一种基于可重构片上互连的多核处理器架构

面向宇航应用,基于可重构片上互连,本文提出了一种新型的多核处理器架构。该架构在锁步技术的基础上进行了改进,利用可重构片上互连使得锁步技术引入的冗余核可以分时复用,以充分发挥多核性能。基于该架构的处理器软件编程,需对任务进行关键等级划分,使得非关键任务可以线程级并行执行,关键任务锁步执行,满足宇航应用对高可靠和高性能的需求。本文给出了该架构基于第五代精简指令集(RISC-V)的一种实现,并进行验证。结果表明:该架构实现了多核处理器在多核锁步和多核并行两种状态之间切换,分别获得高可靠或高性能的特性。     

异构多核人工智能SoC芯片的低功耗设计

随着深空探测、载人航天、商业火箭和飞行器等各项航天任务的开展,各型号任务对硬件系统的智能化、可靠性、低功耗指标提出了更高的要求,作为系统“大脑”的SoC处理器亟需进行升级换代。本文综述了面向航天新任务应用的人工智能SoC芯片玉龙810,介绍了新一代国产自主可控、高智能、高可靠、低功耗SoC芯片的功能特点、关键技术,重点描述了玉龙810芯片的低功耗设计方法和实现结果,通过优化技术玉龙810芯片动态峰值功耗达到了低于5W的指标。玉龙810芯片采用多核异构架构,主要由4个SPARC V8核、8个GPU核和8个NNA核组成,片内通过AMBA3. 0总线实现模块的互联互通,片上还集成H. 264/H. 265,JPEC2000等片上外设。     

星载控制软件在轨动态重构技术研究

为使星载控制软件可在轨动态重构，提出一种基于量子编程框架、无须操作系统支持、可实现多版本切换的星载控制软件在轨动态重构方法。在分析影响在轨动态重构关键技术基础上，从量子框架的面向对象运行机制出发来寻求软件框架对动态重构的支持；通过划分函数边界，将函数归类为内部函数和公共函数，避免了模块间的循环依赖；给出了函数向量表维护策略，并以版本号为导向实现了向量表切换。该方法在BM3803星载处理器平台进行了充分测试，结果表明：所提出的在轨重构方法系统无须停机、版本可回退且更新过程可靠。本方法占用内存小、平台依赖性弱、代码可复用性强，可推广应用至硬件资源有限的星载控制器终端。     

基于RISC-V的多核可重构处理器架构研究

介绍了一种多核可重构处理器架构。该架构利用可重构片上互连使得锁步技术引入的冗余核可以分时复用,充分发挥多核带来的性能增长。在该架构下,软件开发人员可以通过对任务进行关键等级划分,使得非关键任务可以线程级并行执行,关键任务锁步执行,满足星载计算机对高可靠和高性能的需求。提供了该架构基于RISC-V (第五代精简指令集)的一种实现,并阐述了该架构下的软硬件配合机制。     

一种面向节能的星载实时任务动态调度算法研究

星载嵌入式操作系统性能和任务能耗之间的平衡非常重要,采用合理的处理器和电压分配策略是一个重要手段。提出一系列基于计算概率的建模方法,用来解决星载实时嵌入式系统中对于具有数据依赖的非周期性任务的处理器和电压分配相关问题,并且能够确保所有的任务都能在时间约束下执行。首先设计一个处理器调度算法,将任务的有向无环图(DAG)映射到一组可变电压处理器上,然后使用动态编程算法为每个任务分配合适的电压。通过带有重启的局部搜索策略从候选解集中获取最优解,以解决局部最优陷阱问题。通过实验说明,所提出的算法与其他算法相比,在所有时间约束下具有更好的能效。     

多核处理器S698P-SOC的数据一致性

在多核和多处理器系统中,数据一致性是一个非常重要和关键的问题.影响数据一致性的设计主要包括3个方面:处理器体系结构,Cache算法和软件设计.本文介绍了S698P-SOC多核处理器的体系结构,Cache算法和数据一致性保持机制,讨论了一般情况下的数据一致性问题,介绍了硬件对软件数据一致性设计的支持,并给出了软件设计时的设计要点.相关的技术在工程实践中已经得到验证,获得了良好的效果.     

