一种基于sram fpga的多级容错加固卫星信息处理系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星信息处理。
【背景技术】
[0002]卫星技术是一个国家综合国力和尖端科技实力的体现，对国家的军事、国防和经济有着重要影响。星载计算机系统负责完成卫星的控制和数据处理任务，是卫星的核心单元之一。为适应空间环境的恶劣条件以及卫星在体积、重量及功耗等方面的诸多限制，星载计算机系统的性能一直远远滞后于地面计算机系统。
[0003]处理器是计算机系统的核心部件，从上世纪80年代开始到21世纪初，星载计算机系统处理器经历了从开关量控制器，到以80C86为代表的CPU芯片，以及专用DSP数字信号处理芯片的发展历程，其处理能力也从0.1MIPS提高到20MIPS左右。近年来，由于微处理器技术的高速发展，星载处理器系统的处理能力可提升至350MIPS左右。但随着载荷性能的持续提升，姿轨控系统控制精度的提高，以及空间CPS系统、在轨自主运行管理、在轨系统健康管理(SHM)、装备人工智能等先进技术理念在卫星技术领域的逐步扩展，对星载计算机的计算能力提出了更高的挑战。另外由于缺乏具有自主知识的核心技术，以及国外在敏感技术上的封锁，我国星载计算机系统性能远落后于世界先进水平，且发展相对缓慢，研发新一代高性能星载计算机系统已经迫在眉睫。
[0004]星载计算机的核心是微处理器，世界主流航天大国都采用了当前先进的RISC处理器形式，但是具体结构有所不同。
[0005]欧空局和中国以SPARC结构RISC处理器为主，如ERC32(SPARC V7)和Leon (SPARCV8)。其典型芯片代表为Atmel公司的辐射增强型AT695和AT697，其中AT697为该类处理器中性能最优的产品，其运算性能可以达到86MIPS(Dhrystone2.1)左右，并且Atmel公司的最新产品ATF697FF中，除传统的32位SPARC V8处理器外，还增加了一个类似于FPGA的可重构单元(Reconfigurable Unit)，用于定制接口和计算。国内芯片厂商如西安微电子研究所也有类似产品，如BM3803，其性能与AT697基本一致。目前国内卫星平台多采用上述微处理器进行星载计算机系统的设计。
[0006]国际上许多国家和研究机构，如英国Surrey空间中心、斯图加特大学空间系统研究所、澳大利亚卫星系统合作研究中心以及美国NASA等，都将可重构计算技术作为下一代空间飞行器计算系统的发展方向而投入大量资源进行研究。可重构计算机使卫星的数据处理能力产生了质的飞跃，如NASA 1999年研发的LandSAT7星载可重构协处理器的计算能力就已超过当时较为先进的1.8GHZ Pentium4计算机。因此基于FPGA的可重构计算技术已成为嵌入式环境下，高效率、低功耗、低成本和高可靠计算的首选。
[0007]与传统处理器的冯诺依曼结构或哈佛结构的结构不同，基于FPGA的可重构处理器采用的是根据特定应用的定制计算结构。目前，国外相关研究人员针对流水线技术，并行计算技术等开展研究，设计目标包括提高计算速度，降低计算延迟，提高数据吞吐率等。这些研究本质上都是基于FPGA的定制化加速计算引擎，虽然证明了采用FPGA实现高效可重构计算的可行性，但计算结构普遍缺乏通用性，且开发效率低下，研究成果的可扩展性不尚O
[0008]目前，FPGA工艺分为反熔丝工艺、Flash工艺及SRAM工艺，目前，前两种工艺对应的最新FPGA其资源和速度小于最新SRAM工艺2个数量级。这是由于其工艺水平决定，且在未来可预见的时期内，这一差距不会缩小，只会加大。而SRAM工艺FPGA由于其工艺特点，导致其在空间应用中存在单粒子效应、总剂量效应等问题。宇航级的SRAM FPGA基本解决的这些问题，在可查到的NASA及欧空局的众多航天器中均已使用该类型FPGA作为其航天器星载计算机或高性能计算模块，但是由于美国对中国禁运高性能的宇航级FPGA，即使是性能相对较低的宇航级芯片其价格也十分昂贵，并不适应于微小卫星等成本敏感型应用。而目前，由于国内微电子工艺水平较低，导致国产FPGA的发展水平相对较低，即使是国内商业级FPGA技术水平也仅能与国外第2代FPGA水平相当(目前国外已发展至第7代FPGA)，更何况宇航级FPGA。目前可行的方案是利用高性能非宇航级SRAM FPGA作为成本敏感型的高性能星载计算机处理器，通过从架构上研究设计提升系统可靠性及容错性能，解决其在空间应用中可能存在的问题，目前国内对星载计算机的研究现状也正反映了这一趋势。
[0009]国内针对基于FPGA的星载计算机研究少部分聚焦于采用抗辐射SRAM FPGA的星载计算机的设计理念上，如，哈尔滨工业大学的王松，其在FPGA XQR2V3000内部实现双核MicroBlaze处理器系统，该处理器性能较弱，且为非容错计算处理器。当前国内针对基于非抗辐照SRAM工艺FPGA的星载计算机的研究也已经起步，特别是针对如单粒子效应、总剂量效应及可靠性等相关问题，国内一些机构及高校也展开了针对性的研究，也取得了一定的进展，但仍存在问题。如，针对单粒子闩锁效应，国防科学技术大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、北京微电子技术研究所等研究机构，均开展了相关研究，他们提出的解决方案基本相近，利用电路检测FPGA的工作电流实时监控是否发生单粒子闩锁效应，并利用及时切断电源实现对系统的保护，具有一定的实用价值，但其均未考虑系统的任务连续性及安全性问题，而这些未考虑的问题需要在系统整体设计中进行规划设计；针对单粒子翻转问题，研究较多，采用的技术手段主要集中于三模冗余、动态刷新及动态部分重构技术等方向上，如上海交通大学的基于软件表决的三模冗余星载计算机相关研究，其利用商业的软核处理器实现三模处理器系统，研究了利用程序检查点进行同步的方式进行同步的问题，但其对于故障恢复同步不能做到对当前任务的不影响；北京空间机电研究所的黄伟，针对基于SRAM FPGA三模冗余方式通过增添表决器进行了改进，一定程度上提升了可靠性；在进行三模冗余后，一些研究结构展开了针对三模冗余和配置刷新相结合的研究，如中电54所、北京遥测技术研究所、西安电子科技大学等单位均对配置刷新进行了相关研究，但均未与卫星实际任务相结合，未考虑系统的同步及任务连续性工作的问题；北京航空航天大学设计的一种冗余仲裁机制的可重构星载计算机，采用嵌入双核PowerPC处理器的高性能异构FPGA实现了高性能的具有部分重构能力的星载计算平台，湖南大学利用JBits工具设计了可应用于空间太阳望远镜的可重构数据处理系统；哈尔滨工业大学针对高性能异构FPGA的结构，提出了微码向量化处理器的方法，采用微码结构代替标量处理器，实现了更加紧致通用的向量化处理器结构，并且将该结构成功的应用到非线性递归等计算方法中。目前正在针对该微码向量化处理器的仿真工具、ALU全流水优化设计等开展工作。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是为了解决采用SRAM FPGA作为卫星信息