星載計(jì)算機(jī)，顧名思義，也就是在衛(wèi)星上使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
星載計(jì)算系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在空間環(huán)境下的應(yīng)用，負(fù)責(zé)完成空間飛行器的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)的特殊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于空間環(huán)境的惡劣條件，從而對(duì)星載計(jì)算系統(tǒng)在性能、可靠性和成本上提出了巨大的挑戰(zhàn)。在高昂的研究與制造費(fèi)用、有限的硬件資源、惡劣的使用環(huán)境約束下，要確保海量數(shù)據(jù)處理的高可靠性幾乎是一個(gè)“不可能完成的任務(wù)”。
就是這樣“不可能完成的任務(wù)”，伴隨著中國(guó)技術(shù)整體實(shí)力的提升，中國(guó)力量正在崛起之中。
中國(guó)更多選用SPARC架構(gòu)
由于星載計(jì)算機(jī)的使用環(huán)境的特殊性，以及對(duì)于穩(wěn)定性、抗干擾性的苛刻要求，從硬件整體架構(gòu)上來看，目前在世界范圍內(nèi)星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所使用的處理器架構(gòu)主要有兩種，一種是由美國(guó)使用的POWERPC架構(gòu)，另一種就是歐洲主導(dǎo)的SPARC架構(gòu)。而在商業(yè)應(yīng)用上常見的ARM、X86、MIPS等架構(gòu)由于種種原因并不能順利的在星載計(jì)算機(jī)使用。
在航天領(lǐng)域，美國(guó)現(xiàn)在使用的高端星載計(jì)算機(jī)，采用的是基于POWERPC體系結(jié)構(gòu)的。歐洲太空局為了擺脫美國(guó)對(duì)其空間研發(fā)能力的制約而獨(dú)立開發(fā)了基于SPARC V7架構(gòu)的面向空間應(yīng)用的微處理器：ERC32，其輻射加固版本已經(jīng)成熟使用于航天環(huán)境中。2006年5月22日，基于LEON SPARC V8的處理器也成功使用于航天工程。可以說SPARC體系結(jié)構(gòu)的CPU在今后的航天計(jì)劃中將發(fā)揮更大作用。
就中國(guó)星載計(jì)算機(jī)而言，目前來看SPARC架構(gòu)更受歡迎。特別是因?yàn)镾PARC架構(gòu)的開源優(yōu)勢(shì)，可以讓資本并不雄厚的IC設(shè)計(jì)企業(yè)省下一大筆開發(fā)經(jīng)費(fèi)。目前國(guó)內(nèi)研究與使用SPARC架構(gòu)的機(jī)構(gòu)有西安微電子研究所、北京微電子研究所、國(guó)防科技大學(xué)、航天二院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、珠海歐比特控制工程股份有限公司等。
2013年由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院502所牽頭研制的SoC2012芯片就是一款基于SPARC V8體系結(jié)構(gòu)的面向航天嵌入式應(yīng)用的高性能、低功耗32位抗輻射嵌入式片上系統(tǒng)芯片。
SoC2012研制成功，大大提升了我國(guó)在抗輻照SoC芯片研制方面的技術(shù)水平，如系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與驗(yàn)證技術(shù)，軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)、抗輻射加固設(shè)計(jì)及容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)、多核SoC設(shè)計(jì)技術(shù)、IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))復(fù)用及IP集成技術(shù)、高可靠實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等。
SoC2012芯片內(nèi)部集成四個(gè)SPARC V8內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核包含32位整數(shù)處理單元，單、雙精度浮點(diǎn)處理單元，獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)Cache，硬件乘法器和除法器，中斷控制器，硬件調(diào)試單元，五個(gè)32位定時(shí)器，兩個(gè)串口，32位通用I/O接口，看門狗，存儲(chǔ)器控制器及1553B總線控制器。這一處理器已經(jīng)有了在中國(guó)多項(xiàng)航天工程上使用的案例，充分說明了它優(yōu)秀的可靠性。