一种基于构件的可重配置通用星载遥测软件设计

传统遥测处理设计方法,其软件逻辑处理与用户需求紧密耦合,难以重用。通过对星载软件构件化技术和航天器遥测需求进行分析,采用软件构件设计遥测处理模块,完成遥测采集、存储、包调度、虚拟信道调度和下传。构件化设计的遥测模块,通过参数配置和构件组装的方式实现不同的遥测需求,从而实现通用化遥测软件。经试验,结果表明,构件化的通用星载遥测设计方法,具有良好的任务适应性,能够显著降低开发时间和成本,可为通用化航天器遥测模块设计提供参考。     

基于SPARC多核SOC的Linux操作系统研究

通过移植启动代码,实现了Linux在SPARC多核处理器上的运行,重点剖析Linux针对SMP多核系统的进程管理机制、同步机制、进程调度和负载平衡等,在S698PM多核处理器平台进行了验证。     

多星多任务数传数据实时处理系统设计

针对卫星地面应用系统支持多星多任务的运行控制需求,设计了数传数据实时处理系统。采用调度中心与处理程序集协同工作的方式,在不借助消息传递接口(MPI)和第三方调度软件的前提下,实现了数传处理作业的集中式调度、分布式并行处理;设计处理作业调度策略,实现了实时任务优先、事后任务排队以及处理资源负载均衡;设计模块化拆分的处理程序集,实现了处理系统的高性能、可复用。工程实践结果表明:文章所介绍的处理系统能够同时支持4颗卫星、3个地面站、实时及事后2种模式数传处理任务,处理的实时数据率优于150 Mbit/s。     

应用EDAC容错技术的星载软件堆栈溢出实时检测方法

针对常见的星载软件堆栈溢出问题,提出了一种应用错误监测与纠正(EDAC)容错技术的堆栈溢出实时检测方法。以采用BM3803处理器的星载软件为例,通过处理器提供的内存造错和EDAC机制,对软件堆栈设置雷区和隔离区,通过陷阱程序感知堆栈生长过程,记录堆栈使用深度,并实时检测堆栈溢出。对核心模块的性能测试及堆栈检测实例验证表明:该方法实现简单,对软件性能几乎没有影响,使软件可以在线实时检测堆栈使用深度。软件在堆栈溢出时仍能自主可控,避免"跑飞"崩溃,大大提高其可靠性。     

eCos操作系统针对并行S698P-SOC的启动初始化过程研究

实时操作系统eCos是一款嵌入式操作系统。eCos支持多核并行处理系统,但是对多核处理器存在一些限制。多核处理器S698P-SOC满足eCos对处理器的限制要求。eCos在S698P-SOC上的启动初始化过程包括主CPU的启动和从CPU的启动两部分。     

基于BM3803处理器的即插即用星载计算机系统设计

针对我国星载计算机不能通用和"即插即用"的特点,文章提出一种模块化的星载计算机硬件设计方法,以某卫星原理样机为例,设计了一种基于BM3803处理器的即插即用星载计算机系统,重点研究了通用驱动软件的实现,通过软硬件结合,实现了设备模块的功能自动识别和"即插即用"功能。文章将该方案与现有星载计算机系统进行了对比分析,结果表明:该系统的处理性能更高,具有较好的通用性和扩展性,能够进行模块级替换和产品化生产,并满足新一代星载计算机系统快速组装的需求。     

S698PM宇航芯片的软件支持及信息处理性能测试

综述了面向宇航应用的S698PM宇航处理器芯片的软件支持,设计了嵌入式操作系统VxWorks的板级支持包BSP软件,分析了BSP包中多核的任务调度机制和中断管理。本文还给出了S698PM的性能测试数据,测试结果表明S698PM性能优越。最后通过一个FFT算法的应用实例展现了S698PM的并行计算处理能力。     

一种航天用Linux系统工程化方法

随着航天器功能的越发复杂和软件规模的提高，航天领域常用操作系统存在驱动、第三方库资源不够丰富等问题。Linux系统具有稳定、开源、支持丰富等特点，被广泛应用于高可靠领域，因此有望满足航天领域复杂应用下操作系统的需求。但Linux系统代码量庞大，在航天领域软件工程化和可靠性保证工作方面开展困难。结合航天工程应用实际，提出并实践了按商用和自研，分别对Linux系统软件进行质量保证的工程化方法，为航天用操作系统相关产品的研制提供工程化思路。     

