CN109189500A - 星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法及系统 - Google Patents

星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法及系统，首先在星载计算机在上电后检测卫星星箭分离端口的状态，然后当卫星在轨时，星载计算机进入应用软件引导加载态，当卫星处于地面研制阶段时，若地面测试串口有进入下载存储态命令字符输入，则进行下载存储态，当星载计算机连续设定时间内处于下载存储态时，使星载计算机复位，若星载计算机未监视到地面测试串口输入的进入下载存储态命令字符，则进入应用软件引导加载态，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载。

Description

星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法及系统
技术领域
本发明涉及一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法。
背景技术
星载计算机一般使用PROM作为程序存储器来装载星载嵌入式软件。在星载软件的开发过程中，往往先使用EPROM替代PROM，将星载软件写入EPROM进行调试和测试，软件的烧写往往使用专用的存储器烧写工具，在软件已装机的情况下进行软件的更新则往往要先对星载计算机进行拆机，取出EPROM再进行新软件的烧写，过程复杂。
软件版本升级固定后在航天器产品研制的软件固化环节将最终的软件烧写到PROM中，软件将不再具有可更改性，不利于后续软件功能的升级更新以及对未发现的软件BUG的修改。
随着卫星功能需求的增加，应用程序规模会越来越大，对于长寿命高可靠性航天器来说，PROM依然是最可靠的程序存储器，但如果全部程序都采用PROM进行存储，则单机成本会增加，而且宇航用PROM体积较大，不利于星载综合电子系统往小而精的方向布局布线。
目前，可重写的非易失性存储器(如EEPROM、FLASH)其空间抗辐照指标已有显著提高，作为数据存储器或备用的程序存储器，其使用也得到了在轨验证。通过三区存储、三取二读取的方式可最大可能防止EEPROM、FLASH等可重写的非易失性存储器的存储单元异常，使其作为主程序存储器使用。
星载计算机一般具有的基本特征为：可通过串口与设备通信，能访问存储器，能检测星箭分离状态，有硬件看门狗电路等。其架构结构具有普遍性，使用EEPROM或FLASH作为程序存储器，在此基础上构建一种在任何场景下，既能支持应用软件的下载存储，又能支持应用软件的自动引导加载的方法将对星载计算机软件的研制流程、在轨维护、星上综合电子系统的设计产生积极影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，解决了现有技术的不足，具有超时退出性，无论在轨和地面，使用的串口通信出现何种异常，都能通过不同的路线完成硬件复位使程序重新运行，防止应用软件无法完成引导加载。
本发明的技术解决方案是：星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，包括如下步骤：
(1)星载计算机在上电后，检测卫星星箭分离端口的状态，如果星箭已分离，则卫星在轨，转入步骤(2)，如果星箭未分离，则卫星处于地面研制阶段，转入步骤(3)；
(2)当卫星在轨时，星载计算机进入应用软件引导加载态，从星载计算机的非易失性存储器中读取应用软件并送至SRAM的程序入口点，从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载；
(3)当卫星处于地面研制阶段时，星载计算机监视地面测试串口的输入信息，若地面测试串口有进入下载存储态命令字符输入，则根据进入下载存储态命令字符进行下载存储态，格式化星载计算机的非易失性存储器，下载应用软件BIN文件到SRAM，写入BIN文件到指定的应用软件存储区，跳转执行SRAM中的应用软件；
(4)如果星载计算机连续设定时间内处于下载存储态，则使星载计算机复位；所述的下载存储态包括格式化星载计算机的非易失性存储器，下载应用软件BIN文件到SRAM，写入BIN文件到指定的应用软件存储区，跳转执行SRAM中的应用软件；
(5)如果星载计算机未监视到地面测试串口输入的进入下载存储态命令字符，则进入应用软件引导加载态，从星载计算机的非易失性存储器中读取出应用软件到SRAM中的程序入口点处，并从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载。
所述的步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)按最大1s的间隔喂星载计算机的硬件看门狗，其中，当超过1s未喂星载计算机的硬件看门狗时，星载计算机复位。
