CN1258043A - 卫星星载计算机软件单粒子翻转容错能力的测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星星载计算机软件单粒子翻转容错能力的测试仪及测试方法。主要由计算机基本单元加双口共享存储器及总线转换接口组成,与被检测的卫星星载计算机形成紧耦合的双机系统。双口共享存储器作为被检测的卫星星载计算机的数据空间,测试仪改变双口共享存储器的存储位,模拟卫星在轨的星载计算机单粒子翻转事件,再通过扫描读取被卫星星载计算机纠正的存储位及时间,达到定量测试软件抗单粒子翻转能力的目的。

Description

卫星星载计算机软件单粒子翻转容错能力的测试仪及测试方法

本发明涉及数字计算机领域，尤指一种采用计算机系统的双口共享存储器设计，用于卫星星载计算机软件单粒子翻转容错能力的测试仪及其测试方法。

卫星在国防、民用的诸多领域得到了广泛应用。卫星星载计算机是卫星系统的关键部件之一，特别是现代卫星以其高智能、高功能密度为特点，卫星星载计算机是实现的最有效的途径。卫星星载计算机与地面计算机的主要区别是卫星星载计算机应具有很高的可靠性及抗干扰能力。卫星星载计算机的核心是其软件系统，软件系统的可靠性及抗干扰能力体现在抗单粒子翻转能力，软件应具有相当的容错能力。卫星在轨道上运行时，受到范·艾伦辐射带的粒子辐射，计算机系统中的存放程序运行之中数据的随机存储器(RAM)的位可能会翻转，造成程序运行出错，甚至危及卫星的安全。提高卫星星载计算机系统的抗辐射能力一直是航天计算机界努力追求的目标。

传统的卫星星载计算机系统的抗辐射工艺及设计的办法很多，但对它抗辐射能力的测试大都是通过强的辐射源或通过粒子加速器产生粒子，轰击卫星星载计算机系统，同时卫星星载计算机系统软件中需加有监控语句或监控程序，来监测计算机产生的单粒子翻转事件，及对翻转位的修正情况，监控程序通过通信口将测试结果传送到其他系统来显示输出，达到测试的目的。但它具有以下不足：

a.成本高；

b.对人体有相当大的辐射损害；

c.辐射过的计算机系统不能再使用；

d.粒子与存储器位发生作用是随机的，只能定性测试计算机软件的抗辐射能力。

e.需在软件嵌入监控语句或程序，改变了原有的程序结构。

本发明的目的在于提供一种卫星星载计算机软件单粒子翻转容错能力的测试仪及其测试方法。它能定量地测试卫星星载计算机软件抗单粒子翻转的能力，并克服传统的测试方法的不足。且本发明采用计算机系统的双口共享存储器设计的电子学计算机方法，对计算机软件的抗干扰测试简单而有效。

为了解决上述的任务，本发明采用的解决方案是：

1、本发明首先提供一种卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力的测试仪，它包括一个运算及处理的中央微处理器、固化有应用程序的只读存储器、存放参数及数据的随机存储器、以及用于交互通信的通信接口，该中央微处理器、只读存储器、随机存储器以及通信接口通过数据总线、地址总线及控制总线互相连接构成一个基本的计算机单元；另外还包括一个用于人机交互的计算机终端，该计算机终端与计算机单元之中的通信接口相连接且二者之间传递数据信息；其特点在于还包括双口共享存储器及总线转换接口；该双口共享存储器，包含有二套数据总线、地址总线及控制总线，其中一套数据总线、地址总线及控制总线与前述的计算机单元的数据总线、地址总线及控制总线相连接且前述计算机单元通过总线能存取该双口共享存储器，该双口共享存储器的另一套数据总线、地址总线及控制总线连接到总线转换接口；

该总线转换接口为现场可编程器件且各引脚可由编程指令设置成数据总线、地址总线及控制总线，现场可编程器件其中部分引脚连接到上述双口共享存储器的数据总线、地址总线及控制总线上，且在测试卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力时该现场可编程器件的另一部分引脚连接到被检测的卫星星载计算机的数据总线、地址总线及控制总线之上。

因被检测的卫星星载计算机的数据空间的存储器为空座，通过电缆与测试仪的总线转换接口相连，因而双口共享存储器成为两套计算机的共享存储器，被检测的卫星星载计算机所有的数据空间均在双口共享存储器中，测试仪可以访问被检测的卫星星载计算机所有的存储器空间。数据存储器中的内容可以被测试仪的计算机单元所改变，对软件来说，发生了空间单粒子翻转事件。

