CN109634673A - 星载电子系统管理控制设备 - Google Patents

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李典
贾明权
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Abstract

本发明公开的一种星载电子系统管理控制设备，旨在提供一种自主可控、计算资源调度灵活的管理控制设备。本发明通过下述技术方案予以实现：在硬件架构系统中，处理器龙芯3A外挂与用户交互的串口UART；输入输出系统BIOS、FLASH存储器通过LPC总线相连处理器龙芯3A；处理器龙芯3A通过DDR3内存分别连接对应的DDR3颗粒，通过HT总线连接桥片龙芯2H；桥片龙芯2H通过PHY控制器连接前兆网口来加载应用功能镜像，通过PCIE总线连接PCIE转RIO桥片运行ReWorks操作系统，解析基于包交换互联协议；输入输出系统BIOS、FLASH存储器通过LPC总线启动程序，完成桥片龙芯2H的PCIE总线协议到RIO总线协议的转换。

Description

星载电子系统管理控制设备
技术领域
本发明涉及一种用于星载综合化电子系统的硬件资源调度管理自主可控的星载电子系统管理控制设备。具体涉及该设备核心处理器芯片龙芯3A及在其上运行的Reworks操作系统。
技术背景
星载电子系统是卫星关键的平台系统之一，是整星信息流的处理核心。随着星载综合化电子系统的功能复杂度和多样性的提升，对综合化电子系统的多应用功能部署和计算资源的灵活调度的要求也越来越高。星载电子系统通过硬件模块化、软件模块化、对外接口的规范化与标准化，达到提高系统可靠性。星载电子系统是以管理控制计算机为系统的管理控制核心，采用标准总线通信接口协议的通信网络将星载电子设备互联，以实现卫星内部信息的共享与综合利用。在统一的任务调度和管理下，星载电子系统完成遥测遥控管理、姿轨控管理、星地数据链路管理、热控管理、时间管理、有效载荷管理、安全管理等功能。星载电子系统管理控制化设备作为星载综合化电子系统的一个重要组成部分，其中的核心处理器芯片和操作系统的国产化程度关系着国家的安全。为了提高星载电子系统信息管理、资源管理的能力，星载综合化电子系统基本上都是通过硬件功能模块化、软件功能模块化、接口标准化来实现电子系统的高可靠性设计。软件为嵌入于星载电子系统内的嵌入式系统软件，软件主要由VxWorks操作系统、板级支持包(BSP)、接口驱动、应用程序四大部分组成。VxWorks操作系统提供多任务调度管理、时钟管理、中断管理、存储器管理等功能，是其它软件运行的基础。板级支持包BSP(Board Support Packet)是介于底层硬件和上层软件之间的系统软件开发包，它主要用来屏蔽底层硬件，进行基本硬件系统的初始化和驱动，挂接外设的驱动程序，并管理系统外设。其中基本硬件系统的初始化包括CPU寄存器、RAM、ROM和定时器等的初始化，系统启动后的自检，保证处理器进入可运行状态。接口驱动完成设备各控制接口的初始化和驱动，驱动程序采用标准的VxWorks驱动程序规范进行开发，提供标准的驱动程序调用函数对各种外围接口进行操作。设备加电后系统软件开始运行工作，进行系统的初始化、系统自检、加载设备驱动程序，然后引导进入操作系统VxWorks，执行相应的应用软件任务。应用软件对星上各任务模块的运行进行高效可靠的管理和控制，监视卫星设备状态并协调整星工作：星务管理系统接收地面的遥控命令，对地面遥控命令数据进行译码、数据分析及分发；遥测模块采集卫星关键参数，对遥测数据进行存储、打包、组帧，当卫星经过地面站时通过通信系统发送到地面站；程控模块接收星箭分离信号，置星上零点，通过GPS置星上时间，执行程控操作；姿控模块：根据任务需求，采集、处理敏感器信息，对卫星实行姿控；数据管理功能：采集任务数据并存储；数传模块将任务数据传回地面。
