一种高可靠的工业级星载计算机及其引导设计

传统星载计算机通常采用价格昂贵的高质量等级CPU和存储器芯片,用于保证系统的可靠性;因制造成本和研制周期等方面的限制,商业卫星计算机更倾向于采用商业现货器件(COTS),但其可靠性和安全性会随之降低;采用工业级SmartFusion2处理器芯片,提出一种低成本的星载计算机最小系统架构,并通过工业级存储器异构备份的方式,显著提高系统可靠性;在星载计算机软件设计中,应用软件会采用三模冗余的方式提高可靠性,但引导软件往往只有单份;为了避免引导软件的单节点故障效应,针对SmartFusio2星载计算机架构,提出一种基于多TMR副本的片外启动方法,此启动方法可进一步提高工业级星载计算机的可靠性和安全性,并成功用于多个型号商业卫星。     

嵌入式高可靠星务管理软件设计与验证

针对某型号小卫星在空间飞行可能面临的硬件和软件故障,设计星载计算机星务管理软件,分析其可靠性。该星载计算机采用双机冗余设计,使用双机通信保持主备份机切换时的系统运行状态,通过软件可靠性技术实现空间环境下部分硬件暂态错误的容错。空间飞行测试结果证明该星务管理软件安全可靠,使卫星完成了预定的任务。     

基于调试支持单元的星载控制计算机软故障恢复设计

软故障恢复设计对提高星载控制计算机系统可靠性非常重要，尤其在通信、遥感等长期空间任务中。星载控制计算机处理器模块（PM）采用了软故障恢复设计，而输入输出模块（IOP）未采用。提出了一种基于软件调试支持单元的IOP故障检测和恢复方法，该方法利用IOP的软件可定义特性，通过PM对IOP进行调试，实现其内存恢复和程序存储器刷新等，从而完成IOP的故障恢复。该设计已应用到通信、遥感等长期任务的星载控制计算机中。地面试验和分析结果表明，该恢复设计可覆盖绝大部分软故障及部分硬故障，具有较高的可靠性，可以应用于星载控制计算机的在轨故障修复。     

高可靠性智能容错网络设计与实现

普通容错网络存在初始启动时间长、切换延时大、部分故障无法处理等缺点,导致可靠性降低;利用设备冗余原理,提出一种高可靠性智能容错网络设计方案,设计了智能双冗余交换机和双冗余网卡及相关驱动软件;结果表明此方案可成功实现网络冗余切换,有效缩短初始启动时间和切换延时并能处理绝大部分故障,提高通信网络的可靠性;本容错网络方案已应用于某军用系统。     

嵌入式星载计算机故障注入系统

空间环境中影响嵌入式星载计算机的主要因素包括温度、湿度、气压、光照、电磁干扰和空间高能粒子的辐射等;随着我国空间探测事业的发展,人们对星载系统可靠性的要求越来越高;容错技术是提高星载计算机系统可靠性的重要方法,为保证容错设计的正确性和容错机制的效率,需要采用辅助的技术对容错系统进行验证;故障注入技术是评测星载计算机容错机制的一种有效方法。     

双模冗余器载计算机设计与实现

器载计算机是航天器电气系统的重要组成部分,其可靠性对航天器能否完成任务至关重要。为了保证航天器上计算机在出现故障时仍能正常工作,对双机冗余器载计算机的体系结构、切换策略、判别准则等内容进行了研究,在保留主份机与双机切换电路、备份机与双机切换电路之间的状态工作信号的基础上,通过在主份机、备份机之间新增加一个状态工作信号,提出了一种改进的自主切换策略。实践表明,运用改进的自主切换策略,在双机切换电路中的自主切换模块出现故障时仍能实现自主切换,同时将比较器设计为软件,采用软件表决、软件选通的思路,消除了硬件比较器的关键单点故障,这些容错设计改进能有效地提高器载计算机系统的可靠性,对高可靠器载计算机设计与实现具有较好的工程参考意义。     

