检错能力更强。Virtex 系列 FP分重配置功能允许系统检测和修复发生在片上配置内存中的 SEU。是基于帧结构的配置，数据流文件的写入和读出也是以帧为单位的研究表明，纠正发生在某一帧上的单个位（bit）的 SEU，只需要ION-F C&DH 子系统 FPGA 在航天领域的广泛应用的同时，芯片自身可靠性设计技术越图 1.2 所示，美国的 ION-F 卫星中的 C&DH 子系统[8]，采用具有抗
图 1.2 ION-F 卫星 C&DH 子系统结构示意图抗 SEU 设计方面，为了监控软件的运行状态，系统设计有冗余的看门狗计路。在 C&DH 子系统中设置了两个看门狗。由 RTOS 实时操作系统负责周发送清零脉冲给看门狗计时器。如果这些看门狗没有在指定的周期内接收信号，那么它们将发送一个处理器重启信号。但是，由于两板间的总线竞成软件指令的延迟。考虑到这一点，在电源板上设置了专门的重启响应机制收到重启信号，那么电源子系统将会重启整个卫星系统的电源。如果 CPU 的单板抗 SEU 加固技术失效，那么电源子系统就将通过看门狗的制重启 CPU 使其恢复故障。这个重启电路同样也可以由遥测子系统控制。证可靠性，采用 Actel 的反熔丝型 FPGA 作为系统的一个辐射加固的 PROM存储系统固件。这样，可以保护操作系统的 boot-loader（引导程序）在启动 SEU 效应的干扰。同时，该 FPGA 是基于 Flash 结构的，具有子程序和算轨更新功能。采用抗辐射的高可靠性芯片在国外的应用非常普遍。由瑞典空间物理研究的小卫星 Munin 的星载计算机 DPU（Data Processing Unit，数据处理单元）[9]
国防科学技术大学研究生院学位论文构技术[10]。1.2.2 国内研究情况1) TS-1.1 星载计算机子系统基于文献[11]、[12]和[13]中描述的哈尔滨工业大学研制的立体测绘小卫星TS-1.1）星载计算机系统，图 1.3 为立体测绘微小卫星星载计算机系统。集中控具有实现简单的优点，但为了保证系统的可靠性，在控制器中应采取容错设计，此这种集中控制已不是原来意义下的概念，而是具有容错能力控制器进行的集控制，整个系统是一个集中与分布共存的混合体，既保留了集中控制的简单性，具有分布式系统的可靠性。
【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 张昆峰;;静态存储器的抗单粒子翻转效应研究[J];现代电子技术;2011年18期
2 李小将;师俊芳;梅栾芳;陈娟;;操作系统可信增强技术研究[J];装备指挥技术学院学报;2011年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 贾文涛;高可靠星载双机备份系统的设计与评估[D];国防科学技术大学;2010年
2 付剑;星载计算机的硬件容错设计与可靠性分析[D];国防科学技术大学;2009年
3 陈秀美;交替互补的自恢复控制器研究[D];合肥工业大学;2010年
本文编号：2866197
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