CN109783266B - 一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，看门狗模块经冷热启动标志模块依次与工作模式切换模块和EEPROM编程控制模块连接构成引导区的多模冗余与数据维护系统，多模冗余与数据维护系统通过控制总线与两只完全独立的EEPROM连接，利用空间计算机的冷热启动标志位、引导区片选信号、地址线进行逻辑组合，通过译码器产生两个片选信号，将译码器生成的两个片选信号分别与两只EEPROM的片选相连，实现选通EEPROM以及读写操作。本发明实现了空间计算机引导区在轨可重构和数据维护，一方面解决了传统计算机只能在有限的RAM区进行在轨维护而无法对引导区程序进行重构和维护的问题；另一方面解决了传统计算机在系统掉电后维护后的数据丢失问题。

Description

一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统

技术领域

本发明属于空间计算机技术领域，具体涉及一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统。

背景技术

卫星平台系统中，大多数空间计算机设计有程序引导区用于存储计算机的引导程序。引导程序负责完成两方面的任务，第一方面，完成处理器各类寄存器的配置和初始化，保证处理器可以正常启动运行，并实现对各I/O设备进行初始化；第二方面，实现对计算机关键部位的通信和控制，并对正常模式的相关区域尝试修复。

现有设计中，空间计算机引导区程序利用“一次可编程只读存储器（PROM）”存储引导程序。利用PROM存储程序存在两方面缺点：

（1）截至目前，未见同类器件，空间计算机使用的PROM器件均为进口器件；

（2）随着航天器技术的不断发展，PROM器件存储容量小、不可重构、无法维护等缺点不断被放大，无法满足卫星发展的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，解决引导区程序存储器件采购周期长、质量不受控等问题；以及引导区程序不可重构、无法维护等缺点。

本发明采用以下技术方案：

一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，包括看门狗模块、冷热启动标志模块、工作模式切换模块和EEPROM编程控制模块，看门狗模块经冷热启动标志模块依次与工作模式切换模块和EEPROM编程控制模块连接构成引导区的多模冗余与数据维护系统，多模冗余与数据维护系统通过控制总线与两只完全独立的EEPROM连接，利用空间计算机的冷热启动标志位、引导区片选信号、地址线进行逻辑组合，通过译码器产生两个片选信号，将译码器生成的两个片选信号分别与两只EEPROM的片选相连，实现选通EEPROM以及读写操作。

具体的，看门狗模块工作过程为：程序运行后看门狗模块开始计数；如果程序运行正常，CPU发出指令让看门狗模块复位，重新开始计数；如果看门狗模块溢出，产生狗咬信号，强制系统复位，进行系统重构。

具体的，看门狗模块为计数器/定时器，复位信号CLR在上电复位信号或软件喂狗信号或禁止看门狗信号有效时产生，计数器/定时器开始重新进行计数/定时；上电复位信号由硬件产生，软件喂狗信号由软件在程序的执行过程中产生对看门狗模块的复位信号。

具体的，冷热启动标志模块控制空间计算机在不同情况下从不同的EEPROM中加载引导程序，当冷启动时将冷热启动标志置为0，空间计算机从其中一只EEPROM中加载引导程序；当在轨出现故障触发看门狗模块导致复位或者接收到上位机发送的复位指令进行复位时将冷热启动标志置为1，则从另一只EEPROM中加载引导程序。

具体的，工作模式切换模块包括调试模式和正常模式，译码器的Y0引脚与位号为D1的EEPROM器件片选连接，Y4引脚与位号为D2的EEPROM器件片选连接，A0和A1引脚分别与地址线ADDR1和ADDR2连接，A2引脚经逻辑组合电路分别连接冷热启动标志和地址线ADDR3；G1引脚和-G2引脚经开关B与或门的一个输入端连接，所述输入端与地址线ADDR4连接；-G3引脚与或门的另一个输入端连接，所述输入端与ROMCS#连接；或门的输出端经开关A分两种状态，一种状态开关断开成悬空状态，另一种状态开关闭合与调试用EEPROM连接。