目前综合化电子系统的系统管理控制设备上使用的处理器及其上搭载的操作系统均是国外厂家的产品。目前的综合化电子系统中的系统管理控制设备通常使用的核心芯片多为国外的处理器芯片，如美国飞思卡尔的PowerPC系列的处理器，以及适配国外处理器的操作系统，如VxWorks操作系统。采用国外的处理器芯片和操作系统不仅功耗较高，价格昂贵，而且存在供货风险和安全性问题。为了解决这些问题，以国产龙芯3A多核处理器为代表的高端芯片研发取得了明显进展。龙芯3A多核处理器是基于可伸缩的多核互连架构设计，在单个芯片上集成了多个高性能处理器核以及大量的2级Cache，还通过高速接口实现多芯片的互连以组成更大规模的系统。具备可靠性高、实时性强、安全性高和占用存储空间小的国产化实时嵌入式操作系统ReWorks，相关的应用软件也为国产化处理器推广添砖加瓦。ReWorks操作系统是一个运行在目标机上的高性能和可裁减的嵌入式实时操作系统(RTOS)。它是一项嵌入式的实时的操作体系，有着非常多的优势，比如裁剪性非常优秀，而且稳定性好，同时因为它具有非常优秀的安全性和实时特征，所以被大范围的应用到很多的领域里面，比如我国的通信行业以及医疗装置等等。其中包括如何按照功能进行任务划分、任务优先级的设置、任务间通信机制的选择、中断处理程序的编写、如何在多个处理器之间进行任务的分配和采取什么样的任务调度策略等关键技术。对于多项任务的划分以及分配和调度这三个要素来讲，它们本身是一个不可分割的综合体，其中最为关键的要素是划分。其中的任意要素设计不当的话都会干扰到整个体系的发展。
发明内容
本发明结合现有国内处理器芯片产业的发展成果，针对系统安全方面的考虑的目的，提供一种自主可控、计算资源调度灵活，基于龙芯3A和ReWorks操作系统的星载电子系统管理控制设备。
为达到上述发明目的，提出的基于龙芯3A和ReWorks操作系统的星载电子系统管理控制设备，包括连接处理器龙芯3A的桥片龙芯2H，实现龙芯3A高速总线接口HT总线到千兆网口和PCIE总线的扩展，由基本输入输出系统BIOS、FLASH存储器和双通道DDR3颗粒构成的硬件架构系统和软件架构系统，其特征在于：在硬件架构系统中，处理器龙芯3A外挂与用户交互的串口UART，显示星载电子系统管理控制设备的工作状态和操作系统工作状态，执行用户功能的部署命令；输入输出系统BIOS、FLASH存储器通过LPC总线相连处理器龙芯3A；处理器龙芯3A通过双倍数据率同步动态随机存取存储器DDR3内存CH0和DDR3内存CH1分别连接对应的DDR3颗粒，通过HT总线连接桥片龙芯2H；桥片龙芯2H通过以太网PHY控制器连接前兆网口来加载应用功能镜像，通过PCIE总线连接PCIE转RIO桥片运行ReWorks操作系统，解析基于包交换互联协议RapidIO；输入输出系统BIOS、FLASH存储器通过LPC总线启动程序，完成桥片龙芯2H的PCIE总线协议到RIO总线协议的转换。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
自主可控。本发明采用连接处理器龙芯3A的桥片龙芯2H，实现龙芯3A高速总线接口HT总线的扩展，实现处理器龙芯3A的HT总线到千兆网口和PCIE总线的扩展，基本输入输出系统BIOS、FLASH存储器和双通道DDR3颗粒构成的硬件架构系统电路组成和操作系统和软件架构系统，完全自主可控。
多应用功能的部署和计算资源调度灵活。本发明采用输入输出系统BIOS、FLASH存储器通过LPC总线相连处理器龙芯3A；处理器龙芯3A通过DDR3内存CH0和DDR3内存CH1分别连接对应的DDR3颗粒，通过HT总线连接桥片龙芯2H；桥片龙芯2H通过PHY控制器连接前兆网口来加载应用功能镜像，通过PCIE总线连接PCIE转RIO桥片运行行ReWorks操作系统和基于包交换互联协议RapidIO的解析；输入输出系统BIOS、FLASH存储器通过LPC总线启动程序，完成桥片龙芯2H的PCIE总线协议到RIO总线协议的转换。通过系统的硬件模块化、软件模块化、接口规范化与标准化，将不同应用功能下的构件组合部署到物理平台上不同模块上的不同处理器上，提高了系统可靠性。针对有些特定的应用功能经过构件组合后直接部署到特定的处理器上，有一些通用的应用功能经过构件组合后可以部署到多个通用的处理器上，运行在星载系统管理控制国产化设备处理器龙芯3A上的Reworks操作系统多个应用功能对应的应用功能线程的调度、配置和管理，可实现对硬件平台层处理器计算资源的灵活调用。
本发明基于国产化自主可控芯片和国产化操作系统，实现对星载综合化电子系统的计算资源的灵活调度和多应用功能的部署，特别应用于对国产化要求高的星载综合化电子系统中。