所述的星载计算机的非易失性存储器为应用软件程序存储区。
所述的步骤(3)中星载计算机当卫星处于地面研制阶段时在上电后10s内监视地面测试串口的输入信息。
所述的步骤(4)的连续设定时间为5min。
所述的步骤(5)中判断星载计算机未监视到地面测试串口输入的进入下载存储态命令字符为10s内。
所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求6任一所述方法的步骤。
星载计算机应用软件的下载存储与引导加载系统，包括星箭分离检测模块、应用软件引导加载态模块、下载存储态模块，其中：
星箭分离检测模块，在星载计算机在上电后，检测卫星星箭分离端口的状态；
当卫星在轨时，星载计算机进入应用软件引导加载态，应用软件引导加载态模块从星载计算机的非易失性存储器中读取应用软件并送至SRAM的程序入口点，从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载；其中，星载计算机的非易失性存储器为应用软件程序存储区；
当卫星在地面研制阶段时，星载计算机在上电后监视地面测试串口的输入信息，若地面测试串口有“进入下载存储态”命令字符输入，下载存储态模块格式化星载计算机的非易失性存储器、下载应用软件BIN文件到SRAM、写入BIN文件到指定的应用软件存储区、跳转执行SRAM中的应用软件，如果星载计算机连续5分钟内处于下载存储态，则使星载计算机复位；如果星载计算机未监视到地面测试串口输入的进入下载存储态命令字符，则进入应用软件引导加载态，应用软件引导加载态模块从星载计算机的非易失性存储器中读取出应用软件到SRAM中的程序入口点处，并从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载。
所述的应用软件引导加载态模块从星载计算机的非易失性存储器中读取出应用软件到SRAM中的程序入口点处为三取二读取。
所述的星箭分离检测模块在星载计算机在上电后，检测卫星星箭分离端口的状态为通过检测星箭分离接口处的压点开关判断设备是否处于在轨。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明与现有技术相比，能够检测航天器是否已发射在轨，在单机研制阶段和AIT阶段能通过串口现场将应用软件下载存储到应用软件存储区，下载速度快、耗时小、软件更新简单及时；在轨时，能够直接开始应用软件的引导加载，不占用硬件设备的切机复位时长，应用软件引导加载到SRAM中后在SRAM中运行，与程序存储区完全分离，能支持应用软件在轨预留接口通过星地测控通道修改或升级更新存储在应用软件程序存储区中的内容；
(2)本发明方法与现有技术相比，具有超时退出性，无论在轨和地面，该方法使用的串口通信出现何种异常，都能通过不同的路线完成硬件复位使程序重新运行，防止应用软件无法完成引导加载；
(3)本发明方法与现有技术相比，对于某个架构的星载计算机可生成固定无需更改的软件，作为标准化的产品使用，做到与型号应用相分离，便于星载计算机软件的设计和调试。
附图说明
图1为本发明中星载计算机构成基本结构图；
图2为本发明的星载计算机应用软件BIN文件下载协议；
图3为依据本发明方法实例化实现的软件流程图；
图4为本发明方法的功能流程图。
具体实施方式
本发明与现有技术相比，能够检测航天器是否已发射在轨，在单机研制阶段和AIT阶段能通过串口现场将应用软件下载存储到应用软件存储区，下载速度快、耗时小、软件更新简单及时；在轨时，能够直接开始应用软件的引导加载，不占用硬件设备的切机复位时长，应用软件引导加载到SRAM中后在SRAM中运行，与程序存储区完全分离，能支持应用软件在轨预留接口通过星地测控通道修改或升级更新存储在应用软件程序存储区中的内容。如图4所示为本发明方法的功能流程图。
一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，包括如下步骤：
(1)星载计算机在上电后，检测卫星星箭分离端口的状态，如果星箭已分离，则卫星在轨，转入步骤(2)，如果星箭未分离，则卫星在地面研制阶段，转入步骤(3)；
(2)当卫星在轨时，星载计算机进入应用软件引导加载态，从星载计算机的非易失性存储器中读取应用软件并送至SRAM的程序入口点，从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载；其中，星载计算机的非易失性存储器为应用软件程序存储区；
(3)当卫星在地面研制阶段时，星载计算机在上电后10s内监视地面测试串口的输入信息，若地面测试串口有“进入下载存储态”命令字符输入，则星载计算机处于下载存储态，下载存储态具有的功能为：格式化星载计算机的非易失性存储器、下载应用软件BIN文件到SRAM、写入BIN文件到指定的应用软件存储区、跳转执行SRAM中的应用软件；
