CN115373707A - 航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统及方法 - Google Patents

航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，包括系统符号信息地面维护模块、注入数据包地面生成模块，注入数据包的星上处理模块；系统符号信息地面维护模块，检查注入程序是否与航天器内存分配冲突；注入数据包地面生成模块，将待注入程序头部信息、程序运行信息、任务属性信息、可执行二进制文件封装成注入数据包文件；注入数据包的星上处理模块，接到解析注入程序指令后，在空闲任务中按协议格式对注入数据包文件进行解析，解析完成后，将增加新任务到调度表或替换原有某任务。本发明同时提供一种在线更新方法。本发明使航天器具有任务级系统扩展能力，实现任务的新增或替换，根据任务需要及时升级航天器星载软件，赋予航天器新功能。

Description

航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统及方法
技术领域
本发明涉及一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统及方法，属于航天器软件设计领域。
背景技术
传统的航天器星上软件在轨维护方法依赖软件设计时预先设定的“钩子”函数，将修改后的代码补丁注入到注入区后，通过使能“钩子”，使程序指针跳转到注入区中的相应的函数去执行从而实现函数功能在轨替换。该方法通常在应用任务、重要底层功能函数等可能需要在轨替换的位置预设钩子，存在钩子数量受限于预埋钩子函数的位置和个数、扩展能力较差、注入程序生成方式复杂，容易出错等缺点。
对于新增或替换任务这种重大变更需求，传统方法是重新制作完整的可执行二进制文件，上注后写入EEPROM、NORFlash等非易失存储器中，系统重启后运行新程序。该方法需要上注的数据量比较大，占用航天器测控资源多，整个更新过程所需时间长，不利于大规模应用部署。
普通嵌入式系统如智能手机等利用操作系统提供的动态链接器，使用动态链接库技术实现软件系统的在线更新，该技术通常将目标文件作为在线程序更新目标，存在着目标文件庞大、解析时间长、更新时系统无法使用等缺点，不适合应用到内存资源受限的强实时航天器星载计算机上。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统及方法。
本发明的技术解决方案是：
一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，包括系统符号信息地面维护模块、注入数据包地面生成模块和注入数据包的星上处理模块；
系统符号信息地面维护模块，检查待注入程序是否与航天器星上软件内存分配冲突，以确保地面系统符号表与航天器星上软件符号表的一致性，将经检查不存在冲突的待注入程序输出给注入数据包地面生成模块；
注入数据包地面生成模块，负责设计注入数据包格式，从待注入程序中提取头部信息、程序运行信息、任务属性信息、可执行二进制文件，将其按格式进行封装，生成注入数据包文件；所述注入数据包文件通过数传系统上注至航天器星上软件存储区；
航天器接收到地面上注的解析注入程序指令后，注入数据包的星上处理模块，在空闲任务中按协议格式对注入数据包文件进行解析，不影响系统任务正常执行，解析完成后，将增加新任务到调度表或替换原有某任务。
优选的，系统符号信息地面维护模块实现方式如下：
(1)从航天器原始状态的可执行文件中提取全局变量以及非静态函数符号地址信息，形成初始态的地面系统符号地址映射表，结合系统内存分配要求形成可用内存表；
(2)当有程序注入需求时，执行步骤(3)；
(3)将待注入程序源码进行编译链接生成待注入程序的可执行文件，根据可执行文件的text段、data段分配情况检查其是否与航天器星上软件内存分配冲突，若不冲突，则进入步骤(4)；若冲突，则进入步骤(5)；
(4)由注入数据包地面生成模块根据可执行文件生成注入数据包文件，更新地面系统符号地址映射表和可用内存表，结束；
(5)调整待注入程序text段、data段的编译地址，重新编译生成注入程序后，执行步骤(3)。
优选的，生成待注入程序的可执行文件方法如下：
编译器将待注入程序源码在原交叉编译环境下编译生成一个带有重定位信息的目标文件，如果生成的目标文件有多个，需合成一个目标文件；
待注入程序在调用原星上系统的函数、变量时，在编译后的目标文件会形成未定义的函数、变量符号信息；
注入程序编译器在原系统符号表查找并提取未定义函数、变量符号信息，写入链接参数文件中；