进一步的，调试模式具体为：系统上电或者热启动时，地址线ADDR4=0，利用开关A和B控制处理器从调试用EEPROM器件加载引导程序进行系统初始化，在完成初始化后，当ADDR4=1时，对空间计算机的在轨存储引导程序的EEPROM器件进行读写操作。

进一步的，正常模式具体为：系统上电时，地址线ADDR3=0，利用开关、冷热启动标志控制处理器从位号为D1的EEPROM加载引导程序进行初始化操作，初始化完成后将应用程序搬移到SRAM中运行，当地址线AADR3=1时对位号为D2的EEPROM中的程序进行维护。

更进一步的，当系统接收到指令复位或者发生狗咬而复位时，地址线AADR3=0，利用冷热启动标志的变化控制处理器从位号为D2的EEPROM加载引导程序进行初始化操作，初始化完成后将应用程序搬移到SRAM中运行，当地址线AADR3=1时对位号为D1的EEPROM中的程序进行维护。

具体的，EEPROM编程控制模块设置有EEPROM操作模式寄存器，在系统上电时默认读写数据模式；当CPU向EEPROM进行编程时，先对操作模式寄存器置1，进入写序列模式，完成写序列之后，再对该寄存器置0，进入读写数据模式，完成数据写入。

进一步的，处理器的数据总线宽度为32位，EEPROM为40位，当处理器对EEPROM进行写程序时，需要先写入由D（0：31）和D（0:7）组合而成的序列码，然后再写入由数据线D（0：31）和校验位CB（0：7）组成的40位数据；

当处理器对EEPROM进行读操作时，EEPROM直接提供由数据线D（0：31）和校验位CB（0：7）组成40位数据给处理器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，一方面，实现了引导区程序存储器件的采购周期和质量自主可控，缩短了空间计算机研制周期，提高产品履约率；另一方面，实现了引导区程序在轨可重构和数据维护，并且在数据维护任务完成后系统断电数据不会丢失，提高了空间计算机可靠性和功能多样性，对卫星平台电子系统的发展具有深远意义。

进一步的，看门狗模块一方面可以在当班机软件由于某些原因跑飞或者进入死循环后对系统进行复位，处理器完成复位后重新加载程序解除软件故障；另一方面可以在当班机硬件出现故障而无法恢复时生成备份单机加电信号，从而完成硬件重构，使得整星任务不受影响。

进一步的，冷热启动模块控制空间计算机在不同情况下从不同的EEPROM中加载程序，不仅实现了程序存储器冗余备份的功能，并且实现了软件在物理层的冗余备份，可以解决软件重构或者维护失败之后计算机无法正常工作的问题。

进一步的，工作模式切换模块控制计算机在调试模式与正常模式之间进行切换，解决了计算机在首次加电时因没有引导程序而无法正常启动的问题。

进一步的，EERPOM编程控制模块解决了EEPROM器件在写数据之前需要先写保护序列码的问题，计算机可以根据任务需求对EEPROM操作模式进行设置从而完成对EEPROM的访问。

综上所述，本发明实现了空间计算机引导区在轨可重构和数据维护，一方面解决了传统计算机只能在有限的RAM区进行在轨维护而无法对引导区程序进行重构和维护的问题；另一方面解决了传统计算机在系统掉电后维护后的数据丢失问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明看门狗原理设计框图；

图2为本发明冷热启动标志设计框图；

图3为本发明工作模式切换设计框图；

图4为本发明EEPROM编程控制设计框图；

图5为本发明引导区多模冗余与数据维护原理框图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，所述多模冗余与数据维护系统通过控制总线与两只完全独立的EEPROM连接；具体包括看门狗模块、冷热启动标志模块、工作模式切换模块和EEPROM编程控制模块，看门狗模块经冷热启动标志模块依次与工作模式切换模块和EEPROM编程控制模块连接，利用空间计算机的冷热启动标志位、引导区片选信号、地址线进行逻辑组合，通过译码器产生两个片选信号，将译码器生成两个片选信号分别与两只EEPROM的片选相连，实现是否选通EEPROM，是否对其进行读写操作，从而达到了引导区程序的多模冗余与在轨数据维护的目的。

