可重构在轨计算机系统设计

郑璧青 袁杰沈 霁施雯 于大海

摘要：可重构在轨计算机系统，借鉴欧空局和谷歌安卓的运营思路，对操作系统高级特性的应用可行性进行技术论证，选用高可靠实时性VxWorks操作系统，通过软件的开放式架构设计，减少软件的复杂度和各功能耦合度，有效的保障软件任务过程中的低成本快速在轨维护。

关键词：可重构;VxWorks操作系统;在轨维护

中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0127-01

0 引言

随着中国航天事业的发展，卫星、货船、空间站对小型化飞行器的需求量大大提高，小型飞行器平台主要特点是“省、好、快” 平台电系统应满足应用要求实现系统组成精简、系统构建快速、系统功能强大以及系统扩展性强的应用特点。可重构在轨计算机系统运用VxWorks操作系统，在操作系统内核的基础上设计了符合空间科学型号实际需求的可通用软件系统框架，将飞行软件划分为任务层、服务组件层和资源访问层三个层次。实现操作系统内核与应用软件、控制面与设备面、应用软件与应用软件之间多个层次和纬度的解耦，通过最小安全模式软件中串口加载功能可以将星载应用软件以APP的形式进行安装与卸载，有效的保障软件研制过程中的低成本快速维护。

1 操作系统选型

在空间科學领域的系统中，软件任务日趋复杂、关键任务实时性要求更加苛刻，传统的前后台方式以无法承载当下以及未来的发展需求，迫切需要引入实时操作系统。本文基于VxWorks操作系统选用了一种创新型的在轨可重构设计方案。

VxWorks具体优势如下：（1）VxWorks操作系统获得了IEC 61508 SIL3系统安全等级认证、DO178B适航标准等多项认证，在航天各个系统中应用广泛，可靠性安全性非常高;（2）VxWorks操作系统采用的是人物控制优先级抢占和轮转调度机制，它的高性能的实时微内核Wind，支持多任务调度，任务间通信，上下文切换和系统调用均可以在微秒级内完成[1];（3）支持高度的系统可裁剪性，可根据具体的应用定制系统，使得系统对资源的需求最小，利用率高;（4）支持包括x86系列，POWERPC系列，SPARC系列，ARM系列，MIPS系列等几乎所有流行的CPU，可适用于不同的平台，移植性继承性高。

2 系统重构设计

改变针对特定任务重新编写特定业务流程代码的方式，中心计算机软件将飞行软件划分为任务层、服务组件层和资源访问层三个层次。实现操作系统内核与应用软件、控制面与设备面、应用软件与应用软件之间多个层次和纬度的解耦，减小各功能模块软件在轨维护的代价，从而建立软件在轨重构能力的基础[2]，具体框架如图1所示。

基于VxWorks内核模块可重构在轨计算机系统主要运用了DKM工程模块结合文件系统以及RTP实时进程工程模块结合文件系统两种方式。

在实验设计中同时兼顾了DKM工程与RTP工程，对两种工程调试均进行了验证。

3 可重构方案验证

方案设计在硬件平台上验证实验，计算机系统基于VxWorks操作系统可加载内核模块的特性，使得每一个APP都是一个可动态加载的程序，由监控软件在最小模式下，将注入的新的APP模块，经校验固化入FLASH中，由VxWorks操作系统在轨重构模块将新的APP模块加载到文件系统模块中，其中VxWorks文件系统首次运用了DosFS（适用于块存取设备的文件系统）结合RAM-DISK（虚拟内存盘）的技术，采用APP模块替换，基于VxWorks操作系统可加载内核模块的特性，实现应用程序的在轨重构以及应用的加载。

具体的设计方案图如图2所示，验证流程图如图3所示。

4 结语

本文主要阐述了一种可重构的在轨计算机系统设计方法，采用VxWorks高实时性操作系统，验证了小型飞行器计算机系统在轨重构的可行性和有效性。通过在轨维护软件技术体系的构建，使得计算机系统具备在轨通过星地通信可更改、可升级的能力。部署于计算机的软件具备了通过程序加载遥控块实现修正或替换某个被确认需要更新或有故障的软件模块，以满足新的应用需求，降低了维护的成倍，扩大了应用范围，为未来智能化小型化计算机系统奠定了基础。

参考文献

[1] 赵建坤，张大松，胡爱兰，李建宏.基于VxWorks的星务管理系统软件多任务实时性调度设计[J].电子技术应用，2017，43（12）：116-119.

[2] 王战强，翟盛华.星载处理设备软件在轨重构技术研究[J].空间电子技术，2013，10（01）：7-13+43.