基于看门狗的星载计算机五级保护系统设计

小卫星要求星载计算机可靠性高、重量轻、体积小、功耗低。针对探测小卫星（ Ｓ Ｅ Ｓ） 的特殊性,我们设计了用８０３８６ 芯片作处理器的星载计算机（ Ｓ Ｃ Ｓ） 系统。由于 Ｓ Ｃ Ｓ 的设计尽量少用硬件冗余,我们采用多级看门狗电路保证星载系统的可靠性,看门狗也用最少的硬件及软件实现。看门狗提供了五级保护措施,根据故障严重程度,保护级别逐步升级。在处理器或存储器出现软、硬件故障后,包括出现单粒子翻转（ Ｓ Ｅ Ｕ） 或死锁现象后,不同看门狗启动不同保护措施,使系统恢复正常。     

基于PXI总线技术的星载计算机性能测试系统研究

CX-1星务系统采用一体化设计方式,所有单机和分系统都与星载计算机直接相连,接受星载计算机的管理和控制;分系统或单机之间的信息交换必须经过星载计算机,因此,在设计过程中尽可能地提高星载计算机系统的可靠性就成为主要目标之一;为保证星载计算机的可靠性,在卫星的设计和研制过程中,对星载计算机的电气性能测试占据十分重要的地位;从分析星载计算机电气性能测试的需求出发,介绍了基于虚拟仪器技术的星载计算机测试系统的基本功能、硬件配置、软件设计等,给出了系统测试原理与测试结果;通过实际对星载计算机的测试试验,利用该系统测试星载计算机的性能可以实现故障的快速定位.     

适于核心路由器主控系统的容错设计方案

采用硬件冗余和软件容错相结合、热备与双工相结合的工作方式代替传统的容错热备份方式,提出了一种适于核心路由器主控系统的容错设计方案.分析了主控容错系统设计中的基本问题,并针对这些问题提出了了该容错系统的具体实现方案.测试结果表明,采用了该设计方案的主控软件系统具有很好的容错性能和故障恢复能力,能够满足核心路由器对主控软件系统的高可用性要求.     

航空火控计算机的容错技术分析

可靠性是航空火控系统主要指标,而容错技术是提高航空火控系统可靠性的重要途径。本文根据可靠性原理和容错技术,分析了容错技术在火控系统中的应用,并用实际火控系统：飞机军械检测系统、平显自检系统,分别分析了故障检测技术、屏蔽技术和动态冗余技术,最后对火控计算机实现容错式硬件和容错软件进行了分析和研究。     

创新一号小卫星星载计算机控制系统设计

对创新一号小卫星的星载计算机系统的设计进行了介绍，作为我国第一颗重量在100kg以下的小卫星，创新一号星载计算机采用了多项国内首次使用的新技术，经过一年的飞行测试验证，证明了卫星计算机系统的安全可靠，该文就星载计算机系统的主要特点和采用的可靠性设计技术进行了较深入的研究，反映了创新一号星载计算机系统所获得的主要成绩。     

Evaluation of process controller fault tolerance using simulation

The paper presents a study of several alternatives of a fault-tolerant process controller design. We compare controller architectures based on different amount of hardware redundancy with those using time redundancy. The system behaviour is evaluated by means of a process-oriented simulation model enabling software injection of faults. As an overall measure of controller design quality (which includes both performance and reliability) we use the numerical error of the output. The results obtained on the model are used to show the dependence of the output error upon the relative speed of computation and upon the rate of faults damaging the data. Thus for every set of parameters, a system configuration which gives the best results, can be determined.     

空间DSP加载系统可靠性设计

在空间环境中,长时间运行的空间飞行器信息处理系统存储器容易发生单粒子翻转现象(SEU),而单粒子翻转现象是导致空间飞行器失效的主要原因之一。基于此,通过分析SEU现象对不同类型存储器的影响,阐述SEU现象对加载可靠性的影响。通过重新设计加载系统结构,并引入三模冗余、检纠错编码和定时刷新FLASH存储器的方法,降低系统加载时由于SEU而失败的概率,提高系统加载运行的可靠性。     