1、看门狗模块

看门狗模块作为空间计算机防止软件走飞和硬件故障的可靠性保证措施，程序开始运行后看门狗模块开始计数；如果程序运行正常，在系统设定的时间内（不同的计算机系统可根据自身需求进行调整，本系统设定时间为2.0S）CPU发出指令让看门狗模块复位，重新开始计数；如果看门狗模块溢出，产生狗咬信号，强制系统复位，进行系统重构。另外，由于看门狗模块可以实现对部分电路的复位操作而不用对整个系统断电从而实现了对硬件电路的保护功能。

请参阅图1，禁止看门狗、上电复位以及软件喂狗指令通过与门进行组合，与门输出端分别与串行计数器54HC4060的清零端CLR连接，所述输出端与非门输入端连接，非门输出端与并出移位寄存器的清零端CLR连接；54HC4060的QN端与非门输入端连接，非门输出端与54HC164的时钟端CLK连接；54HC164的QA端输出第一次看门狗狗咬信号，QB端与非门输入端连接，非门输出端与或门其中一个输入端连接，QC端与所述或门另一个输入端连接，所述或门输出端输出第二次看门狗狗咬信号。

本发明中看门狗模块采用计数器/定时器，芯片为54HC4060，该芯片提供10路输出值，每路输出周期TQx=2xT，其中T=2.2R1*C1*，具体用哪路输出端需根据用户的具体需求来定。另外，如果用户对看门狗模块要求有N（N﹥1）次狗咬功能，计数器/定时器的输出端后级接54HC164进行计数，并通过组合逻辑电路根据要求输出N级狗咬信号。

计数器/定时器的复位信号CLR在上电复位信号或软件喂狗信号或禁止看门狗信号有效时产生，此时计数器/定时器开始重新进行计数/定时；上电复位信号由硬件产生，软件喂狗信号由软件在程序的执行过程中产生对看门狗模块的复位信号。禁止看门狗信号一般用于调试过程中，有时需要屏蔽看门狗电路的功能，因此需要增加禁止看门狗信号，该信号一般是由硬件产生。

2、冷热启动标志模块

请参阅图2，指令复位和看门狗狗咬分别连接与门的两个输入端，所述与门输出端与D触发器的时钟CLK管脚连接；上电复位与所述D触发器置零端CLR*连接；所述D触发器预置端和数据端D与系统电源VCC连接；所述D触发器Q端输出冷热启动标志信号。

空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统在设计上使用两只完全独立的EERPOM器件存储引导区程序。为达到多模冗余的目的，在不同情况下从不同EEPROM中加载引导程序，设计上采用冷热启动标志的变化来完成。

当冷启动（第一次加电）时将冷热启动标志置为0，空间计算机从其中一只EEPROM中加载引导程序；当在轨出现故障触发看门狗导致复位或者接收到上位机发送的复位指令进行复位时将冷热启动标志置为1，则从另一只EEPROM中加载引导程序。

3、工作模式切换模块

请参阅图3，译码器的Y0引脚与一只EEPROM器件的（位号为D1）的片选连接，Y4引脚与另一只EEPROM器件的（位号为D2）的片选连接，A2引脚经逻辑组合电路分别连接冷热启动标志和地址线ADDR3；G1引脚和-G2引脚经开关B与或门的一个输入端连接，所述输入端与地址线ADDR4连接；-G3引脚与或门的另一个输入端连接，所述输入端与ROMCS#连接；或门的输出端经开关A分两种状态，一种状态开关断开成悬空状态，另一种状态开关闭合与调试用EEPROM连接。