附图说明
为了更清楚地理解本发明，参照本发明实施过程和附图，来描述本发明，其中：
图1是本发明星载电子系统管理控制设备的硬件架构系统框图。
图2是本发明星载电子系统管理控制设备的软件架构系统功能部署框架示意图。
图3是Reworks的体系结构示意图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，星载综合化电子系统包括硬：件架构系统和软件架构系统。连接处理器龙芯3A的桥片龙芯2H，实现处理器龙芯3A的HT(HyperTransport)总线到千兆网口和PCIE(PCI-Express)总线的扩展，处理器龙芯3A外挂串口UART(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter)、BIOS(BasicInput/OutputSystem)FLASH和双通道DDR3颗粒，组成星载系统管理控制国产化设备的核心硬件架构。处理器龙芯3A外挂的串口UART用于和用户的交互，显示星载系统管理控制国产化设备的工作状态和操作系统工作状态，执行用户功能的部署命令；通过LPC总线与处理器龙芯3A相连的BIOSFLASH存储处理器龙芯3A的启动程序；通过DDR3CH0和DDR3CH1连接的DDR3颗粒运行操作系统，解析基于包交换互联协议RapidIO；通过PHY控制器连接的前兆网口来实现应用功能镜像的加载；通过PCIE转RIO(RapidIO)桥片完成连接于桥片龙芯2H的PCIE总线协议到RIO总线协议的转换。
处理器龙芯3A上的Reworks操作系统多个应用功能对应的应用功能线程的调度、配置和管理，可实现对硬件平台层处理器计算资源的灵活调用。
LPC(Low Pin Count)是基于intel标准的33MHz时钟频率4bits位宽的并行总线协议。PCIE(peripheral component interconnect express)是一种高速串行计算机扩展总线标准，它原来的名称为“3GIO”，是由intel在2001年提出的，旨在替代旧的PCI，PCI-X和AGP总线标准。PCIE属于高速串行点对点双通道高带宽传输，所连接的设备分配独享通道带宽，不共享总线带宽，主要支持主动电源管理，错误报告，端对端的可靠性传输，热插拔以及服务质量(QOS)等功能。PCIE总线与PCI总线不同，PCIE总线使用端到端的连接方式，在一个PCIE链路的两端只能各连接一个设备，这两个设备互为是数据发送端和数据接收端。PCIE总线除了总线链路外，还具有多个层次，发送端发送数据时将通过这些层次，而接收端接收数据时也使用这些层次。PCIE总线使用的层次结构与网络协议栈较为类似。PCIE转RIO(RapidIO)桥片的映射引擎实现PCIE接口到RIO接口地址转换(PC2SR)和RIO接口到PCIE接口地址转换(SR2PC)。PC2SR包含8个本地地址映射窗，每个地址窗包含8个域，可以将地址窗空间转换为8个RapidIO地址段。该地址窗命中并转换为相应RapidIO地址的RapidIO数据包，实现CPU主控RapidIO数据包或维护包读写。以太网PHY控制器是物理层接口控制芯片，把数据转换成可以在网线上传输的信号的控制芯片。是把二进制的位流转化为电信号或者光信号的芯片。
参阅图2。软件架构系统的多功能部署框架分为包含若干个应用功能的应用层、构件层和物理平台层，每个应用功能的具体实现由构件层的若干构件组合而成，构件与构件之间存在着关联关系。应用层包含若干个应用功能，如应用功能1、应用功能2、应用功能3等，这些应用功能之间存在着关联关系；每个应用功能的具体实现由构件层的若干构件组合而成，构件与构件之间存在着关联关系；在星载电子系统中，应用功能具体指任务管理应用功能、通信应用功能、信息融合应用功能等，其中，应用功能1、应用功能2、应用功能3可以是任务管理应用功能、通信应用功能、信息融合应用功能的其中的至少一个。
本实施例采用的应用层上的应用功能和构件层上的构件均为三个，如应用功能1、应用功能2、应用功能3。每个不同应用功能下应用层对应构件层的多个构件，其中，应用功能1、应用功能2和应用功能3对应的构件1、构件2、构件3通过星载系统管理控制设备组合部署到物理平台层的不同模块上，有一些通用的应用功能经过构件组合后部署到多个通用的处理器上，有些特定的应用功能经过构件组合后直接部署到特定的处理器上。