在2014年年底IBM向中國(guó)開放了Power架構(gòu)，這給我國(guó)開發(fā)星載計(jì)算機(jī)有了另外一個(gè)可行的選擇。不過由于星載計(jì)算機(jī)研發(fā)、驗(yàn)證周期很長(zhǎng)，加之IBM向?qū)χ袊?guó)轉(zhuǎn)讓技術(shù)時(shí)特別強(qiáng)調(diào)要滿足美國(guó)出口技術(shù)規(guī)定，可能存在技術(shù)性障礙，所以具體什么時(shí)間出現(xiàn)該架構(gòu)的中國(guó)星載計(jì)算機(jī)硬件芯片目前并不明朗。
操作系統(tǒng)正在進(jìn)化中
星載計(jì)算機(jī)的硬件架構(gòu)僅僅是讓星載計(jì)算機(jī)有了一個(gè)強(qiáng)壯的身軀和反應(yīng)迅速的大腦，還需要“靈魂”——操作系統(tǒng)的參與才能完成整個(gè)航天任務(wù)。從某種程度上，說一個(gè)好的操作系統(tǒng)才是星載計(jì)算機(jī)的核心，這直接關(guān)系到整個(gè)衛(wèi)星的穩(wěn)定性和整體性能。
說起微軟的Windows，蘋果的Mac OS以及谷歌的Android，相信大家都不會(huì)陌生，它們都是操作系統(tǒng)，即對(duì)計(jì)算機(jī)的各種資源進(jìn)行管理的軟件，是計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行的靈魂，美國(guó)的一些航天器上用的是VxWorks操作系統(tǒng)。而中國(guó)則是中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院從2001年就開始研發(fā)星載計(jì)算機(jī)特有的操作系統(tǒng)——SpaceOS，并在2006年首飛成功。
目前SpaceOS盡管與普通家用的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理相似，但“上天”的操作系統(tǒng)為了適應(yīng)惡劣太空環(huán)境，對(duì)安全性、可靠性等要求要苛刻許多。地面使用的計(jì)算機(jī)死機(jī)了可以重啟，壞了還可以換新的，但飛行器上的計(jì)算機(jī)開機(jī)了通常就不會(huì)再關(guān)閉或重啟。在軌運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的衛(wèi)星壽命可達(dá)十幾年，這也就意味著計(jì)算機(jī)程序要同步運(yùn)行十幾年不出現(xiàn)問題。
更重要的是，對(duì)于航天這樣的事關(guān)國(guó)家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，“拿來主義”是很危險(xiǎn)的。而要研發(fā)自己的操作系統(tǒng)，相關(guān)核心技術(shù)國(guó)外嚴(yán)密封鎖，想要借用也沒有可能。
面對(duì)這種情況，中國(guó)技術(shù)人員并沒有被嚇倒，而是奮起直追，現(xiàn)在SpaceOS已經(jīng)有了兩代產(chǎn)品出現(xiàn)。
2006年，SpaceOS1成功在軌運(yùn)行。那時(shí)的操作系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，只做到了多種資源的管理和任務(wù)調(diào)度，卻沒有任務(wù)間的通信和動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理等更為復(fù)雜的功能。隨著航天任務(wù)的復(fù)雜程度越來越高，SpaceOS1也越來越“力不從心”，需要不斷進(jìn)化才能滿足任務(wù)要求。之后經(jīng)過2年研發(fā)，SpaceOS2正式推出，在很多方面都實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，并成功應(yīng)用到了嫦娥三號(hào)巡視器的中心控制計(jì)算機(jī)上。在任務(wù)調(diào)度和內(nèi)存管理方面，SpaceOS2可以同時(shí)管理幾十個(gè)任務(wù)，與原來5個(gè)任務(wù)相比，提高了一個(gè)量級(jí)，同時(shí)可以做到快速、有序存儲(chǔ)。
2016年中國(guó)將有著密集的航天任務(wù)出現(xiàn)，發(fā)射次數(shù)有望超過20次，還有天宮二號(hào)等重大任務(wù)出現(xiàn)。相信隨著中國(guó)航天實(shí)踐的走入伸入，中國(guó)的星載計(jì)算機(jī)也將不斷進(jìn)化，將會(huì)有更多、更新、更強(qiáng)、更可靠的星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)。