CN102708012B - 一种并行处理的双机容错星上处理系统 - Google Patents
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Abstract
一种并行处理的双机容错星上处理系统，包括图像预处理器、链路选通器、图像检测与识别器、卫星数据管理器、时钟单元、看门狗、电源管理和图像处理样本存储区；本发明在实现处理并行化的同时，保证了处理性能的最大化，并且将双机容错结构应用于微处理器间，从而保证整个系统的可靠性。相比星上传统单处理器结构，本发明解决了CPU间状态不易同步的问题，降低了用于维护处理器同步状态的系统资源，并利用流水并行的方式，提高了整个系统的处理性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种并行处理的双机容错星上处理系统，主要用于星上相机原始图像的高速并行处理，并利用双机容错结构在保证高性能处理的可靠性。
背景技术
星载计算机是卫星综合电子系统的控制和管理中心，承担着卫星姿态与轨道控制、卫星星务管理、有效载荷数据管理与处理等任务，是卫星控制的中心，其重要性不言而喻。而且星载系统要在恶劣的空间环境中长时间可靠运行，所以高可靠性设计成为系统设计的关键。由于星上处理系统对于系统的可靠性有严格要求，因此通常在星上处理系统实现采用冗余设计，来保证系统可靠性。冗余技术是一种典型的容错技术，利用系统中存在的冗余部件来接替故障部件的工作，达到故障屏蔽的目的。冗余技术也称为故障屏蔽技术，可分为静态冗余技术和动态冗余技术两种：
静态冗余技术在模块出现故障时，使用系统内的冗余模块接替故障模块的工作，达到屏蔽故障、提高系统容错能力的目的。这种技术主要用于核电站等可靠性要求极高且在一段时间内既要保持连续运行又无法修理的地方。但静态冗余只是单纯的容忍故障，且故障容忍能力受到本身静态冗余配置的限制。也就是说故障模块继续存在于系统中，使得系统的可靠性越来越低，当冗余资源因故障积累而耗尽时，部件发生故障必然使系统失效。因此，人们提出了动态冗余的思想，使系统的容错能力进一步提高。
动态冗余技术是综合运用静态冗余技术，故障检测、诊断和处理技术来达到更强容错能力的一种综合容错技术。动态体现在作为系统正常资源的冗余模块数随检测到的故障数变化。系统在正常状态下以标准模块配置进行工作，一旦检测出故障就进行处理和恢复，从而消除故障的影响，达到容错的目的。
在动态冗余技术中，双机热备份是星上处理系统中常用的冗余技术。双机热备份是指在正常运行时，两机都加电而其中一机(A)正常工作，另外一机(B)定时检测并得到A的工作状态，当A出现故障时，B恢复A的状态并接替其工作。双工热备份是指正常时两机都工作，对输入作相同的处理，但处理的过程可能不同，输出应该是相同的，这样两机同时互为备份，即双模冗余。
通常在星上处理系统中的双机热备份都是应用在CPU间，即处理系统采用多核CPU架构，而这种结构存在处理器间状态不易同步的问题，同时由于所有处理都是以CPU为处理核心，很多处理环节不能得到优化，因此这种架构通常以牺牲系统资源的方式来换取系统的性能和可靠性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种并行处理的双机容错星上处理系统，将双机热备架构应用于微处理器间，解决了处理器间状态不易同步及单处理器进行图像处理时资源利用不足的问题。
本发明的技术解决方案是：一种并行处理的双机容错星上处理系统，包括图像预处理器(1)、链路选通器(2)、图像检测与识别器(3)、卫星数据管理器(4)、时钟单元(5)、看门狗(6)、电源管理(7)和图像处理样本存储区(8)；
图像预处理器(1)采用了两片FPGA实现双机容错结构，即主备份结构，分别与星上相机及链路选通器(2)相连；每片FPGA对相机原始图像数据进行预处理，预处理包括辐射校正和几何校正，预处理后得到1级图像数据送至链路选通器(2)；
