CN106933692A - 一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统及故障处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统及故障处理方法，本发明涉及基于处理器阵列的星载计算机设计方法。本发明为了解决现有技术处理能力不强、无法运行复杂的软件、经常出现跑飞、复位等故障现象的问题。本发明包括：用于完成星载计算任务的处理器阵列模块；用于为处理器阵列模块提供数据存储和外部通信功能的公用资源模块；用于为处理器阵列模块和公用资源模块之间提供数据交互通道并识别处理器阵列模块中的故障处理器的调度管理模块。本发明通过故障处理器的自主恢复保障系统运行连续性，通过处理器连接多个处理器组成处理器阵列，实现系统计算能力的进一步扩展。本发明用于星载计算机设计领域。

Description

一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统及故障处理 方法
技术领域
本发明涉及基于处理器阵列的星载计算机设计方法。
背景技术
星载计算机是指运行在航天器中的中心计算机，该计算机承担卫星部件管理、数据管理、任务管理、姿态控制等功能，是航天器的重要组成部分，其可靠性及性能直接影响整个航天器的性能及可靠运行。
目前，星载计算机通常采用具有抗辐射指标的高等级处理器，以抵抗复杂的空间运行环境，同时采用双备份体系结构，进一步增强系统可靠性。这种处理器虽然抗辐照指标较高，但是处理能力不强(通常不超过100MIPS)，无法运行复杂的软件。同时，某些微小卫星的星载计算机采用低等级处理器，虽然处理能力得到提升，但是由于抗辐照能力不足，在轨经常出现跑飞、复位等故障现象，影响了飞行任务的正常运行。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术处理能力不强、无法运行复杂的软件、经常出现跑飞、复位等故障现象的问题，而提出一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统及故障处理方法。
一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统包括：
用于完成星载计算任务的处理器阵列模块；
用于为处理器阵列模块提供数据存储和外部通信功能的公用资源模块；
用于为处理器阵列模块和公用资源模块之间提供数据交互通道并识别处理器阵列模块中的故障处理器的调度管理模块。
一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统的故障处理方法包括以下步骤：
步骤一：星载计算机启动后，进行计算任务的数据输入，每个处理器的输入数据由其他处理器或外部输入给出；
步骤二：由处理器管理单元对处理器进行任务分配；
步骤三：根据步骤二的任务分配处理器执行计算任务；
步骤四：得到计算任务的输出数据，即计算结果。
本发明的有益效果为：
(1)实现了由多个低等级高性能处理器组成高可靠、高性能星载计算系统。
(2)通过处理器间软件功能冗余保证系统运行可靠性。
(3)通过故障处理器的自主恢复保障系统运行连续性。
(4)通过处理器连接多个处理器组成处理器阵列，实现系统计算能力的进一步扩展。
计算能力：若系统采用10个500MIPS处理能力的处理器，即使单处理器能力也是高等级处理器的5倍，考虑通信引起的计算损耗(假设为50％)，再考虑处理器故障情况(假设同一时间有两个处理器故障)，则系统计算能力为500×(10-2)×50％＝2000MIPS，为高等级处理器的200倍。
可靠性提升：假设单处理器可靠性为0.5(实际远大于该值)，则10个处理器并行计算的可靠性为1-(1-0.5)10＝0.999，满足在轨可靠运行。
附图说明
图1是本发明系统示意图；
图2是计算任务外部输出示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统包括：
用于完成星载计算任务的处理器阵列模块；
用于为处理器阵列模块提供数据存储和外部通信功能的公用资源模块；
用于为处理器阵列模块和公用资源模块之间提供数据交互通道并识别处理器阵列模块中的故障处理器的调度管理模块。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述处理器阵列模块由N个处理器组成，其中N≥3，处理器之间通过处理器总线连接。
处理器是由高性能处理器为核心构成的最小运算单元，用来实现高性能运算，同时每个处理器单元均可单独配电、复位；处理器之间通过处理器总线连接，用来实现处理器单元之间的数据共享。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述公用资源模块包括：
用于为处理器提供程序存储及数据存储的存储器模块；
用于为星载计算机系统与外部组件提供连接接口的对外接口模块。如CAN、1553B等系统总线接口。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述调度管理模块包括：
用于通过数据总线连接处理器阵列模块中的处理器，同时连接公用资源模块，为公用资源模块和处理器阵列模块之间提供数据交互通道的数据转发单元模块；
用于为处理器阵列模块中的处理器进行任务分配，并接收处理器的仲裁结果，识别处理器阵列中故障处理器的处理器管理单元模块。
处理器管理单元为处理器阵列模块中的各个处理器进行任务分配，健康运行状态，并对故障处理器进行故障处理与恢复。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统的故障处理方法包括以下步骤：
步骤一：星载计算机启动后，进行计算任务的数据输入，每个处理器的输入数据由其他处理器或外部输入给出；
步骤二：由处理器管理单元对处理器进行任务分配；资源调度模块完成对处理器阵列的任务分配，使每个处理器需承担系统分配的一个或多个计算任务，且同一个计算任务由三个处理器同时承担，计算任务的输入数据由其他处理器或外部输入给出。
步骤三：根据步骤二的任务分配处理器执行计算任务；
步骤四：得到计算任务的输出数据，即计算结果。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤一中进行计算任务的数据输入的具体过程为：
当处理器的输入数据由外部输入给出时，通过对外接口由数据转发单元传输给处理器；
当处理器的输入数据由其他处理器给出时，处理器之间通过处理器总线直接进行数据传输。
其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：所述步骤二中由处理器管理单元对处理器进行任务分配的具体过程为：
处理器管理单元分配给每个处理器n个计算任务，n≥1；1个计算任务由3个处理器同时进行计算；且两个相关的计算任务不分配到同一个处理器中。
其它步骤及参数与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：所述步骤三中根据步骤二的任务分配处理器执行计算任务的具体过程为：
若计算任务的输入数据由外部给出，则处理器直接执行计算任务；
若计算任务的输入数据由其他处理器给出，该处理器需获取三个不同的处理器给出的输入数据，并执行三取二仲裁，输入的三份数据中至少两份一致的数据，若存在一组数据和其他两组数据不同，则判定给出该组数据的处理器，即为处理器故障。
其它步骤及参数与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：所述步骤四中得到计算任务的输出数据具体为：
若计算任务的输入数据由其他处理器给出，仲裁结果和计算结果输入到处理器总线上，通过数据转发单元将仲裁结果传输到处理器管理单元，识别故障处理器；当处理器管理单元确定故障处理器后，将故障处理器的计算任务重新分配给其他处理器，并控制故障处理器复位或断电；
计算结果若需要外部输出(如图2所示)，则处理器管理单元接收三份不同处理器给出的数据并通过数据转发单元和对外接口对数据进行外部数据输出，使其从故障状态中恢复。
其它步骤及参数与具体实施方式五至八之一相同。