与处理器相关联的链路端口和构件层中的双逻辑端口存在着固定的对应关系，映射着构件之间的数据交互通信。设置在应用层上的应用功能对应构件层并且联接构件1、构件2和构件3，每个构件通过双逻辑端口连接物理平台层上的链路端口和平行排列在物理平台层上的每个通用功能模块设置的处理器，其中，设置在通用功能模块1、通用功能模块2…通用功能模块n上的处理器芯片都与链路端口相连，并且每个通用功能模块都设有与链路端口相连的处理器A、处理器B、处理器C或处理器D。通用功能模块主要由数字信号处理器DSP(digital signal processor)、现场可编程门阵列FPGA(Field－Programmable GateArray)或PPC(Power PC微处理器)等计算单元组成的通用计算模块，完成星载系统中数据处理功能或信号处理功能。PowerPC是一种RISC架构的CPU，其基本的设计源自IBM的POWER(Performance Optimized With Enhanced RISC的缩写)架构，是由IBM、Motorola和Apple联合开发的高性能32位和64位RISC微处理器系列。
运行在星载系统管理控制化设备处理器龙芯3A上的Reworks操作系统对多个应用功能对应的应用功能线程的调度、配置和管理，同时实现对硬件平台层处理器计算资源的灵活调用。
参阅图3。Reworks操作系统体系结构分为BSP程序框架、核心层和用户层三部分，BSP程序框架提供与龙芯3A系列处理器相连的外围设备的底层驱动程序，核心层采用微内核技术提供单调速率管理、错误管理、系统扩展、任务通讯管理、内存管理单元MMU/Linux内核中文件Cache管理、定时器管理、构件化管理、中断管理、时钟管理、基本存储管理和任务管理等功能，支持基于分区的时空域保护功能，支持域内和域间的两级调度。用户层靠近核心层支持文件系统、图形引擎、用户扩展、通讯协议、I/O框架和设备管理。用户接口层作为用户层保护域应用和核心层之间的中间件，支持图形、RT-CORBA(Real Time-CommonObject Request Broker Architecture)、J2ME三种中间件，同时支持ReWorks操作系统、可移植操作系统接口POSIX(Portable Operating System Interface)、VxWorks操作系统和图形用户接口GUI(Graphical User Interface)。J2ME(Java 2Micro Edition)是SUN公司推出的在移动设备上运行的微型版Java平台，包括虚拟机和一系列标准化的Java API。内存管理单元MMU是Memory Management Unit的缩写，是中央处理器CPU中用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权，多用户多进程操作系统。Cache类属于字典类(键-值对)，其根据一定的规则存储用户需要的数据，这些数据的类型不受限制，缓存的数据可以是字符串，数组，数据表，自定义类等等。Cache对缓存对象的编辑类，其操作包括缓存的增删改。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种星载电子系统管理控制设备，包括连接处理器龙芯3A的桥片龙芯2H，实现龙芯3A高速总线接口HT总线到千兆网口和PCIE总线的扩展，由基本输入输出系统BIOS、FLASH存储器和双通道DDR3颗粒构成的硬件架构系统和软件架构系统，其特征在于：在硬件架构系统中，处理器龙芯3A外挂与用户交互的串口UART，显示星载电子系统管理控制设备的工作状态和操作系统工作状态，执行用户功能的部署命令；输入输出系统BIOS、FLASH存储器通过LPC总线相连处理器龙芯3A；处理器龙芯3A通过双倍数据率同步动态随机存取存储器DDR3内存CH0和DDR3内存CH1分别连接对应的DDR3颗粒，通过HT总线连接桥片龙芯2H；桥片龙芯2H通过以太网PHY控制器连接前兆网口来加载应用功能镜像，通过PCIE总线连接PCIE转RIO桥片运行ReWorks操作系统，解析基于包交换互联协议RapidIO；输入输出系统BIOS、FLASH存储器通过LPC总线启动程序，完成桥片龙芯2H的PCIE总线协议到RIO总线协议的转换。
