CN112131044A - 一种卫星用计算机应急系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种卫星用计算机应急系统及其方法，所述应急系统包括CPU主控模块以及与CPU主控模块相连的遥控FPGA模块、MRAM模块、SRAM模块和FLASH模块，遥控FPGA模块内存储引导程序，MRAM模块和FLASH模块内存储应用程序，SRAM模块为应用程序运行的实体；正常工作时，通过遥控FPGA模块实现CPU主控模块的启动引导，CPU主控模块运行后将FLASH模块中存储的应用程序搬移至SRAM模块中，应急工作时，CPU主控模块运行后将MRAM中存储的应用程序搬移至SRAM中。本方案系统进入应急模式后，可以依靠MRAM中的应用程序，无需地面干预，保证卫星计算机功能的正常运行，卫星系统的容错能力得到有效提升，具有更高实际应用价值。

Description

一种卫星用计算机应急系统及其方法
技术领域
本发明涉及卫星电子系统领域，具体涉及一种卫星用计算机应急系统及其方法。
背景技术
当卫星在轨出现故障导致部分系统功能降级或失效时，不能继续按照正常飞行模式工作，需进入应急飞行模式。与之类似，当星载计算机系统出现故障时，如存储器故障导致程序加载异常，需进入计算机系统的应急模式。
目前，卫星常用计算机系统应急模式是基于PROM存储器设计，如图1所示，在传统典型星载计算机系统中，PROM存储器中存放引导程序、FLASH存储器中存放应用程序、SRAM存储器是应用程序运行的实体。正常飞行模式下，CPU通过引导程序完成初始化工作，并将FLASH中的应用程序搬移到SRAM并运行。应急飞行模式下(FLASH故障)，CPU通过引导程序完成初始化工作，通过应用程序接收遥控FPGA发来的地面上注指令，校验后搬移到SRAM并运行，实现正常飞行模式到应急飞行模式的切换。
但是，这种模式存在以下缺陷：
(1)上注程序断电无法保存：
应急飞行模式下，由于存储器FLASH故障，上注应用程序只能存在于SRAM中，当断电后，由于SRAM的易失性，必须通过地面重新注入；
(2)容错能力不强：
应急飞行模式下，需通过地面重新注入，成功后系统方可降级在SRAM中工作，实际使用时，大部分卫星在轨可见弧段有限，导致无法实时注入软件，从系统层面，容错能力不高。
发明内容
本发明在满足现有任务需求的前提下，以提高应急模式的容错能力、降低系统成本为目的，提出一种卫星用计算机应急系统及其方法，在应急模式下，上注程序断电可保存、容错能力更强、成本更低。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种卫星用计算机应急系统，包括CPU主控模块以及与CPU主控模块相连的遥控FPGA模块、MRAM模块、SRAM模块和FLASH模块，所述遥控FPGA模块内存储引导程序，所述MRAM模块和FLASH模块内存储应用程序，SRAM模块为应用程序运行的实体；
正常工作时，通过遥控FPGA模块实现CPU主控模块的启动引导，CPU主控模块运行后将FLASH模块中存储的应用程序搬移至SRAM模块中，应用程序在SRAM中运行；
应急工作时，CPU主控模块完成上电复位，通过遥控FPGA模块中的硬件逻辑实现引导程序功能；CPU主控模块运行后，将MRAM中存储的应用程序搬移至SRAM中，应用程序在SRAM中运行。
进一步的，所述遥控FPGA模块采用反熔丝型。
本发明另外还提出一种基于卫星用计算机应急系统的应急方法，包括以下步骤：
步骤A、CPU主控模块完成上电复位，通过遥控FPGA模块的启动地址映射，完成存储在遥控FPGA中的引导程序加载；
步骤B、CPU主控模块依次对系统配制寄存器初始化、关闭造错寄存器、关闭cache功能、窗口寄存器初始化，配置存储器寄存器、配置EDAC寄存器和配置浮点寄存器；
步骤C、使能IO访问寄存器，并读取遥控FPGA模式状态寄存器；
步骤D、如果为应急模式，则进入应急模式启动程序：CPU主控模块运行后，将FLASH模块中存储的应用程序搬移至SRAM模块中，应用程序在SRAM中运行；
步骤E、如果是正常模式，则进入正常飞行模式启动程序：CPU主控模块运行后，将MRAM中存储的应用程序搬移至SRAM模块中，应用程序在SRAM中运行。
进一步的，所述步骤D中，应急模式下的具体的工作方式为：
(1)CPU主控模块完成上电复位，依靠遥控FPGA模块中的硬件逻辑，实现引导程序功能；
(2)CPU主控模块从MRAM模块中读取状态表，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(3)如果读取状态表正确，CPU主控模块将应用程序从MRAM模块中取出，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(4)如果应用程序正确，CPU主控模块将应用程序搬移至SRAM模块中；