链路选通器(2)连接图像预处理器(1)、图像检测与识别器(3)和卫星数据管理器(4)的IO或外部总线，实现三者之间的通信；对图像预处理器(1)、图像检测与识别器(3)和卫星数据管理器(4)的配置存储器进行数据回读、数据校验和数据修复，对1级图像数据进行拆分和解析得到状态数据和载荷数据，所述载荷数据是指相机拍摄的图像数据，除载荷数据外的辅助信息数据为状态数据；将状态数据送至卫星数据管理器(4)，载荷数据作为2级图像数据送至图像检测与识别器(3)；接收看门狗(6)反馈信号，完成对各可编程芯片的复位；管理电源模块(7)；
图像检测与识别器(3)采用两片DSP实现双机容错结构，即主备份结构，分别与链路选通器(2)相连接；对链路选通器(2)传递的2级图像数据中的无效数据进行剔除，并将剔除后的数据回传给链路选通器(2)用于后续的数据存储处理；所述无效数据是指被云层或沙雾所遮掩的图像数据；
卫星数据管理器(4)与链路选通器(2)和图像处理样本存储区(8)相连接；根据地面卫星遥控指令做出相应操作，所述相应操作包括管理图像预处理器(1)、图像检测与识别器(3)和图像处理样本存储区(8)，配置整个系统运行模式，检测图像预处理器(1)和图像检测与识别器(3)的工作状态，当出现异常时控制图像预处理器(1)和图像检测与识别器(3)进行主备份切换；将链路选通器(2)传来的剔除后的2级图像数据存储至图像处理样本存储区(8)；
时钟单元(5)分别与图像预处理器(1)、链路选通器(2)、图像检测与识别器(3)、卫星数据管理器(4)、看门狗(6)和图像处理样本存储区(8)相连接，用于为上述各部件提供系统时钟；
看门狗(6)与链路选通器(2)相连，当整个系统出现异常时，通过监测的故障信号，将其故障信息传递到链路选通器(2)；
电源管理(7)分别与图像预处理器(1)、链路选通器(2)、图像检测与识别器(3)、卫星数据管理器(4)、时钟单元(5)、看门狗(6)和图像处理样本存储区(8)相连，负责给整个处理系统供电，也可通过链路选通器(2)获取上述各个部件的电源状态；
图像处理样本存储区(8)与卫星数据管理器(4)相连，用于存储卫星数据管理器处理后的最终数据；
相机原始图像数据首先经过图像预处理器(1)的预处理形成1级图像数据送至链路选通器(2)，链路选通器(2)对1级图像数据进行解析和拆分，得到状态数据和载荷数据，将状态数据送至卫星数据管理器(4)，载荷数据形成2级图像数据送至图像检测与识别器(3)；图像检测与识别器(3)对2级图像数据进行筛选和识别，去除其中的无效数据后将数据回传至链路选通器(2)中，链路选通器(2)将数据送至卫星数据管理器(4)，卫星数据管理器(4)控制图像处理样本存储区中FLASH存储芯片，完成数据的存储；在处理过程中任何一个微处理器，即图像预处理器(1)或图像检测与识别器(3)发生故障时，卫星数据管理器(4)从链路选通器(2)获取看门狗(6)反馈的故障信息，控制链路选通器(2)将故障微处理器中的数据传递到备份微处理器上，其中另外一个微处理器即可接管其当前所处理的任务，实现所述微处理器间的任务状态同步。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用异构并行处理结构，针对星上图像处理的不同处理环节，选用相匹配的微处理器，使得每个处理环节得到最优的处理，并将双机热备架构应用于微处理器间，从而解决处理器间状态不易同步的问题，使星上处理能力大大提高，实现空间星上高速并行处理。
(2)本发明通过将双机热备架构应用于微处理器中，解决了传统CPU间状态不易同步的问题，并降低了用于维护处理器同步状态的系统资源。
附图说明
图1为本发明并行处理的双机容错星上处理结构的组成框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括图像预处理器1、链路选通器2、图像检测与识别器3、卫星数据管理器4、时钟单元5、看门狗6、电源管理7和图像处理样本存储区8。