(4)如果星载计算机连续5分钟内处于下载存储态，则使星载计算机复位；
(5)如果星载计算机10s内未监视到地面测试串口输入的“进入下载存储态”命令字符，则进入应用软件引导加载态，从星载计算机的非易失性存储器中读取出应用软件到SRAM中的程序入口点处，并从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载；
(6)步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)按最大1s的间隔喂星载计算机的硬件看门狗，其中，当超过1s未喂星载计算机的硬件看门狗时，星载计算机复位.下面结合附图对本发明方法进行详细的解释和说明。
一、星载计算机：
如图1所示，为本发明方法所适用的星载计算机的最小硬件构成图。其中SRAM是程序运行空间；非易失性存储器有2部分，即存储本方法所实现的软件的程序存储区和存储应用软件的程序存储区，其硬件载体一般是PROM、FLASH或EEPROM；星地通信接口指地面时可供与计算机进行交互的接口，如串口等；星上通信网接口是计算机参与整星信息联网的接口如CAN总线、1553B总线等；星箭分离接口一般是压点开关，CPU通过检测该开关状态来判断设备是否处于在轨；硬件看门狗如果在指定的时间内没有信号写入将给CPU提供复位信号。上电程序入口点是基于本方法实现的软件。
二、下载存储与引导加载软件设计
本方法可实例化为星载计算机的下载存储与引导加载软件和与该软件进行控制通信的上位机软件。上位机软件主要实现发送星载计算机应用软件BIN文件到星载计算机、发送“星载计算机转存应用软件”命令、发送“格式化存储器”命令等功能。星载计算机下载存储与引导加载软件完成应用软件BIN文件接收，依据命令存储在不同的存储空间上，对存储器进行格式化处理为即将更新的软件准备存储空间；检测到需要进行应用软件引导加载时将应用软件从存储器拷贝到SRAM中，并跳转到SRAM中应用软件入口点运行应用软件；检测到超时或异常，停止喂硬件看门狗，等待CPU复位等功能。
星载计算机的下载存储与引导加载软件的功能流程如图4所示，其运行过程为：上电程序启动后，首先检查星箭分离端口的状态，如果显示星箭已经分离，则认为该设备在轨，进入应用软件引导加载态，直接从应用软件程序存储区中通过三取二比对读取的方式将全部程序数据拷贝到SRAM中，然后程序指针PC将指向SRAM应用程序入口点，运行应用软件；如果应用软件三取二读取异常，表示存储器存储异常，进入5分钟指令等待时间，5分钟后将停止喂狗，CPU复位；如果程序存储器坏掉则程序将无法运行。如果显示星箭已经分离，则认为该设备在地面，可通过星地通信口，如串口查询输入信息，如果有“进入下载存储态”命令字符输入，则进入应用软件下载存储态，不管是否进入下载存储态，地面通信模式都只有5分钟的运行时间，5分钟后，将停止喂狗，CPU复位。
设备在地面能够进行星地通信时，可按照如表1所对应的字符指令，进行上位机和星载计算机的通信。进行BIN文件下载时，可按照图2所示的协议步骤进行BIN文件下载，主要流程是地址下载、文件大小下载、文件下载、文件校验下载等。
表1星地通信字符命令表
星载计算机下载存储与引导加载软件在协议控制层具有通用性，可形成标准的.C文件完成全部功能，使软件具有很好移植性和可读性；而依赖于CPU体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在汇编语言中，单独进行设计实现，以达到短小精悍的目的。因此，软件可分为stage1和stage2两部分。本软件的全部实现流程如图3所示，stage1包括硬件设备初始化、准备RAM空间、设置好堆栈、跳转到stage2的C入口点等功能；stage2包括检测系统内存映射(memory map)、检测星地通信口输入、执行引导加载态的内容、执行下载存储态的内容、清硬件看门狗等。
本发明在应用时主要分为2种工作场景，即用于地面进行星载计算机应用软件开发和测试，此时该方法不管是单机研制阶段还是AIT阶段，都能快速进行应用软件更新；用于在轨进行应用软件的引导和加载，此时做到确保应用软件能够安全可靠的引导加载。本发明可设计为标准化的产品，在不同体系结构CPU上使用该方法时只需对软件的stage1部分进行更改，可移植性强；本发明的实例化软件在RISC架构处理器上编译，可执行文件小于16K，在CISC架构处理器上编译，可执行文件小于8K，可以在1片PROM中存储；星载计算机在星载设备上的构成具有普遍性，可形成模块化的硬件产品。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)星载计算机在上电后，检测卫星星箭分离端口的状态，如果星箭已分离，则卫星在轨，转入步骤(2)，如果星箭未分离，则卫星处于地面研制阶段，转入步骤(3)；