2、本发明还提供一种卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力的测试方法，包括下述步骤：

a、计算机终端进入应用程序，且计算机终端通过通信接口向测试仪传送总线转换接口的编程数据；

b、测试仪接收计算机终端传送过来的编程数据之后，根据编程数据进行相应的初始化操作；

c、通过人机交互在计算机终端上输入仿真单粒子翻转事件的有关参数，随机发生的强度，特定变量的地址位等；输入参数结束之后计算机终端通过通信接口传送运行参数到测试仪；

d、测试仪接收运行参数之后，初始化应用程序，且等待计算机终端发送的启动命令；

e、计算机终端通过通信接口向测试仪发送启动命令；

f、测试仪接收启动命令之后，根据运行参数仿真空间单粒子翻转改变相应的双口共享存储器中的数据位并记录改变的时间；

g、测试仪将操作结果通过通信接口传送给计算机终端，计算机终端接收数据之后显示记录；

同时，测试仪读扫双口共享存储器中发生单粒子翻转的数据位，记录被检测的卫星星载计算机纠正的位及时间，且通过通信接口传送给计算机终端，计算机终端接收数据之后显示记录；

h、计算机终端根据测试仪传送过来的数据进行计算分析，且将被检测的卫星星载计算机软件抗单粒子事件能力的定量数据显示和打印。

由本发明的特征可知，本发明与传统的方式相比具有如下有益效果：

a)成本极其低廉；

b)无辐射损害；

c)计算机系统能再被使用；

d)定量测试计算机软件的抗辐射能力，包括随机位的频度和特定位的频度；

e)被测计算机系统无须植入监测软件，测试不改变软件系统本身。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

图1是本发明卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力测试仪的工作原理示意图。

图2是本发明卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力的测试程序流程框图。

图3是测试仪的总线转换接口和双口共享存储器连接示意图。

现请参阅图1是本发明卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力测试仪的工作原理示意图。包括一个运算及处理的中央微处理器(CPU)、固化有应用程序的只读存储器(ROM)、存放参数及数据的随机存储器(RAM)、以及用于交互通信的通信接口，该中央微处理器、只读存储器、随机存储器以及通信接口通过数据总线、地址总线及控制总线互相连接构成一个基本的计算机单元；另外还包括一个用于人机交互的计算机终端2，该计算机终端2与计算机单元之中的通信接口相连接且二者之间传递数据信息；其特点在于还包括双口共享存储器12及总线转换接口11；

该双口共享存储器12为双接口的器件，具有二套数据总线、地址总线及控制总线，其中一套数据总线、地址总线及控制总线与前述的计算机单元的数据总线、地址总线及控制总线相连接且能被前述的计算机单元通过总线存取，该双口共享存储器12的另一套数据总线、地址总线及控制总线连接到总线转换接口11；

该总线转换接口11为现场可编程器件且各引脚可由编程指令设置成数据总线、地址总线及控制总线，现场可编程器件的其中部分引脚连接到上述双口共享存储器12的数据总线、地址总线及控制总线上，且在测试被检测的卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力时该现场可编程器件的另一部分引脚连接到被检测的卫星星载计算机3的数据总线、地址总线及控制总线之上。

被检测的卫星星载计算机3，它的数据空间存储器为空座，通过电缆与测试仪1的可编程的总线转换接口11相连，测试时，被检测的卫星星载计算机3的数据空间存放在双口共享存储器12中，可以被测试仪1随机访问；因而双口共享存储器12成为两套计算机的共享存储器，被检测的卫星星载计算机3所有的数据空间均存放在双口共享存储器12中，测试仪1可以访问被检测的卫星星载计算机3所有的存储器空间。被检测的卫星星载计算机3在软件模拟运行时，存放数据的双口共享存储器12中的内容可以被测试仪1的计算机单元所改变，对软件来说，发生了空间单粒子翻转事件，用电子学计算机的方法仿真空间辐射产生的单粒子翻转事件。

再有测试仪1通过通信接口之中的串行口与计算机终端2相连，测试仪1中的软件通过接收计算机终端2传送的软件运行参数，可以人为设定单粒子翻转产生的频度、地址、位数等，也可仿真随机发生的单粒子翻转。测试仪1扫描读取改变过的双口共享存储器12中的存储位，记录下发生单粒子翻转位能否被所检测的卫星星载计算机软件纠正和纠正的时间，即可定量地对软件抗空间单粒子翻转能力定量测试。