图像预处理器1采用了两片Xilinx公司的宇航级FPGA XQR2V6000，分别与星上相机及链路选通器2相连；每个预处理器采用16对高速LVDS差分对与链路选通器相连，保证了两者间200MB/s数据带宽；每片FPGA对相机原始图像数据进行预处理，预处理包括辐射校正和几何校正，预处理后得到1级图像数据送至链路选通器2；
链路选通器2采用了ACTEL公司的反熔丝FPGAA1010A，连接图像预处理器1、图像检测与识别器3和卫星数据管理器4的IO或外部总线，链路选通器2与图像检测以及卫星数据管理器4采用了高速互联总线RapidlO保证了后端处理设备间充足的数据链路带宽；对1级图像数据进行拆分和解析得到状态数据和载荷数据，状态数据送至卫星数据管理器4，载荷数据作为2级图像数据送至图像检测与识别器3；利用串行传输接口SPI接收看门狗6反馈信号，完成对各可编程芯片的复位；通过并行接口I2C管理电源模块7；
图像检测与识别器3采用两片ADI公司的ADSP-BF535，分别与链路选通器2相连接；对链路选通器2传递的2级图像数据中的无效数据进行剔除，并将剔除后的数据回传给链路选通器2用于后续的数据存储处理；
卫星数据管理器4采用了Lockheed公司的PowerPC RAD750，该芯片系统主频可达166MHz，并集成了存储器控制接口用于实现对图像处理样本存储区8中的FLASH存储控制，与链路选通器2和图像处理样本存储区8相连接；利用芯片内集成的高速互联总线RapidlO实现链路选通器2间的高速数据传输，用于实现根据地面卫星遥控指令做出相应操作，所述相应操作包括管理图像预处理器1、图像检测与识别器3和图像处理样本存储区8，配置整个系统运行模式，检测图像预处理器1和图像检测与识别器3的工作状态，当出现异常时控制图像预处理器1和图像检测与识别器3进行主备份切换；将链路选通器2传来的剔除后的2级图像数据存储至图像处理样本存储区8；
时钟单元5由于多款DDS、PLL芯片构成，可实现不同时钟频率的生成，为图像预处理器1、链路选通器2、图像检测与识别器3、卫星数据管理器4、看门狗6和图像处理样本存储区8提供系统时钟；
看门狗6采用SPI总线与链路选通器2相连，同时监测多个状态信号，当整个系统出现异常时，通过状态信号的故障指示控制链路选通器2完成对图像预处理器1、图像检测与识别器3、卫星数据管理器4和图像处理样本存储区8的故障复位；
电源管理7由多款电源模块构成以I2C总线与链路选通器2相连，每个模块提供低功耗模式，当系统处于空闲期时可进入低功耗状态，从而降低系统的功耗；
图像处理样本存储区8采用了多片反粒子翻转的FLASH，用于存储卫星数据管理器处理后的最终数据。
当处理过程中图像预处理器1出现故障时，看门狗6监测到故障信号产生故障反馈信号到链路选通器2，链路选通器2将故障反馈信号传递到卫星数据管理器4中，卫星数据管理器4将图像预处理器1连接的数据通路切换至备份图像预处理器1，即1级图像数据的输入通路切换至备份图像预处理器1的输出上，完成图像预处理器1的双机备份；当图像检测与识别器3出现故障时，看门狗6监测到故障信号产生故障反馈信号到链路选通器2，链路选通器2将故障反馈信号传递到卫星数据管理器4中，卫星数据管理器4读取当前故障图像检测与识别器3中待处理的数据，并将其传输到备份图像检测与识别器3中，同时切换链路，将链路选通器2的2级图像数据输出连接至备份图像检测与识别器3，完成图像检测与识别器3的双机备份。
总之，相比星上传统单处理器结构，本发明解决了CPU间状态不易同步的问题，降低了用于维护处理器同步状态的系统资源，并利用流水并行的方式，提高了整个系统的处理性能。
本发明已在实际仿真中进行测试，性能以及测试结果良好，具有可行性，达到发明目的和效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。
Claims (3)
1.一种并行处理的双机容错星上处理系统，其特征在于：包括图像预处理器(1)、链路选通器(2)、图像检测与识别器(3)、卫星数据管理器(4)、时钟单元(5)、看门狗(6)、电源管理(7)和图像处理样本存储区(8)；