为了完成空间计算机地面调试以及引导区程序注入，设计了两种工作模式：调试模式和正常模式。

301、调试模式

系统上电（冷启动）或者热启动时，地址线ADDR4=0，利用开关A和B控制处理器从调试用EEPROM器件AT28C64加载引导程序进行系统初始化，在完成初始化后，当ADDR4=1时，可以对空间计算机的在轨存储引导程序的EEPROM器件（位号为D1和D2）进行读写操作；

302、正常模式

系统上电（冷启动）时，地址线AADR4=0，利用开关、冷热启动标志控制处理器从位号为D1的EEPROM加载引导程序进行初始化操作，初始化完成后将应用程序搬移到SRAM中运行，当地址线AADR4=1时可以对位号为D2的EEPROM中的程序进行维护；当系统接收到指令复位或者发生狗咬而复位时，地址线AADR4=0，利用冷热启动标志的变化控制处理器从位号为D2的EEPROM加载引导程序进行初始化操作，初始化完成后将应用程序搬移到SRAM中运行，当地址线AADR4=1时可以对位号为D1的EEPROM中的程序进行维护。

4、EEPROM编程控制模块

请参阅图4，数据总线的D（0:31）与缓冲器1一端相连，所述缓冲器1另一端与EEPROM数据接口的B_D（0：31）相连；数据总线的CB（0:6）与缓冲器2一端相连，所述缓冲器2另一端与EEPROM数据接口的E_CB（0:6）相连；数据总线的D（0:7）与缓冲器3一端相连，所述缓冲器3另一端也与EEPROM数据接口的E_CB（0:6）相连；操作模式寄存器数据和控制信号经过逻辑组合电路产生EN1和EN2，EN1和EN2分别与缓冲器2和缓冲器3的使能端连接。

EEPROM在写数据之前需要先写序列码，以数据总线宽度为32位的处理器和EEPROM为例，当处理器对EEPROM进行写程序时，先写入由D（0：31）组合而成的32位序列码；写序列码完成之后才能写入数据D（0:31）。

但是，部分处理器带有EDAC功能，在加载和编程引导区程序时带有EDAC校验码，加载和编程时的数据=原始数据+EDAC校验码；以数据总线宽度为32位的处理器和40位的EEPROM为例，当处理器对EEPROM进行写程序时，需要先写入由D（0：31）和D（0:7）组合而成的序列码，然后再写入由数据线D（0：31）和校验位CB（0：7）组成的40位数据；

当处理器对EEPROM进行读操作时，EEPROM直接提供由数据线D（0：31）和校验位CB（0：7）组成40位数据给处理器。

对于带有EDAC功能的处理器，为控制写序列码与读写数据模式之间数据总线的切换，需设置EEPROM操作模式寄存器。在系统上电时默认读写数据模式。当CPU向EEPROM进行编程时，先对操作模式寄存器置1，进入写序列模式，完成写序列之后，再对该寄存器置0，进入读写数据模式，完成数据写入。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

空间计算机在系统上电（冷启动）时，处理器将从位号为D1的EEPROM加载引导程序进行初始化操作，初始化完成后将应用程序搬移到SRAM中运行；当系统接收到指令复位或者发生狗咬而复位时，处理器将从位号为D2的EEPROM加载引导程序进行初始化操作，初始化完成后将应用程序搬移到SRAM中运行；当系统需要进行程序维护（即对EEPROM中存储的程序进行维护）时，首先CPU对EEPROM操作模式寄存器的D（0）置1，进入写序列模式，完成写序列之后，再对所述寄存器D（0）置0，进入校验模式，写入需要维护的程序，完成程序维护。

本发明一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，基于EEPROM的引导区程序多模冗余与数据维护技术在北斗导航组网卫星星载计算机、量子星务计算机、暗物质星务计算机等多台空间计算机中成功应用，并进行了飞行验证，效果良好。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，其特征在于，包括看门狗模块、冷热启动标志模块、工作模式切换模块和EEPROM编程控制模块，看门狗模块经冷热启动标志模块依次与工作模式切换模块和EEPROM编程控制模块连接构成引导区的多模冗余与数据维护系统，多模冗余与数据维护系统通过控制总线与两只完全独立的EEPROM连接，利用空间计算机的冷热启动标志位、引导区片选信号、地址线进行逻辑组合，通过译码器产生两个片选信号，将译码器生成的两个片选信号分别与两只EEPROM的片选相连，实现选通EEPROM以及读写操作；