交叉编译环境下的链接器接收用户指定的text段、data段编译链接地址参数，将目标文件与链接参数文件进行链接，生成待注入程序的可执行文件。
优选的，所述目标文件与链接参数文件进行链接时，实现未定义的函数、变量符号与地址的绑定。
优选的，注入数据包格式中，头部信息包括待注入程序标志、协议版本、长度、校验和；程序运行信息包括text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小、任务个数；任务属性信息包括任务标志、优先级、堆栈大小、任务类型、调度起始点信息；可执行二进制文件包括text段内容、data段内容。
优选的，注入数据包地面生成模块包括注入程序提取器、任务运行属性读取器、注入数据包组包单元；
注入程序提取器，负责从编译完成的待注入程序可执行文件中提取text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小，以及包括text段内容、data段内容的可执行二进制文件；
任务运行属性读取器，负责为注入程序生成人员提供待注入程序运行时所需要的任务属性信息、任务个数和头部信息的设置并获取设置的信息，根据任务个数、注入程序提取器提取得到的text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小，生成待注入程序运行信息；
注入数据包组包单元，负责将头部信息、待注入程序可执行二进制文件以及任务属性信息、待注入程序运行信息组包为满足注入格式的注入数据包文件。
优选的，注入数据包的星上处理模块实现方式如下：
(1)在空闲任务判断地面上注的解析注入程序指令是否有效，无效则退出继续执行空闲任务其他操作，否则执行步骤(2)；
(2)按照协议格式对注入数据包文件进行校验，若校验失败则退出继续执行空闲任务其他操作，否则执行步骤(3)；
(3)从注入数据包文件中提取任务个数、程序运行地址信息，将其搬到指定地址，完成text段、data段、bss段初始化，建立注入程序运行环境；
(4)判断是否所有任务均已完成属性解析，若是，则退出；若否，则判断当前任务名称与替换名称是否相同，若名称相同则进入步骤(5)创建新任务；否则进入步骤(6)替换原任务；
(5)依据任务分配堆栈大小、任务ID创建任务，创建完成后新任务加入任务队列，更新调度时序表，然后返回(4)继续执行下一个任务属性解析；
(6)找到被替换任务ID，更改其入口函数地址，然后返回(4)继续执行下一个任务属性解析。
优选的，注入数据包的星上处理模块在控制周期中断处理程序中完成调度表的更新，使得系统按新的时序进行任务调度运行。
一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新方法，包括：
系统符号信息地面维护模块检查待注入程序是否与航天器星上软件内存分配冲突，将经检查不存在冲突的待注入程序编译链接后得到的可执行文件输出给注入数据包地面生成模块；
注入数据包地面生成模块，从待注入程序中提取程序运行信息、可执行二进制文件，结合地面填写的头部信息、任务属性信息将其按注入数据包格式进行封装，生成注入数据包文件；
注入数据包文件通过数传系统上注至航天器；
地面向航天器星上软件发送解析注入程序指令；
航天器接收到地面上注的解析注入程序指令后，注入数据包的星上处理模块在空闲任务中按协议格式对注入数据包文件进行解析，不影响系统任务正常执行，解析完成后，将增加新任务到调度表或替换原有某任务。
优选的，注入数据包格式中，注入程序头部信息包括注入程序标志、协议版本、长度、校验和；程序运行信息包括text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小、任务个数；任务属性信息包括任务标志、优先级、堆栈大小、任务类型、调度起始点信息；可执行二进制文件包括text段内容、data段内容。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)与现有技术中通过修改预埋钩子函数、或修改被替换函数的入口地址实现程序在轨注入功能相比，本发明针对的是任务级的程序在线更新系统，通过实现任务功能的在线替换、修改从而实现软件功能的修改，具有任务个数不限、使用方便等优点，星上程序对上注程序校验后进行解析，即可完成任务的替换、新增等功能。该方法为今后航天器星上软件功能在轨升级提供了新的方法。
(2)本发明生成的注入数据包文件协议格式精简，数据量小。系统在空闲任务中对注入数据进行解析，不影响系统任务正常执行，更新完成后无需重启即可执行新任务。
(3)本发明设计的注入程序协议格式，对嵌入式系统的内存空间要求低，不需要存储符号表等信息，上注程序可利用系统提供的函数、变量等原有功能，适用资源受限的航天器实时系统。
