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星载COTS计算机的体系结构设计及其抗SEU研究

黄影  
【摘要】: 空间环境中存在着大量的带电粒子,星载计算机硬件系统的电子器件会受到电磁场的辐射和重粒子的冲击,从而导致SEU(Single-Event Upsets,单粒子翻转)效应。SEU使得星载计算机中的数据可能出现小概率错误,这种错误若不及时进行纠正将会影响计算机系统的运行和关键数据的正确性。一个自然的解决办法是进行屏蔽和加固,但是,屏蔽材料的厚度受到卫星体积和重量的制约,屏蔽的作用有限,且辐射加固的器件价格昂贵,难以供货,性能不高。而COTS(Commercial-Off-The-Shelf,商用现货)器件具有成本低、性能高的优势,且不受国外进口的限制。引入COTS技术是星载计算机发展的趋势。 本文根据国外研制星载计算机的经验和先进技术,结合国内实际情况,设计出一种基于COTS的高性能、高可靠性、低成本的具有抗SEU功能的星载计算机体系结构。本系统的硬件部分以ARM9处理器为核心,具备多种接口,软件部分以裁减后的linux操作系统为平台。本文从器件选型开始,完成了星载COTS计算机的体系结构设计,原型系统的测试验证与实现,并实现了裁减后linux操作系统的移植。在此基础上对系统的进一步改进做了初步探讨,为以后应用于航天工程打下了坚实的基础。 但是,COTS器件本身并不具备抗SEU能力,如何提高COTS系统的可靠性,以适应恶劣的空间辐射环境,是一个具有挑战性的课题。 针对星载计算机的空间SEU效应,本文实现了星载COTS计算机体系结构的抗SEU容错设计,研究了基于COTS器件(如SRAM型FPGA)的具有多级容错机制的抗SEU加固技术,增强了星载COTS计算机的可靠性。系统级采用了基于FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的双机容错系统技术,提高了星载计算机宏观上的可靠性;模块级针对存储器器件的TMR(Triple Module Redundancy,三模冗余)容错技术,也提高了SRAM和FLASH的抗SEU能力;芯片级采用了片内FPGA抗SEU容错设计,片外通过实现FPGA自加载电路的重配置功能,进一步提高了系统的抗SEU能力。本文的设计和验证等研究工作都是建立在星载计算机原型系统实现的基础之上的。 本课题的研究成果若进一步完善,可直接应用于星载计算机和空间机动信息平台中,在降低研制成本、提高在轨数据处理能力方面,对推动中国空间科学技术和国防事业的发展有重大的意义。


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