基于DSP的实时目标特征提取算法

在空间环境中,长时间运行的空间飞行器信息处理系统存储器容易发生单粒子翻转现象(SEU),而单粒子翻转现象是导致空间飞行器失效的主要原因之一。基于此,通过分析SEU现象对不同类型存储器的影响,阐述SEU现象对加载可靠性的影响。通过重新设计加载系统结构,并引入三模冗余、检纠错编码和定时刷新FLASH存储器的方法,降低系统加载时由于SEU而失败的概率,提高系统加载运行的可靠性。     

计算机系统容错技术研究

针对计算机系统中软、硬件可靠性问题的不同特点,讨论容错技术的最新发展现状,分析计算机系统中的各种容错方法,包括传统的冗余设计、错误回卷恢复机制以及当前研究较多的一般化容错设计方法等,研究目前已有的一些容错方法在反应延迟、容错成本、精确量化、异构同步、可靠性建模等方面存在的缺陷以及待解决关键问题,并对如何进一步更好地完善和使用这些容错方法进行总结。     

实时嵌入式容错系统的关键技术研究

简要回顾了容错技术的发展过程并分析了不同故障模型下系统的客错方式.对于瞬时故障、间歇性故障的容错可采用软件冗余方法,在实时嵌入式系统中采用软件容错时必须考虑任务的可调度性;而永久性故障则采用硬件冗余方法来解决.在此基础上,描述了一种实时双机嵌入式容错系统的模型,研究了构建容错系统需要解决的双机同步、故障检测及仲裁切换等关键问题和相应的解决方法.     

基于RISC-V处理器的固件更新系统设计

为简化嵌入式开发人员更新RISC-V处理器固件的操作流程,提出了一种易操作、高效且稳定的固件更新系统设计方法,包括BootROM引导流程设计和在应用中编程（in-application programming,IAP）设计。在BootROM引导流程设计中,通过启动参数再配置的方法,可使此引导流程兼容多种启动模式,如SRAM启动、主内存启动。在IAP设计中,处理器先通过通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter,UART）接收从上位机发送过来的新固件,该固件采用Ymodem协议发送,再通过串行外设接口（serial peripheral interface,SPI）进行片外Flash的重新烧写,以完成对系统固件的更新,同时,为保证接收新固件的可靠性,加入了循环冗余校验（cyclic redundancy check,CRC）算法。在现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA）上对该系统进行了多次测试,均完成了对系统固件的更新,验证了该设计的可行性与稳定性。     

四级阶梯式软件可靠性设计方法研究

介绍了软件错误、软件缺陷、软件故障和软件失效的演变过程,提出了相应的四级阶梯式软件可靠性设计方法,即避错设计、查错设计、纠错设计和容错设计方法。该方法从软件错误的产生到失效的演变过程出发,强调尽早地截断软件错误,使其不向更严重的方向发展。该方法可以从根源上提高应用软件的可靠性。     

基于模块入口出口地址的PC指针跑飞拦截技术

计算机控制系统软件可靠性设计是系统可靠性设计关键环节之一,是硬件系统可靠性设计的必要补充.在简要介绍PC指针"跑飞"成因及其后果基础上,分析了指令冗余、软件陷阱等传统软件可靠性设计方法的优缺点,提出了基于模块入口与出口地址的PC指针跑飞拦截技术,阐述了这一方式的拦截原理,给出了具体的实现方法及拦截效果实验数据.实践表明该拦截方式较彻底地解决了PC指针"跑飞"带来的计算机控制系统可靠性问题,从而进一步完善了计算机控制系统软件可靠性设计技术.     

一种应用于SpaceWire路由器动态部分重构的容错技术

为满足航天器有效载荷间高速数据多路传输未来发展和空间抗辐射的需求,研究了一种应用于SpaceWire路由器动态部分重构的容错技术。在SpaceWire总线标准网络层分析的基础上,对cell矩阵无阻塞路由增添HanMing编码实现纠一检二,当检测出大于一个错误不能纠正时,采用局部重构的方式对有误的单个cell单元进行三重冗余重构,同时采用Partition Pin来代替传统的总线宏作为静态模块和动态模块的传输枢纽,并对容错前后路由器的资源和延时时间进行了评估和比较。实验结果表明,比将整个路由cell矩阵三模冗余,该方法能够节约硬件资源和减少延迟时间。