可重構星載計算機體系結構與容錯技術研究.pdf

1、隨著微小型航天器技術的不斷進步，現(xiàn)代小衛(wèi)星在體積、重量、成本和功耗均不斷降低的同時，功能卻不斷增強?？芍貥嬓禽d計算機不但能夠在單片芯片上集成大量硬件電路和計算單元，而且能夠根據(jù)任務需求靈活配置計算機內(nèi)部電路結構與外部接口，從而擁有強大的計算能力與較高的集成度。本文結合某“十一五”預研項目和某國家高技術研究發(fā)展項目(863)，對可重構星載計算機的相關技術進行了深入研究。研究內(nèi)容主要集中在可重構星載計算機的體系結構設計和容錯技術兩個方面，具

2、體工作如下：
　　針對傳統(tǒng)可重構星載計算機在多任務并行處理方面存在的局限性，提出了一種面向多任務的可重構星載計算機體系結構。通過在實時操作系統(tǒng)中建立FPGA資源與任務進程的動態(tài)關聯(lián)，實現(xiàn)了星上任務與可重構硬件資源的協(xié)同管理，使得可重構星載計算機具備根據(jù)任務需求自主調(diào)節(jié)硬件結構的能力。基于ML403開發(fā)板構建了原型系統(tǒng)，經(jīng)過對比實驗其結果顯示可重構星載計算機對多任務的并行處理能力得到明顯增強。此外由于加入了動態(tài)的FPGA資源管理與分

3、配機制，計算機對FPGA的利用效率得到提高，對輻射損傷的應對能力也得到增強。
　　針對星箭一體化航天器在不同任務階段對計算機性能和可靠性的不同需求，對可重構星載計算機分時復用方法進行了研究，分別設計了用于并行計算的高性能運載模式與具有動態(tài)修復功能的高可靠性在軌模式兩種三處理器 FPGA片內(nèi)處理系統(tǒng)，并通過快速重構在同一片F(xiàn)PGA中對這兩個系統(tǒng)分時實現(xiàn)。該方法具有定制程度較高的特點，能夠有效縮短可重構星載計算機的開發(fā)周期，進而加快一

4、體化航天器的研制進程。通過針對該方法建立的同步數(shù)據(jù)流與Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，對計算機的性能與可靠性進行了理論分析，并經(jīng)與普通三模冗余系統(tǒng)的比較，結果表明基于該方法設計的可重構星載計算機具有更高的長期可靠性。
　　針對可重構星載計算機的核心器件FPGA對空間輻射敏感的問題，對其故障屏蔽與修復技術進行了研究。研究首先提出了一種基于FPGA片內(nèi)RAM的抗輻射有限狀態(tài)機電路，通過將傳統(tǒng)由可編程邏輯單元構成的電路，轉(zhuǎn)化為受冗余校驗編碼保

5、護的電路加以實現(xiàn)，從而使得FPGA中有限狀態(tài)機電路對空間輻射的抵抗能力明顯提高，進而提高了可重構星載計算機整體的可靠性。接下來提出了一種用于NPC問題求解，能夠支持非CNF格式輸入的改進型GSAT算法，并將其應用于FPGA的永久性故障電路修復，從而有效解決了FPGA的永久性輻射損傷將直接導致可重構星載計算機整體失效的問題。該算法所需的計算量較小，內(nèi)存占用量也較少，能夠適用于計算能力與硬件資源受限的星上環(huán)境。
　　針對傳統(tǒng)數(shù)學仿真在

6、可重構星載計算機設計中存在的局限性，基于Matlab/Simulink與Modelsim建立了一種跨學科數(shù)字化協(xié)同仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了可重構星載計算機硬件電路在控制系統(tǒng)中數(shù)字化的仿真驗證?；趩屋S氣浮轉(zhuǎn)臺構建了可重構星載計算機在回路中的半物理仿真驗證環(huán)境，針對某型號微小型航天器的實際需求，設計實現(xiàn)了可重構星載計算機工程樣機，并對工程樣機的計算能力、閉環(huán)控制效果與錯誤應對機制等方面進行了半物理的仿真驗證。仿真結構顯示所設計的可重構星載計算機工