图像预处理器(1)采用了两片FPGA实现双机容错结构，即主备份结构，分别与星上相机及链路选通器(2)相连；每片FPGA对相机原始图像数据进行预处理，预处理包括辐射校正和几何校正，预处理后得到1级图像数据送至链路选通器(2)；
链路选通器(2)连接图像预处理器(1)、图像检测与识别器(3)和卫星数据管理器(4)的IO或外部总线，实现三者之间的通信；对图像预处理器(1)、图像检测与识别器(3)和卫星数据管理器(4)的配置存储器进行数据回读、数据校验和数据修复，对1级图像数据进行拆分和解析得到状态数据和载荷数据，所述载荷数据是指相机拍摄的图像数据，除载荷数据外的辅助信息数据为状态数据；将状态数据送至卫星数据管理器(4)，载荷数据作为2级图像数据送至图像检测与识别器(3)；接收看门狗(6)反馈信号，完成对各可编程芯片的复位；管理电源模块(7)；
图像检测与识别器(3)采用两片DSP实现双机容错结构，即主备份结构，分别与链路选通器(2)相连接；对链路选通器(2)传递的2级图像数据中的无效数据进行剔除，并将剔除后的数据回传给链路选通器(2)用于后续的数据存储处理；所述无效数据是指被云层或沙雾所遮掩的图像数据；
卫星数据管理器(4)与链路选通器(2)和图像处理样本存储区(8)相连接；根据地面卫星遥控指令做出相应操作，所述相应操作包括管理图像预处理器(1)、图像检测与识别器(3)和图像处理样本存储区(8)，配置整个系统运行模式，检测图像预处理器(1)和图像检测与识别器(3)的工作状态，当出现异常时控制图像预处理器(1)和图像检测与识别器(3)进行主备份切换；将链路选通器(2)传来的剔除后的2级图像数据存储至图像处理样本存储区(8)；
时钟单元(5)分别与图像预处理器(1)、链路选通器(2)、图像检测与识别器(3)、卫星数据管理器(4)、看门狗(6)和图像处理样本存储区(8)相连接，用于为上述各部件提供系统时钟；
看门狗(6)与链路选通器(2)相连，当整个系统出现异常时，通过监测的故障信号，将其故障信息传递到链路选通器(2)；
电源管理(7)分别与图像预处理器(1)、链路选通器(2)、图像检测与识别器(3)、卫星数据管理器(4)、时钟单元(5)、看门狗(6)和图像处理样本存储区(8)相连，负责给整个处理系统供电，也可通过链路选通器(2)获取上述各个部件的电源状态；
图像处理样本存储区(8)与卫星数据管理器(4)相连，用于存储卫星数据管理器处理后的最终数据；
相机原始图像数据首先经过图像预处理器(1)的预处理形成1级图像数据送至链路选通器(2)，链路选通器(2)对1级图像数据进行解析和拆分，得到状态数据和载荷数据，将状态数据送至卫星数据管理器(4)，载荷数据形成2级图像数据送至图像检测与识别器(3)；图像检测与识别器(3)对2级图像数据进行筛选和识别，去除其中的无效数据后将数据回传至链路选通器(2)中，链路选通器(2)将数据送至卫星数据管理器(4)，卫星数据管理器(4)控制图像处理样本存储区中FLASH存储芯片，完成数据的存储；在处理过程中任何一个微处理器，即图像预处理器(1)或图像检测与识别器(3)发生故障时，卫星数据管理器(4)从链路选通器(2)获取看门狗(6)反馈的故障信息，控制链路选通器(2)将故障微处理器中的数据传递到备份微处理器上，其中另外一个微处理器即可接管其当前所处理的任务，实现所述微处理器间的任务状态同步。
2.根据权利要求1所述的并行处理的双机容错星上处理系统，其特征在于：所述卫星数据管理器(4)采用两片Lockheed公司的PowerPC RAD750双机热备结构，即主备份结构。
3.根据权利要求1所述的并行处理的双机容错星上处理系统，其特征在于：所述链路选通器(2)采用一片ACTEL公司的反熔丝FPGAA1010A。
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