面向航天领域的模型驱动软件设计开发方法

针对航天嵌入式任务关键软件特点,研究基于AADL模型,实现对其结构模型、行为模型、故障模型和执行模型的多维度描述。通过构造其代码规则模板,实现从模型到源程序的自动化映射,降低编程工作量。研究将AADL模型转换为故障树模型和时间自动机模型,分析验证软件安全性与可调度性;通过构建航天领域模型库,支持大规模软件复用。最后,基于所开发的航天型号软件模型驱动开发平台,对航天飞行器GNC系统的软件开发进行了初步验证,结果表明模型驱动的软件开发方法能有效提高航天型号软件开发效率和质量。     

基于调度预测的星载混合相关任务调度算法及其仿真的研究

为解决星载计算机系统中具有相关性任务的调度和临界资源的分配问题，提出了一种星载混合相关任务调度算法。首先，对星载计算机系统中的任务给出了形式化的描述。其次，具体阐述了这种星载多任务调度算法并给出了可调度性预测分析条件。最后，通过仿真实验对这个调度算法的性能进行了验证并给出了结论。     

基于动态库的星载软件可重构设计与实现

针对卫星在轨运行、长期处于无人值守状态,主要依靠星载软件的安全性和可靠性来保证整星任务的稳定工作。复杂多变的空间环境可能会引起星载器件的异常变化,从而导致星载软件异常,甚至发生软件"衰老"。本文在分析现有可重构方案基础上,提出了一种利用动态库的静态链接方式实现在轨可重构的方案,针对存在软件缺陷,或者需要功能升级和拓展的模块,利用遥控上注手段,采用MD5算法对数据文件完整性校验通过后,写入文件系统,并对原动态库文件作备份处理,以便版本回退。以具体实例对本文所述方案的可行性和有效性进行验证,结果表明:在嵌入式操作系统架构下,利用本方案实现星载软件可重构,能够有效提升星载软件在轨实施可重构的可靠性和安全性,进一步为星载软件的扩展和灵活应用提供支撑。     

一种面向多虚拟处理器的程序条件断点技术

考虑到载人航天、探月工程中嵌入式软件的编译器存在差异，编译器生成的目标文件格式和嵌入式处理器的不同，基于嵌入式处理器虚拟化技术，提出一种通用的调试信息存储结构，支持不同目标文件调试信息的通用存储；提出一种条件断点控制技术和一种通用条件断点控制模型，实现了面向多种架构虚拟处理器的程序条件断点控制；完成调试器DIP开发和功能测试。将以上技术应用于载人航天、探月工程中多个安全关键嵌入式软件测试，发现了嵌入式软件中的深层软件问题。     

基于多层PCB的基板射频信号传输性能研究

随着射频产品的小型化,特别是射频SIP（systems in package）产品的逐渐应用,基于多层PCB的基板射频组件等射频集成产品的应用越来越多,基板内射频信号传输性能的研究也越来越重要。通过对基于多层PCB的基板射频传输性能进行仿真测试,验证了DC-40GHz范围内射频基板传输性能,针对射频传输中极为关注的传输损耗问题,通过改进介质厚度或者铜箔材料实现基板射频传输损耗的优化,单位长度传输线射频传输损耗减小20%以上。同时针对星载等应用环境,通过深层充放电、总剂量试验,表明多层PCB的基板满足星载等航天应用。     

全数字化星载信号处理载荷架构设计

面对商业航天新业态的迅猛发展,围绕高可靠、高效率、高效益的航天发展目标,针对卫星有效载荷的载荷核心——星载信号处理载荷部分,参考美国国家航空航天局的空间无线电通信体制设计思路,以硬件平台化、功能软件化、软件构件化为特征基础,通过对软硬件体系、载荷时频、重构方式、资源共享等多元化的设计,构建了一种灵活、通用、易扩展、需求适应强的全数字化星载信号处理载荷架构。相比于传统星载信号处理载荷,采用该架构设计的星载信号处理载荷可以广泛适应各类星载信号处理的需求,极大地提升有效载荷的信号处理能力及可靠性,降低载荷的研制周期与成本,为未来卫星有效载荷的软件化、网络化、智能化发展提供技术支撑。