(5)搬移后，对SRAM模块中的搬移数据与原数据进行比对，如果错误，则发送软件切机指令，延时后重新比对；
(6)如果比对正确，则从SRAM模块中启动程序。
进一步的，所述步骤E中，正常模式下的工作方式为：
(1)CPU主控模块完成上电复位，依靠遥控FPGA模块中的硬件逻辑，实现引导程序功能；
(2)CPU主控模块从FLASH模块中读取状态表，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(3)如果状态表正确，CPU主控模块将应用程序搬移至SRAM模块中；
(4)搬移后，对SRAM模块中的搬移数据与原数据进行比对，如果错误，则发送软件切机指令，延时后重新比对；
(5)如果比对正确，则从SRAM模块中启动程序。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)解决了应急模式下，恢复应用程序，需重新在轨上注应用程序的问题；
(2)使用反熔丝FPGA完成引导程序逻辑，在不降低系统可靠度的前提下，解决了使用PROM成本较高的弊端；
(3)提升了系统的容错能力，即使故障发生在不可见弧段，也可保证星载计算机系统的功能正常，使容错能力从一次故障工作，二次故障安全提升到二次故障工作，三次故障安全。
附图说明
图1为传统典型星载计算机系统基本原理框图；
图2为本发明实施例提出的星载计算机应急系统基本原理框图；
图3为遥控FPGA引导程序流程图；
图4为应急模式程序启动流程图；
图5为正常飞行模式程序启动流程图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
本发明针对典型星载计算机系统，通过使用MRAM替代PROM，解决系统成本较高的问题；并将引导程序逻辑FPGA硬件实现，解决系统可靠度下降问题；另外将应用程序备份在MRAM中，解决需重新注入应用程序的问题，具体的：
实施例1，如图2所示，本实施例所述的卫星用计算机应急系统包括CPU主控模块以及与CPU主控模块相连的遥控FPGA模块、MRAM模块、SRAM模块和FLASH模块，所述遥控FPGA模块内存储引导程序，所述MRAM模块和FLASH模块内存储应用程序，SRAM模块为应用程序运行的实体；
正常工作时，通过遥控FPGA模块实现CPU主控模块的启动引导，CPU主控模块运行后将FLASH模块中存储的应用程序搬移至SRAM模块中，应用程序在SRAM中运行；一方面保证应急模式下，星载计算机系统功能正常，另一方面，等待地面的在轨维护数据。
应急工作时，CPU主控模块完成上电复位，通过遥控FPGA模块中的硬件逻辑实现引导程序功能；CPU主控模块运行后，将MRAM中存储的应用程序(或维护程序)搬移至SRAM中，在搬移过程中对维护程序进行三模校验，应用程序在SRAM中运行，一方面保证应急模式下星载计算机系统功能正常，另一方面等待地面的在轨维护数据。
本实施例中，为保证程序可靠启动，将传统PROM模块中的引导程序逻辑由遥控FPGA模块实现，由于遥控FPGA使用反熔丝型(AX1000)，故其可靠度与PROM处于同一级别。从系统层面，保证了可靠度与典型星载计算机一致。并且，用MRAM替代PROM，使用价格低的MRAM替代价格高的PROM，降低整个系统的成本。同时由于MRAM容量较PROM高，将FLASH中的应用程序备份到MRAM中，更改后MRAM存放应用程序，而不是原有PROM中存储的引导程序。
本实施例设计方案解决了应急模式下恢复应用程序需重新在轨上注应用程序的问题；而且使用反熔丝FPGA完成引导程序逻辑，在不降低系统可靠度的前提下，解决了使用PROM成本较高的弊端；使用该方案，在发生一次故障(FLASH存储器故障)，系统进入应急模式，可以依靠MRAM中的应用程序，无需地面干预，可保证卫星计算机功能的正常运行，相比之前应急模式需等待地面注入，卫星系统的容错能力得到有效提升，具有更高实际应用价值。
实施例2、根据实施例1公开的应急系统设计，本实施例提出一种其对应的应急方法，如图3所述，包括以下步骤：
步骤A、CPU主控模块完成上电复位，通过遥控FPGA模块的启动地址映射，完成存储在遥控FPGA中的引导程序加载；
步骤B、CPU主控模块依次对系统配制寄存器初始化、关闭造错寄存器、关闭cache功能、窗口寄存器初始化，配置存储器寄存器、配置EDAC寄存器和配置浮点寄存器；
步骤C、使能IO访问寄存器，并读取遥控FPGA模式状态寄存器；
如果正常模式启动失败，则切换至应急模式，该过程是由遥控fpga监视完成，比如，如果读取值为0x00005555，则为正常模式，如果读取值为0x0000FFFF，则为应急模式。
步骤D、如果为应急模式，则进入应急模式启动程序：
如图4所示，应急模式下的工作方式为：
(1)CPU主控模块完成上电复位，依靠遥控FPGA模块中的硬件逻辑，实现引导程序功能；
