可重构星载计算机体系结构与容错技术研究

摘要

随着微小型航天器技术的不断进步，现代小卫星在体积、重量、成本和功耗均不断降低的同时，功能却不断增强。可重构星载计算机不但能够在单片芯片上集成大量硬件电路和计算单元，而且能够根据任务需求灵活配置计算机内部电路结构与外部接口，从而拥有强大的计算能力与较高的集成度。本文结合某“十一五”预研项目和某国家高技术研究发展项目(863)，对可重构星载计算机的相关技术进行了深入研究。研究内容主要集中在可重构星载计算机的体系结构设计和容错技术两个方面，具体工作如下：
　　针对传统可重构星载计算机在多任务并行处理方面存在的局限性，提出了一种面向多任务的可重构星载计算机体系结构。通过在实时操作系统中建立FPGA资源与任务进程的动态关联，实现了星上任务与可重构硬件资源的协同管理，使得可重构星载计算机具备根据任务需求自主调节硬件结构的能力。基于ML403开发板构建了原型系统，经过对比实验其结果显示可重构星载计算机对多任务的并行处理能力得到明显增强。此外由于加入了动态的FPGA资源管理与分配机制，计算机对FPGA的利用效率得到提高，对辐射损伤的应对能力也得到增强。
　　针对星箭一体化航天器在不同任务阶段对计算机性能和可靠性的不同需求，对可重构星载计算机分时复用方法进行了研究，分别设计了用于并行计算的高性能运载模式与具有动态修复功能的高可靠性在轨模式两种三处理器 FPGA片内处理系统，并通过快速重构在同一片FPGA中对这两个系统分时实现。该方法具有定制程度较高的特点，能够有效缩短可重构星载计算机的开发周期，进而加快一体化航天器的研制进程。通过针对该方法建立的同步数据流与Markov状态转移模型，对计算机的性能与可靠性进行了理论分析，并经与普通三模冗余系统的比较，结果表明基于该方法设计的可重构星载计算机具有更高的长期可靠性。
　　针对可重构星载计算机的核心器件FPGA对空间辐射敏感的问题，对其故障屏蔽与修复技术进行了研究。研究首先提出了一种基于FPGA片内RAM的抗辐射有限状态机电路，通过将传统由可编程逻辑单元构成的电路，转化为受冗余校验编码保护的电路加以实现，从而使得FPGA中有限状态机电路对空间辐射的抵抗能力明显提高，进而提高了可重构星载计算机整体的可靠性。接下来提出了一种用于NPC问题求解，能够支持非CNF格式输入的改进型GSAT算法，并将其应用于FPGA的永久性故障电路修复，从而有效解决了FPGA的永久性辐射损伤将直接导致可重构星载计算机整体失效的问题。该算法所需的计算量较小，内存占用量也较少，能够适用于计算能力与硬件资源受限的星上环境。
　　针对传统数学仿真在可重构星载计算机设计中存在的局限性，基于Matlab/Simulink与Modelsim建立了一种跨学科数字化协同仿真系统，实现了可重构星载计算机硬件电路在控制系统中数字化的仿真验证。基于单轴气浮转台构建了可重构星载计算机在回路中的半物理仿真验证环境，针对某型号微小型航天器的实际需求，设计实现了可重构星载计算机工程样机，并对工程样机的计算能力、闭环控制效果与错误应对机制等方面进行了半物理的仿真验证。仿真结构显示所设计的可重构星载计算机工程样机不但具有很强的计算能力和理想的闭环控制效果，还具有较短的重构时间和有效的故障检测与修复机制，能够满足目标航天器的实际工程需求。

目录

可重构星载计算机体系结构与容错技术研究

RESEARCH ON ARCHITECTURE OF RECONFIGURABLE ON-BOARD-COMPUTER AND FAULT TOLERANT TECHNOLOGY

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 研究目的和意义

1.3 可重构星载计算机技术发展和研究现状

1.3.1 可重构计算机在微小卫星领域应用实例

1.3.2 可重构星载计算机体系结构

1.3.3 可重构星载计算机容错技术

1.4 论文主要内容与结构

第2章 面向多任务的可重构星载计算机体系结构设计与分析

2.1 引言

2.2 FPGA资源动态管理策略

2.3 面向多任务的可重构星载计算机体系结构

2.3.1 模拟干细胞的FPGA资源管理机制

2.3.2 计算机系统结构

2.3.3 重构调度方案

2.4 结合实时操作系统的FPGA资源动态管理

2.5 快速定制与设计

2.6 在轨升级与自我修复

2.6.1 软硬件一体化在轨升级

2.6.2 在轨自我修复机制

2.7 测试及结果分析

2.8 本章小结

第3章 多处理器可重构计算机分时复用方法及可靠性分析

3.1 引言

3.2 系统框架

3.3 快速重构及复用方法

3.4 运载模式技术实现与性能分析

3.4.1 运载模式技术实现

3.4.2 基于同步数据流的性能分析

3.5 在轨模式技术实现与可靠性分析

3.5.1 在轨模式技术实现

3.5.2 基于Markov模型的可靠性分析

3.6 本章小结

第4章 可重构星载计算机的故障屏蔽与修复

4.1 引言

4.2可重构星载计算机故障类型及现有容错技术分析

4.3 可重构星载计算机高可靠性电路结构设计

4.3.1 开发工具对FSM电路可靠性的影响

4.3.2 基于FPGA内置RAM的抗辐射FSM电路

4.4 基于NPC问题求解的FPGA永久性电路故障修复技术

4.4.1 FPGA中永久性电路故障修复原理

4.4.2 FPGA永久性电路故障修复技术

4.4.3 仿真实验及结果分析

4.5 本章小结

第5章 可重构星载计算机技术仿真验证

5.1 引言

5.2 基于数字化仿真验证平台的仿真验证

5.2.1数字化仿真验证平台结构

5.2.2跨学科协同仿真技术

5.2.3跨学科协同仿真原型系统

5.3 工程样机设计与实现

5.3.1电气拓扑结构

5.3.2样机结构

5.3.3重构方式与机理

5.3.4硬件电路功能单元

5.4基于工程样机的半物理仿真系统及仿真结果分析

5.5本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历