看门狗模块工作过程为：程序运行后看门狗模块开始计数；如果程序运行正常，CPU发出指令让看门狗模块复位，重新开始计数；如果看门狗模块溢出，产生狗咬信号，强制系统复位，进行系统重构；

冷热启动标志模块控制空间计算机在不同情况下从不同的EEPROM中加载引导程序，当冷启动时将冷热启动标志置为0，空间计算机从其中一只EEPROM中加载引导程序；当在轨出现故障触发看门狗模块导致复位或者接收到上位机发送的复位指令进行复位时将冷热启动标志置为1，则从另一只EEPROM中加载引导程序；

工作模式切换模块包括调试模式和正常模式，译码器的Y0引脚与位号为D1的EEPROM器件片选连接，Y4引脚与位号为D2的EEPROM器件片选连接，A0和A1引脚分别与地址线ADDR1和ADDR2连接，A2引脚经逻辑组合电路分别连接冷热启动标志和地址线ADDR3；G1引脚和-G2引脚经开关B与或门的一个输入端连接，所述输入端与地址线ADDR4连接；-G3引脚与或门的另一个输入端连接，所述输入端与ROMCS#连接；或门的输出端经开关A分两种状态，一种状态开关断开成悬空状态，另一种状态开关闭合与调试用EEPROM连接；

EEPROM编程控制模块设置有EEPROM操作模式寄存器，在系统上电时默认读写数据模式；当CPU向EEPROM进行编程时，先对操作模式寄存器置1，进入写序列模式，完成写序列之后，再对该寄存器置0，进入读写数据模式，完成数据写入。

2.根据权利要求1所述的面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，其特征在于，看门狗模块为计数器/定时器，复位信号CLR在上电复位信号或软件喂狗信号或禁止看门狗信号有效时产生，计数器/定时器开始重新进行计数/定时；上电复位信号由硬件产生，软件喂狗信号由软件在程序的执行过程中产生对看门狗模块的复位信号。

3.根据权利要求1所述的面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，其特征在于，调试模式具体为：系统上电或者热启动时，地址线ADDR4＝0，利用开关A和B控制处理器从调试用EEPROM器件加载引导程序进行系统初始化，在完成初始化后，当ADDR4＝1时，对空间计算机的在轨存储引导程序的EEPROM器件进行读写操作。

4.根据权利要求1所述的面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，其特征在于，正常模式具体为：系统上电时，地址线ADDR3＝0，利用开关、冷热启动标志控制处理器从位号为D1的EEPROM加载引导程序进行初始化操作，初始化完成后将应用程序搬移到SRAM中运行，当地址线AADR3＝1时对位号为D2的EEPROM中的程序进行维护。

5.根据权利要求4所述的面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，其特征在于，当系统接收到指令复位或者发生狗咬而复位时，地址线AADR3＝0，利用冷热启动标志的变化控制处理器从位号为D2的EEPROM加载引导程序进行初始化操作，初始化完成后将应用程序搬移到SRAM中运行，当地址线AADR3＝1时对位号为D1的EEPROM中的程序进行维护。

6.根据权利要求1所述的面向空间计算机引导区的多模冗余与数据维护系统，其特征在于，处理器的数据总线宽度为32位，EEPROM为40位，当处理器对EEPROM进行写程序时，需要先写入由D(0：31)和D(0:7)组合而成的序列码，然后再写入由数据线D(0：31)和校验位CB(0：7)组成的40位数据；

当处理器对EEPROM进行读操作时，EEPROM直接提供由数据线D(0：31)和校验位CB(0：7)组成40位数据给处理器。

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