Claims (9)

1.一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统，其特征在于：所述航天器星载计算机系统包括：
用于完成星载计算任务的处理器阵列模块；
用于为处理器阵列模块提供数据存储和外部通信功能的公用资源模块；
用于为处理器阵列模块和公用资源模块之间提供数据交互通道并识别处理器阵列模块中的故障处理器的调度管理模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统，其特征在于：所述处理器阵列模块由N个处理器组成，其中N≥3，处理器之间通过处理器总线连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统，其特征在于：所述公用资源模块包括：
用于为处理器提供程序存储及数据存储的存储器模块；
用于为星载计算机系统与外部组件提供连接接口的对外接口模块。
4.根据权利要求3所述的一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统，其特征在于：所述调度管理模块包括：
用于通过数据总线连接处理器阵列模块中的处理器，同时连接公用资源模块，为公用资源模块和处理器阵列模块之间提供数据交互通道的数据转发单元模块；
用于为处理器阵列模块中的处理器进行任务分配，并接收处理器的仲裁结果，识别处理器阵列中故障处理器的处理器管理单元模块。
5.一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统的故障处理方法，其特征在于：所述基于处理器阵列的航天器星载计算机系统的故障处理方法的具体过程为：
步骤一：星载计算机启动后，进行计算任务的数据输入，每个处理器的输入数据由其他处理器或外部输入给出；
步骤二：由处理器管理单元对处理器进行任务分配；
步骤三：根据步骤二的任务分配处理器执行计算任务；
步骤四：得到计算任务的输出数据，即计算结果。
6.根据权利要求5所述的一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统的故障处理方法，其特征在于：所述步骤一中进行计算任务的数据输入的具体过程为：
当处理器的输入数据由外部输入给出时，通过对外接口由数据转发单元传输给处理器；
当处理器的输入数据由其他处理器给出时，处理器之间通过处理器总线直接进行数据传输。
7.根据权利要求6所述的一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统的故障处理方法，其特征在于：所述步骤二中由处理器管理单元对处理器进行任务分配的具体过程为：
处理器管理单元分配给每个处理器n个计算任务，n≥1；1个计算任务由3个处理器同时进行计算；且两个相关的计算任务不分配到同一个处理器中。
8.根据权利要求7所述的一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统的故障处理方法，其特征在于：所述步骤三中根据步骤二的任务分配处理器执行计算任务的具体过程为：
若计算任务的输入数据由外部给出，则处理器直接执行计算任务；
若计算任务的输入数据由其他处理器给出，该处理器需获取三个不同的处理器给出的输入数据，并执行三取二仲裁，输入的三份数据中至少两份一致的数据，若存在一组数据和其他两组数据不同，则判定给出该组数据的处理器，即为处理器故障。
9.根据权利要求8所述的一种基于处理器阵列的航天器星载计算机系统的故障处理方法，其特征在于：所述步骤四中得到计算任务的输出数据具体为：
若计算任务的输入数据由其他处理器给出，仲裁结果和计算结果输入到处理器总线上，通过数据转发单元将仲裁结果传输到处理器管理单元，识别故障处理器；当处理器管理单元确定故障处理器后，将故障处理器的计算任务重新分配给其他处理器，并控制故障处理器复位或断电；
计算结果若需要外部输出，则处理器管理单元接收三份不同处理器给出的数据并通过数据转发单元和对外接口对数据进行外部数据输出。
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