(2)当卫星在轨时，星载计算机进入应用软件引导加载态，从星载计算机的非易失性存储器中读取应用软件并送至SRAM的程序入口点，从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载；
(3)当卫星处于地面研制阶段时，星载计算机监视地面测试串口的输入信息，若地面测试串口有进入下载存储态命令字符输入，则根据进入下载存储态命令字符进行下载存储态，格式化星载计算机的非易失性存储器，下载应用软件BIN文件到SRAM，写入BIN文件到指定的应用软件存储区，跳转执行SRAM中的应用软件；
(4)如果星载计算机连续设定时间内处于下载存储态，则使星载计算机复位；所述的下载存储态包括格式化星载计算机的非易失性存储器，下载应用软件BIN文件到SRAM，写入BIN文件到指定的应用软件存储区，跳转执行SRAM中的应用软件；
(5)如果星载计算机未监视到地面测试串口输入的进入下载存储态命令字符，则进入应用软件引导加载态，从星载计算机的非易失性存储器中读取出应用软件到SRAM中的程序入口点处，并从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载。
2.根据权利要求1所述的一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，其特征在于：所述的步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)按最大1s的间隔喂星载计算机的硬件看门狗，其中，当超过1s未喂星载计算机的硬件看门狗时，星载计算机复位。
3.根据权利要求1或2所述的一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，其特征在于：所述的星载计算机的非易失性存储器为应用软件程序存储区。
4.根据权利要求1或2所述的一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，其特征在于：所述的步骤(3)中星载计算机当卫星处于地面研制阶段时在上电后10s内监视地面测试串口的输入信息。
5.根据权利要求1或2所述的一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，其特征在于：所述的步骤(4)的连续设定时间为5min。
6.根据权利要求1或2所述的一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载方法，其特征在于：所述的步骤(5)中判断星载计算机未监视到地面测试串口输入的进入下载存储态命令字符为10s内。
7.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求6任一所述方法的步骤。
8.星载计算机应用软件的下载存储与引导加载系统，其特征在于包括星箭分离检测模块、应用软件引导加载态模块、下载存储态模块，其中：
星箭分离检测模块，在星载计算机在上电后，检测卫星星箭分离端口的状态；
当卫星在轨时，星载计算机进入应用软件引导加载态，应用软件引导加载态模块从星载计算机的非易失性存储器中读取应用软件并送至SRAM的程序入口点，从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载；其中，星载计算机的非易失性存储器为应用软件程序存储区；
当卫星在地面研制阶段时，星载计算机在上电后监视地面测试串口的输入信息，若地面测试串口有“进入下载存储态”命令字符输入，下载存储态模块格式化星载计算机的非易失性存储器、下载应用软件BIN文件到SRAM、写入BIN文件到指定的应用软件存储区、跳转执行SRAM中的应用软件，如果星载计算机连续5分钟内处于下载存储态，则使星载计算机复位；如果星载计算机未监视到地面测试串口输入的进入下载存储态命令字符，则进入应用软件引导加载态，应用软件引导加载态模块从星载计算机的非易失性存储器中读取出应用软件到SRAM中的程序入口点处，并从SRAM应用软件入口点处执行应用软件，完成星载计算机应用软件的下载存储与引导加载。
9.根据权利要求8所述的一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载系统，其特征在于：所述的应用软件引导加载态模块从星载计算机的非易失性存储器中读取出应用软件到SRAM中的程序入口点处为三取二读取。
10.根据权利要求8所述的一种星载计算机应用软件的下载存储与引导加载系统，其特征在于：所述的星箭分离检测模块在星载计算机在上电后，检测卫星星箭分离端口的状态为通过检测星箭分离接口处的压点开关判断设备是否处于在轨。
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