基于COTS产品的高效能空间计算技术研究

doi:10.11959/j.issn.2096-8930.20200107

摘要/Abstract

摘要：

针对COTS产品的空间环境适应性问题，通过采用跨层协同的软件容错技术，开展空间计算样机的容错加固，设计并研制基于COTS产品的空间计算机，通过搭载末子级火箭，在轨开展了为期6个月的技术试验，试验结果表明，该方法能够提升COTS产品的空间环境适应性，对于推动商业货架产品的航天应用具有指导意义。

关键词: 容错计算, 单粒子效应, 空间计算, 软件容错

Abstract:

Aiming at the problem of space environment adaptability of COTS products,the fault tolerance reinforcement of space computer was carried out through crosss layer collaborative software fault tolerant technology.The space computer based on COTS product was designed and developed.Through carrying the last stage rocket,the on orbit technical test was carried out for six months.The test results show that the proposed method can improve the space environment adaptability of COTS products,it has guiding signifi cance to promote the aerospace application of commercial shelf products.

Key words: fault tolerant, single event phenomena, on-board computing, software fault tolerance

中图分类号:

TN393

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图/表 18

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参考文献 5

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对比项	低轨道（10²～10³km）	中轨道（10³～10⁴km）	地球同步轨道（36 000 km）	行星际飞行轨道
中性大气	阻力对轨道影响严重，原子氧对表面腐蚀严重	没有影响	没有影响	没有影响
等离子体	影响通信，电源泄漏	影响微弱	航天器表面充电问题严重	影响微弱
高能带电粒子	辐射带南大西洋异常区和高纬地区宇宙线诱发粒子事件，辐射带电粒子造成总剂量效应	辐射带和宇宙线的总剂量效应和单粒子效应严重	辐射带和宇宙线的总剂量效应和单粒子效应严重	辐射带和宇宙线的总剂量效应和单粒子效应严重
地球磁场	磁力矩对航天器姿态影响严重，磁场可作为姿态测量参考系	磁力矩对航天器姿态有影响	影响微弱	没有影响
太阳电磁辐射	对表面材料性能有影响	对表面材料性能有影响	对表面材料性能有影响	对表面材料性能有影响
地球大气辐射	对航天器辐射收支有影响	影响微弱	没有影响	没有影响
流星体	有低碰撞概率	有低碰撞概率	有低碰撞概率	有低碰撞概率

单粒子效应	含义
单粒子翻转（Single Event Upset，SEU）	存储单元逻辑状态改变
单粒子闭锁（Single Event Latchup，SEL）	PNPN 结构中的大电流再生状态
单粒子烧毁（Single Event Burnout，SEB）	大电流导致器件烧毁
单粒子栅穿（Single Event Gate Rupture，SEGR）	栅介质因大电流流过而击穿
单粒子多位翻转（Multiple Bit Upset，MBU）	导致多位存储信息翻转
单粒子扰动（Single Event Disturb，SED）	存储单元逻辑状态出现瞬时改变
单粒子瞬态脉冲（Single Event Transient，SET）	电流引起的瞬态电压变化，通常是毛刺
单粒子快速反向（Single Event Snapback，SES）	MOS器件中产生的大电流再生状
单粒子功能中断（Single Event Function Interrupt，SEFI）	一个翻转导致控制部件出错
单粒子位移损伤（Single Particle Damage，SPDD）	因位移效应造成的永久损伤
单粒子位硬错误（Single Hard Error，SHE）	单个位出现不可恢复性错误

故障模式	粒子类型	敏感对象
单粒子翻转	高能质子/重离子	逻辑器件、单/双稳态器件
单粒子锁定	高能质子/重离子	CMOS器件
单粒子烧毁	高能质子/重离子	功率MOSFET
单粒子栅击穿	高能质子/重离子	功率MOSFET

类别	对比项	描述
处理器系统单元（PS）	处理核心	双核ARM Cortex-A9标准ARM指令集合Thumb-2、Jazelle RTC和Jazelle DBX Java加速
	协处理器	NEON 128位SIMD协处理器和VFPv3每核
	最高主频	866 MHz
	一级I缓存	32 kB指令Cache每核支持奇偶校验
	一级D缓存	32 kB数据Cache每核支持奇偶校验
	二级缓存	512 kB双核共享，支持奇偶校验
	片内内存OCM	256 kB支持奇偶校验
	片外内存	DDR3，1 GB
	存储容量	4 GB TF卡
可编程逻辑单元（PL）	Logic核心	28 nm Xilinx 7 Series Artix-7 FPGA
	可编程逻辑单元	2.8逻辑单元（约43万ASIC逻辑门）
	LUTs	17 600个
	触发器	35 200个
	RAM	240 kB
	DSP slice	80个
其他情况	外设	2×CAN 2.0 B，1 000 Mbit/s以太网
	供电	1路，5 V/2 A
	裸板尺寸	102 mm×63 mm×1.6 mm

组成	薄弱环节		单粒子效应的主要表现
处理板	ARM	1级D Cache	数据错误、计算结果错误
		1级I Cache	功能错误、程序跑飞等
		2级Cache	数据错误、计算结果错误
	FPGA	配置存储器	FPGA配置错误、功能失效
	FPGA	用户存储器	数据错误、计算结果错误
	DDR缓存		数据错误、计算结果错误
	NAND Flash存储（512 MB）		数据错误、计算结果错误
	QSPI Flash存储（16 MB）		数据错误、操作系统崩溃等
存储板	FPGA		存储功能失效、数据读写异常
	ARM		存储地址错误、数据读写异常
	DDR2		存储数据错误、计算结果错误
	Flash阵列		存储数据错误、计算结果错误
总线	CAN控制器		功能失效
总线	SRIO控制器		功能失效