实时操作系统在星载计算机中的应用

    关键词：实时操作系统 星载计算机 RTOS

随着我国航天技术的不断发展，越来越多的卫星应用在通讯、资源探测、遥感、气象、对地观察等领域。卫星的功能越来越强，对星务管理和有效载荷控制的星载计算机提出了更高的要求。星载计算机软硬件系统日趋复杂，传统的星载计算机软硬件设计方法，特别是软件的设计方法和开发手段已逐渐不适应这种要求。引入实时操作系统（RTOS）能够有效地解决这些问题。RTOS把任务管理调度、任务间通信、内存管理等系统功能以函数调用的方式提供给用户，使用户能够将精力放在应用程序的开发上，有助于星载软件通用化和模块化设计，缩短软件产品的研制周期，提高星载软件 可靠性。

RTOS已经成功运用在包括航天在内的许多嵌入式领域，如SJ-5小卫星就成功应用了pSOS操作系统。但这种无法获得源码的操作系统，无法确定其安全性。因此应该选用源码开放的RTOS或者自己独立设计一种适合自身系统的RTOS。本文将介绍一种适合于航天应用，特别是面向关键任务（Critical Oriented）的源码开放的RTOS——RTEMS；探索自己开发RTOS设计方法，并对两种方案进行比较。

1 星载计算机与星载操作系统的特点

星载计算机是RTOS运行的硬件环境，了解其特点对于RTOS的选用和设计将更有针对性。星载计算机主要用于卫星的星务管理、数据处理、姿态控制以及对有效载荷进行控制等。根据空间环境、可靠性、安全性、寿命、功耗、重量等方面的要求，星载计算机应具有如下特点：

·硬件资源有限，受功耗、尺寸的限制，星载计算机只有有限的内存空间；

·CPU型号多样，但不属于通用型CPU，配套的调试工具少。从8位的8031到16位的1750A、8086，到32位的ERC32、80X86，不同的型号任务，不同的研制单位采用不同的CPU型号；

·需要考虑空间抗辐射能力，必须考虑单粒子翻转（SEU）和单粒子锁定（SEL）对星载计算机的影响；

·对安全性与可靠性要求高；

·需要具有在轨可编程功能，对在地面考虑不周和出现意外情况时，能有所补救。

针对星载计算机的这些特点，星载操作系统也具有如下特征：

·微内核，由于硬件资源有限，因此星载RTOS必须做成微内核的操作系统；

*可裁减，能够根据不同的应用对操作系统进行不同的配置，做到量体裁衣，也能更充分地利用硬件资源，减少软件多余物；

·强实时性，星载系统都是强实时系统，对实现性要求很高；

·高稳定性与高可靠性；

·代码可固化，在现在的星载计算机中仍然采用PROM对代码进行固化，这就要求星载RTOS必须是代码可固化的。
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2 采用RTEMS作为星载实时操作系统

2.1 RTEMS实时操作系统

RTEMS（Real-Time Executive for Multiprocessor Systems）实时操作系统最初是美国军方为了实时导弹系统而开发的。当时RTEMS的全称是：Real-Time Executive for Missile Systems。随着该系统功能的逐步完善，应用范围也从Missile扩大到Military，再到Multiprocessor，而形成现在的RTEMS。RTEMS从1993年开始开发，并于1999年开始地外开放源代码，并由OAR公司进行维护和升级。现在最新版本为4.6.0，在OAR的网站（www.oarcorp.com）上可以下载到相关资源。RTEMS由于具有开放源代码的优势，以及能与最优秀的商业RTOS相的性能，使得它最适合应用到星载计算机中。RTEMS有如下特点：

·支持多处理器；

·支持事件驱动和基于优先级的多任务实时系统；