再请参阅图2是本发明卫星星载计算机软件抗单粒子翻转能力的测试程序流程框图。包括下述步骤：

a、计算机终端2进入应用程序，且计算机终端2通过通信接口向测试仪1传送总线转换接口11的编程数据；

b、测试仪1接收计算机终端2传送过来的编程数据之后，根据编程数据进行相应的初始化操作；

c、通过人机交互在计算机终端2上输入仿真单粒子翻转事件的有关参数，随机发生的强度，特定变量的地址位等；输入参数结束之后计算机终端2通过通信接口传送运行参数到测试仪1；

d、测试仪1接收运行参数之后，初始化应用程序，且等待计算机终端2发送的启动命令；

e、计算机终端2通过通信接口向测试仪1发送启动命令；

f、测试仪1接收启动命令之后，根据运行参数仿真空间单粒子翻转改变相应的双口共享存储器12中的数据位并记录改变的时间；

g、测试仪1将操作结果通过通信接口传送给计算机终端2，计算机终端2接收数据之后显示记录；

同时，测试仪1读扫双口共享存储器12中发生单粒子翻转的数据位，记录被检测的卫星星载计算机3纠正的位及时间，且通过通信接口传送给计算机终端2，计算机终端2接收数据之后显示记录；

h、计算机终端2根据测试仪1传送过来的数据进行计算分析，且将被检测的卫星星载计算机3软件抗单粒子事件能力的定量数据显示和打印。

更具体地说，通过计算机终端2输入总线转换接口11的编程数据，对总线转换接口11的可编程器件初试化，是为了适应不同被检测的卫星星载计算机3的存储器；计算机终端2的人机交互，增加了系统的灵活性；测试仪1可以通过计算机终端3传送不同的启动指令，启动不同的测试仿真模式，包括随机的或周期的。

计算机终端2是普通的个人微机(PC)再加上一台打印机，应用程序主要完成人机交互，将有关运行参数、初始化参数、运行模式等送给测试仪1，同时将测试仪1扫读测试的结果传送给计算机终端2且进行显示和打印。运行参数主要包括：仿真单粒子翻转的数据位地址、仿真单粒子翻转的频度、仿真单粒子翻转的位数；运行模式主要有：随机仿真、周期仿真，随机、周期的变量指时间、数据位地址、一次翻转的位数等。初始化参数主要包括被测检的卫星星载计算机3的存储器座与测试仪1的双口共享存储器12的总线转换接口11的编程数据；测试仪1扫读测试的结果，实时通过通信接口传送给计算机终端2且应用程序显示打印输出。应用程序主要包括人机交互模块、通信模块、报表打印、数据后处理等。

计算机终端2开机后，运行计算机终端2的应用程序，输入总线转换接口11的编程数据。图3是测试仪1的总线转换接口11和双口共享存储器12连接示意图，总线转换接口11主要由现场可编程器件，如XILLINX公司的FPGA构成。可编程的总线转换接口11的目的是为适应被检测的卫星星载计算机3的不同存储器型号的总线，包括数据总线、地址总线及控制线；总线转换接口11的现场可编程器件的引脚可以按需要通过编程重新定义，编程数据来自计算机终端2的人工输入的初始化参数，完成总线转换、片选及同地址访问冲突控制。双口共享存储器12可以选用IDT公司的有关双口器件，双口共享存储器12的一端连接测试仪1的总线，另一端连接到总线转换接口11，通过电缆与被检测的卫星星载计算机3的存储器座相连，测试仪1的计算机单元与被检测的卫星星载计算机3可同时访问双口共享存储器12的共享数据空间，对于被检测的卫星星载计算机3所有的存储器空间均在双口共享存储器12中，测试仪1可以改变被检测的卫星星载计算机3的所有数据空间的数据位。

通过计算机终端2输入总线转换接口11的编程数据。这是事先根据被检测的卫星星载计算机3的存储器型号，再确定对总线转换接口11的现场可编程器件的编程数据。测试仪1的通信接口接受编程数据后，将数据加载到总线转换接口11的现场可编程器件的内部，进行相应的总线转换接口11的初始化操作，测试仪1硬件初始化工作完成。