附图说明
图1为系统符号信息地面维护流程；
图2为注入数据包文件生成流程；
图3为星上程序解析注入数据包文件流程；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
在轨程序注入是卫星等航天器在轨进行问题修复、功能更新的主要手段。本发明设计的任务在线更新系统，提供了一种新的在轨注入程序的方法，可以实现航天器应用任务功能的更新，为航天器在轨维护提供支持。本发明将上注程序结合系统原程序相关信息编译后形成可执行程序，添加满足加载文件格式的任务运行相关信息，形成注入数据包文件，供航天器星上软件解析后执行新功能的任务。
本发明包括系统符号信息地面维护模块、注入数据包地面生成模块和注入数据包的星上处理模块。
系统符号信息地面维护模块，检查待注入程序是否与航天器星上软件内存分配冲突，以确保地面系统符号表与航天器星上软件上的一致性，将经检查不存在冲突的待注入程序编译链接生成可执行文件输出给注入数据包地面生成模块。
注入数据包地面生成模块，负责设计注入数据包格式，从待注入程序可执行文件中提取程序运行信息和可执行二进制文件，结合地面填写的头部信息、任务属性信息，将其按格式进行封装，生成注入数据包文件；所述注入数据包文件通过数传系统上注至航天器。
注入数据包的星上处理模块，航天器接收到地面上注的解析注入程序指令后，在空闲任务中按协议格式对注入数据包文件进行解析，不影响系统任务正常执行，解析完成后，将增加新任务到调度表或替换原有某任务。
如图1所示，本发明系统符号信息地面维护模块，实现步骤如下：
(1)从航天器原始状态的星上可执行文件中提取全局变量以及非静态函数符号地址信息，形成初始态的地面系统符号地址映射表(即符号-地址格式的map文件)，结合系统内存分配要求形成可用内存表；
(2)当有程序注入需求时，执行步骤(3)；
(3)将上注程序源码进行编译链接生成上注程序的可执行文件。结合注入程序可执行文件的text段、data段分配情况进行可用内存分配冲突检查，若无内存分配冲突，则进入步骤(4)；若发生内存分配冲突，则进入步骤(5)；
上注程序的可执行文件生成过程如下：
(S1)通过编译器，将注入程序源码在原交叉编译环境下编译生成一个带有重定位信息的目标文件，如果生成的目标文件有多个，需使用编译器合成一个目标文件；
(S2)注入程序编译器从目标文件中提取未定义的函数、变量符号信息；注入程序在调用原系统的函数、变量时，编译后的目标文件会形成未定义的符号信息；
(S3)注入程序编译器在原系统符号表查找并提取未定义符号信息并写入链接参数文件中；在将待注入程序目标文件与链接参数文件进行链接时实现未定义符号与地址的绑定；
(S4)通过链接器接收用户指定的text段、data段编译链接地址参数，结合上述链接参数文件将可重定位目标文件链接为注入程序可执行文件，结束。
(4)由注入数据包地面生成模块根据可执行文件生成注入数据包文件，更新地面系统符号地址映射表和可用内存表，结束；
(5)调整待注入程序text段、data段的编译地址，重新编译生成注入程序后，执行步骤(3)。
如图2所示，本发明注入数据包地面生成模块，实现步骤如下：
(1)通过注入程序提取器，从编译完成的注入程序可执行文件中提取text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小，以及包括text段内容、data段内容的可执行二进制文件。
(2)通过任务运行属性读取器，注入程序生成人员设置待注入程序运行时所需要的属性信息和头部信息；设置后生成头部信息，包含任务个数、注入程序提取器提取得到的text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小的待注入程序运行信息；以及包含任务标志、优先级、堆栈大小、任务类型、调度起始点信息的任务属性信息。
(3)由注入数据包组包单元，将头部信息、待注入程序可执行二进制文件以及相关属性信息组包为满足注入格式的注入数据包文件，组包协议如下：
Figure BDA0003765041630000081
如图3所示，本发明注入数据包的星上处理模块，实现步骤如下：
(1)在空闲任务判断解析注入程序指令是否有效。无效则退出继续执行空闲任务其他操作。否则执行步骤(2)；
(2)按照协议格式对注入程序进行校验。若校验失败则退出继续执行空闲任务其他操作。否则执行步骤(3)；
(3)提取任务个数、程序运行地址信息，将注入程序的text段、data段数据搬到指定地址，对bss段初始化，建立注入程序运行环境；