(2)CPU主控模块从MRAM模块中读取状态表，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(3)如果读取状态表正确，CPU将应用程序从MRAM中取出，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(4)如果应用程序正确，CPU主控模块将应用程序搬移至SRAM中；
(5)搬移后，对SRAM模块中的搬移数据与原数据进行比对，如果错误，则发送软件切机指令，延时10s后重新比对；
(6)如果比对正确，则从SRAM模块中启动程序。
步骤E、如果是正常模式，则进入正常飞行模式启动程序：
如图5所示，正常模式下的工作方式为：
(1)CPU主控模块完成上电复位，依靠遥控FPGA模块中的硬件逻辑，实现引导程序功能；
(2)CPU主控模块从FLASH模块中读取状态表，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(3)如果状态表正确，CPU主控模块将应用程序搬移至SRAM模块中；
(4)搬移后，对SRAM模块中的搬移数据与原数据进行比对，如果错误，则发送软件切机指令，延时10s后重新比对；
(5)如果比对正确，则从SRAM中启动程序。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种卫星用计算机应急系统，其特征在于，包括CPU主控模块以及与CPU主控模块相连的遥控FPGA模块、MRAM模块、SRAM模块和FLASH模块，所述遥控FPGA模块内存储引导程序，所述MRAM模块和FLASH模块内存储应用程序，SRAM模块为应用程序运行的实体；
正常工作时，通过遥控FPGA模块实现CPU主控模块的启动引导，CPU主控模块运行后将FLASH模块中存储的应用程序搬移至SRAM模块中，应用程序在SRAM中运行；
应急工作时，CPU主控模块完成上电复位，通过遥控FPGA模块中的硬件逻辑实现引导程序功能；CPU主控模块运行后，将MRAM中存储的应用程序搬移至SRAM中，应用程序在SRAM中运行。
2.根据权利要求1所述的卫星用计算机应急系统，其特征在于：所述遥控FPGA模块采用反熔丝型。
3.根据权利要求1-2任一项所述的卫星用计算机应急系统的应急方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A、CPU主控模块完成上电复位，通过遥控FPGA模块的启动地址映射，完成存储在遥控FPGA中的引导程序加载；
步骤B、CPU主控模块依次对系统配制寄存器初始化、关闭造错寄存器、关闭cache功能、窗口寄存器初始化，配置存储器寄存器、配置EDAC寄存器和配置浮点寄存器；
步骤C、使能IO访问寄存器，并读取遥控FPGA模式状态寄存器；
步骤D、如果为应急模式，则进入应急模式启动程序：CPU主控模块运行后，将FLASH模块中存储的应用程序搬移至SRAM模块中，应用程序在SRAM中运行；
步骤E、如果是正常模式，则进入正常飞行模式启动程序：CPU主控模块运行后，将MRAM中存储的应用程序搬移至SRAM模块中，应用程序在SRAM中运行。
4.根据权利要求3所述的卫星用计算机应急系统的应急方法，其特征在于：所述步骤D中，应急模式下的具体的工作方式为：
(1)CPU主控模块完成上电复位，依靠遥控FPGA模块中的硬件逻辑，实现引导程序功能；
(2)CPU主控模块从MRAM模块中读取状态表，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(3)如果读取状态表正确，CPU主控模块将应用程序从MRAM模块中取出，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(4)如果应用程序正确，CPU主控模块将应用程序搬移至SRAM模块中；
(5)搬移后，对SRAM模块中的搬移数据与原数据进行比对，如果错误，则发送软件切机指令，延时后重新比对；
(6)如果比对正确，则从SRAM模块中启动程序。
5.根据权利要求3所述的卫星用计算机应急系统的应急方法，其特征在于：所述步骤E中，正常模式下的工作方式为：
(1)CPU主控模块完成上电复位，依靠遥控FPGA模块中的硬件逻辑，实现引导程序功能；
(2)CPU主控模块从FLASH模块中读取状态表，进行3取2操作，并进行校验和判断，如果错误，则发送软件切机指令，并重新选择状态表；
(3)如果状态表正确，CPU主控模块将应用程序搬移至SRAM模块中；
(4)搬移后，对SRAM模块中的搬移数据与原数据进行比对，如果错误，则发送软件切机指令，延时后重新比对；
(5)如果比对正确，则从SRAM模块中启动程序。
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