计算机终端2输入仿真单粒子翻转事件的有关参数：随机发生的强度、特定变量的地址位等。计算机终端2的应用程序将参数组帧，通过通信接口的串行口发送到测试仪1中，测试仪1的计算机单元接收运行参数帧后，将随机发生的强度、特定变量的地址位等赋值给初始化应用程序，等待启动命令。启动命令由计算机终端2发送。

计算机终端2发送启动命令，启动测试仪1进入仿真工作状态。测试仪1根据运行参数，仿真空间单粒子翻转，改变相应的双口共享存储器12中的数据存储位，并记录改变时间。对随机仿真模式，根据运行参数的单粒子翻转强度，产生随机翻转的位和时间；对特定变量的地址位翻转仿真，则只随机产生翻转时间。测试仪1将仿真结果通知计算机终端2显示并记录。

同时测试仪1的测试应用程序启动，测试仪1测试应用程序主要任务是循环扫读发生单粒子翻转的位。测试仪1读扫双口共享存储器12中的发生单粒子翻转的数据位，记录被检测的卫星星载计算机3纠正的位及时间，传送给计算机终端2作后续处理。计算机终端2根据仿真单粒子事件的强度等信息，以及位翻转的时间、被检测的卫星星载计算机3容错程序纠错的时间、被纠错的位数等，可以定量地判断被监测的卫星星载计算机3对单粒子翻转的纠错能力，并发现被检测的卫星星载计算机3容错程序的薄弱环节，进行程序的二次修正。

综合上述，本发明的关键是通过双口共享存储器12的共享设计，实现测试仪1在被检测的卫星星载计算机软件无法感知的情况下，根据事先的设定改变被检测的卫星星载计算机3的数据位，仿真空间单粒子翻转。并无须在被检测的卫星星载计算机软件中加入任何监控语句，即可测试被检测的卫星星载计算机3单粒子翻转的容错能力。

Claims (3)

1、一种卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力的测试仪，包括一个运算及处理的中央微处理器、固化有应用程序的只读存储器、存放参数及数据的随机存储器、以及用于交互通信的通信接口，该中央微处理器、只读存储器、随机存储器以及通信接口通过数据总线、地址总线及控制总线互相连接构成一个基本的计算机单元；另外还包括一个用于人机交互的计算机终端，该计算机终端与计算机单元之中的通信接口相连接且二者之间传递数据信息；

其特征在于：还包括双口共享存储器及总线转换接口；

该双口共享存储器为双接口器件，具有二套数据总线、地址总线及控制总线，其中一套数据总线、地址总线及控制总线与前述的计算机单元的数据总线、地址总线及控制总线相连接且前述计算机单元通过总线存取该双口共享存储器，该双口共享存储器的另一套数据总线、地址总线及控制总线连接到总线转换接口；

该总线转换接口的其中部分引脚连接到上述双口共享存储器的数据总线、地址总线及控制总线上，且在测试卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力时该总线转换接口的另一部分引脚连接到被检测的卫星星载计算机的数据总线、地址总线及控制总线之上。

2、如权利要求1所述的卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力的测试仪，其特征在于其中所述的总线转换接口为现场可编程器件，且该现场可编程器件的各引脚由编程指令设置成数据总线、地址总线及控制总线。

3、一种卫星星载计算机软件抗单粒子翻转容错能力的测试方法，其特征在于包括下述步骤：

a、计算机终端进入应用程序，且计算机终端通过通信接口向测试仪传送总线转换接口的编程数据；

b、测试仪接收计算机终端传送过来的编程数据之后，根据编程数据进行相应的初始化操作；

c、通过人机交互在计算机终端上输入仿真单粒子翻转事件的有关参数，随机发生的强度，特定变量的地址位；输入参数结束之后计算机终端通过通信接口传送运行参数到测试仪；

d、测试仪接收运行参数之后，初始化应用程序，且等待计算机终端发送的启动命令；

e、计算机终端通过通信接口向测试仪发送启动命令；

f、测试仪接收启动命令之后，根据运行参数仿真空间单粒子翻转改变相应的双口共享存储器中的数据位并记录改变的时间；

g、测试仪将操作结果通过通信接口传送给计算机终端，计算机终端接收数据之后显示记录；

同时，测试仪读扫双口共享存储器中发生单粒子翻转的数据位，记录被检测的卫星星载计算机纠正的位及时间，且通过通信接口传送给计算机终端，计算机终端接收数据之后显示记录；

h、计算机终端根据测试仪传送过来的数据进行计算分析，且将被检测的卫星星载计算机软件抗单粒子事件能力的定量数据显示和打印。

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