(4)逐个任务进行属性解析，判断任务名称与替换名称是否相同，直到所有任务处理完毕后退出继续执行空闲任务其他操作。若相同则进行创建新任务操作，执行步骤(5)否则进行替换原任务操作，执行步骤(6)；
(5)依据任务分配堆栈大小、任务ID等属性创建任务，创建完成后新任务加入任务队列，更新调度时序表。退回(4)继续执行下一个任务属性解析；
(6)找到被替换任务ID，更改其入口函数地址。退回(4)继续执行下一个任务属性解析。
注入数据包的星上处理模块在控制周期中断处理程序中完成调度表的更新，使得系统按新的时序进行任务调度运行。
一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新方法，包括：
系统符号信息地面维护模块检查待注入程序是否与航天器星上软件内存分配冲突，将经检查不存在冲突的待注入程序输出给注入数据包地面生成模块；
注入数据包地面生成模块，从待注入程序中提取头部信息、程序运行信息、任务属性信息、可执行二进制文件，将其按注入数据包格式进行封装，生成注入数据包文件；
注入数据包文件通过数传系统上注至航天器；
地面向航天器发送解析注入程序指令；
航天器接收到地面上注的解析注入程序指令后，注入数据包的星上处理模块在空闲任务中按协议格式对注入数据包文件进行解析，不影响系统任务正常执行，解析完成后，将增加新任务到调度表或替换原有某任务。
本发明提出了一种适用于实时系统的、内存资源受限的任务在线更新系统及方法，可在不影响原任务运行的情况下，实现对系统任务的在线替换、新增等功能。本发明将上注程序结合系统原程序相关信息编译后形成可执行程序，添加满足加载文件格式的任务运行相关信息，形成二进制注入程序，供星上软件解析后执行新功能的任务。本发明包括系统符号信息地面维护模块、注入数据包地面生成模块，和注入数据包的星上处理模块共同完成任务在线更新功能。设计的上注程序格式，利用原编译环境下生成的系统符号表信息，进行链接后生成可执行文件。该方法充分利用了地面计算机的处理能力，仅将新增代码的二进制文件作为注入程序上传，降低了程序注入量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，其特征在于，包括系统符号信息地面维护模块、注入数据包地面生成模块和注入数据包的星上处理模块；
系统符号信息地面维护模块，检查待注入程序是否与航天器星上软件内存分配冲突，以确保地面系统符号表与航天器星上软件符号表的一致性，将经检查不存在冲突的待注入程序输出给注入数据包地面生成模块；
注入数据包地面生成模块，负责设计注入数据包格式，从待注入程序中提取头部信息、程序运行信息、任务属性信息、可执行二进制文件，将其按格式进行封装，生成注入数据包文件；所述注入数据包文件通过数传系统上注至航天器星上软件存储区；
航天器接收到地面上注的解析注入程序指令后，注入数据包的星上处理模块，在空闲任务中按协议格式对注入数据包文件进行解析，不影响系统任务正常执行，解析完成后，将增加新任务到调度表或替换原有某任务。
2.根据权利要求1所述的一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，其特征在于，系统符号信息地面维护模块实现方式如下：
(1)从航天器原始状态的可执行文件中提取全局变量以及非静态函数符号地址信息，形成初始态的地面系统符号地址映射表，结合系统内存分配要求形成可用内存表；
(2)当有程序注入需求时，执行步骤(3)；
(3)将待注入程序源码进行编译链接生成待注入程序的可执行文件，根据可执行文件的text段、data段分配情况检查其是否与航天器星上软件内存分配冲突，若不冲突，则进入步骤(4)；若冲突，则进入步骤(5)；
(4)由注入数据包地面生成模块根据可执行文件生成注入数据包文件，更新地面系统符号地址映射表和可用内存表，结束；
(5)调整待注入程序text段、data段的编译地址，重新编译生成注入程序后，执行步骤(3)。
3.根据权利要求2所述的一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，其特征在于，生成待注入程序的可执行文件方法如下：
编译器将待注入程序源码在原交叉编译环境下编译生成一个带有重定位信息的目标文件，如果生成的目标文件有多个，需合成一个目标文件；
待注入程序在调用原星上系统的函数、变量时，在编译后的目标文件会形成未定义的函数、变量符号信息；
注入程序编译器在原系统符号表查找并提取未定义函数、变量符号信息，写入链接参数文件中；
交叉编译环境下的链接器接收用户指定的text段、data段编译链接地址参数，将目标文件与链接参数文件进行链接，生成待注入程序的可执行文件。