2.如权利要求1所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：软件架构系统的多功能部署框架分为包含若干个应用功能的应用层、构件层和物理平台层，每个应用功能的具体实现由构件层的若干构件组合而成，构件与构件之间存在着关联关系。
3.如权利要求2所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：应用层包含了应用功能1、应用功能2、应用功能3等，在星载电子系统中，应用功能具体指任务管理应用功能、通信应用功能、信息融合应用功能等。
4.如权利要求3所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：每个不同应用功能下应用层对应构件层的多个构件，其中，应用功能1、应用功能2和应用功能3对应的构件1、构件2、构件3通过星载系统管理控制设备组合部署到物理平台层的不同模块上，有一些通用的应用功能经过构件组合后部署到多个通用的处理器上，有些特定的应用功能经过构件组合后直接部署到特定的处理器上。
5.如权利要求4所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：与处理器相关联的链路端口和构件层中的双逻辑端口存在着固定的对应关系，映射着构件之间的数据交互通信。
6.如权利要求2所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：设置在应用层上的应用功能对应构件层并且联接构件1、构件2和构件3，每个构件通过双逻辑端口连接物理平台层上的链路端口。
7.如权利要求1所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：Reworks操作系统体系结构分为BSP程序框架、核心层和用户层三部分，BSP程序框架提供与龙芯3A系列处理器相连的外围设备的底层驱动程序，核心层采用微内核技术提供单调速率管理、错误管理、系统扩展、任务通讯管理、内存管理单元MMU/Cache管理、定时器管理、构件化管理、中断管理、时钟管理、基本存储管理和任务管理功能，支持基于分区的时空域保护功能，支持域内和域间的两级调度。
8.如权利要求7所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：用户层靠近核心层支持文件系统、图形引擎、用户扩展、通讯协议、I/O框架和设备管理。
9.如权利要求8所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：用户接口层作为用户层保护域应用和核心层之间的中间件，支持图形、RT-CORBA、J2ME三种中间件，同时支持ReWorks操作系统、可移植操作系统接口POSIX、VxWorks操作系统和图形用户接口GUI。
10.如权利要求1所述的星载电子系统管理控制设备，其特征在于：设置在应用层上的应用功能对应构件层并且联接构件1、构件2和构件3，每个构件通过双逻辑端口连接物理平台层上的链路端口和平行排列在物理平台层上的每个通用功能模块设置的处理器，其中，设置在通用功能模块1、通用功能模块2…通用功能模块n上的处理器芯片都与链路端口相连，并且每个通用功能模块都设有与链路端口相连的处理器A、处理器B、处理器C或处理器D，并由所述通用功能模块完成星载系统中数据处理功能或信号处理功能，通用功能模块为数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA或微处理器Power PC其中的至少一种计算单元组成的。
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Application publication date: 20190416

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