4.根据权利要求1所述的一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，其特征在于，所述目标文件与链接参数文件进行链接时，实现未定义的函数、变量符号与地址的绑定。
5.根据权利要求1所述的一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，其特征在于，注入数据包格式中，头部信息包括待注入程序标志、协议版本、长度、校验和；程序运行信息包括text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小、任务个数；任务属性信息包括任务标志、优先级、堆栈大小、任务类型、调度起始点信息；可执行二进制文件包括text段内容、data段内容。
6.根据权利要求1所述的一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，其特征在于，注入数据包地面生成模块包括注入程序提取器、任务运行属性读取器、注入数据包组包单元；
注入程序提取器，负责从编译完成的待注入程序可执行文件中提取text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小，以及包括text段内容、data段内容的可执行二进制文件；
任务运行属性读取器，负责为注入程序生成人员提供待注入程序运行时所需要的任务属性信息、任务个数和头部信息的设置并获取设置的信息，根据任务个数、注入程序提取器提取得到的text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小，生成待注入程序运行信息；
注入数据包组包单元，负责将头部信息、待注入程序可执行二进制文件以及任务属性信息、待注入程序运行信息组包为满足注入格式的注入数据包文件。
7.根据权利要求1所述的一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，其特征在于，注入数据包的星上处理模块实现方式如下：
(1)在空闲任务判断地面上注的解析注入程序指令是否有效，无效则退出继续执行空闲任务其他操作，否则执行步骤(2)；
(2)按照协议格式对注入数据包文件进行校验，若校验失败则退出继续执行空闲任务其他操作，否则执行步骤(3)；
(3)从注入数据包文件中提取任务个数、程序运行地址信息，将其搬到指定地址，完成text段、data段、bss段初始化，建立注入程序运行环境；
(4)判断是否所有任务均已完成属性解析，若是，则退出；若否，则判断当前任务名称与替换名称是否相同，若名称相同则进入步骤(5)创建新任务；否则进入步骤(6)替换原任务；
(5)依据任务分配堆栈大小、任务ID创建任务，创建完成后新任务加入任务队列，更新调度时序表，然后返回(4)继续执行下一个任务属性解析；
(6)找到被替换任务ID，更改其入口函数地址，然后返回(4)继续执行下一个任务属性解析。
8.根据权利要求1所述的一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新系统，其特征在于，注入数据包的星上处理模块在控制周期中断处理程序中完成调度表的更新，使得系统按新的时序进行任务调度运行。
9.一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新方法，其特征在于，包括：
系统符号信息地面维护模块检查待注入程序是否与航天器星上软件内存分配冲突，将经检查不存在冲突的待注入程序编译链接后得到的可执行文件输出给注入数据包地面生成模块；
注入数据包地面生成模块，从待注入程序中提取程序运行信息、可执行二进制文件，结合地面填写的头部信息、任务属性信息将其按注入数据包格式进行封装，生成注入数据包文件；
注入数据包文件通过数传系统上注至航天器；
地面向航天器星上软件发送解析注入程序指令；
航天器接收到地面上注的解析注入程序指令后，注入数据包的星上处理模块在空闲任务中按协议格式对注入数据包文件进行解析，不影响系统任务正常执行，解析完成后，将增加新任务到调度表或替换原有某任务。
10.根据权利要求9所述的一种航天器实时系统内存受限条件下任务在线更新方法，其特征在于，注入数据包格式中，注入程序头部信息包括注入程序标志、协议版本、长度、校验和；程序运行信息包括text段起始地址和大小、data段起始地址和大小、bss段起始地址和大小、任务个数；任务属性信息包括任务标志、优先级、堆栈大小、任务类型、调度起始点信息；可执行二进制文件包括text段内容、data段内容。
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