星載計算機,，顧名思義,，也就是在衛(wèi)星上使用的計算機系統(tǒng),。
星載計算系統(tǒng)是計算機技術(shù)在空間環(huán)境下的應(yīng)用,，負責完成空間飛行器的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)的特殊計算機系統(tǒng),。由于空間環(huán)境的惡劣條件,，從而對星載計算系統(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“不可能完成的任務(wù)”,。
就是這樣“不可能完成的任務(wù)”，伴隨著中國技術(shù)整體實力的提升,，中國力量正在崛起之中,。
中國更多選用SPARC架構(gòu)
由于星載計算機的使用環(huán)境的特殊性，以及對于穩(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)星載計算機系統(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算機使用。
在航天領(lǐng)域,，美國現(xiàn)在使用的高端星載計算機,，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對其空間研發(fā)能力的制約而獨立開發(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?？梢哉fSPARC體系結(jié)構(gòu)的CPU在今后的航天計劃中將發(fā)揮更大作用,。
就中國星載計算機而言，目前來看SPARC架構(gòu)更受歡迎,。特別是因為SPARC架構(gòu)的開源優(yōu)勢,，可以讓資本并不雄厚的IC設(shè)計企業(yè)省下一大筆開發(fā)經(jīng)費。目前國內(nèi)研究與使用SPARC架構(gòu)的機構(gòu)有西安微電子研究所,、北京微電子研究所,、國防科技大學、航天二院,、哈爾濱工業(yè)大學,、北京理工大學、北京航空航天大學,、珠海歐比特控制工程股份有限公司等。
2013年由中國航天科技集團公司五院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，大大提升了我國在抗輻照SoC芯片研制方面的技術(shù)水平,，如系統(tǒng)設(shè)計,、仿真與驗證技術(shù)，軟硬件協(xié)同設(shè)計與驗證技術(shù),、抗輻射加固設(shè)計及容錯設(shè)計技術(shù),、多核SoC設(shè)計技術(shù)、IP(知識產(chǎn)權(quán))復(fù)用及IP集成技術(shù),、高可靠實時操作系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)等,。
SoC2012芯片內(nèi)部集成四個SPARC V8內(nèi)核，每個內(nèi)核包含32位整數(shù)處理單元,，單,、雙精度浮點處理單元，獨立的指令和數(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32位定時器,，兩個串口，32位通用I/O接口,，看門狗,，存儲器控制器及1553B總線控制器,。這一處理器已經(jīng)有了在中國多項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向中國開放了Power架構(gòu),，這給我國開發(fā)星載計算機有了另外一個可行的選擇。不過由于星載計算機研發(fā),、驗證周期很長,，加之IBM向?qū)χ袊D(zhuǎn)讓技術(shù)時特別強調(diào)要滿足美國出口技術(shù)規(guī)定，可能存在技術(shù)性障礙,，所以具體什么時間出現(xiàn)該架構(gòu)的中國星載計算機硬件芯片目前并不明朗,。
操作系統(tǒng)正在進化中
星載計算機的硬件架構(gòu)僅僅是讓星載計算機有了一個強壯的身軀和反應(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航天任務(wù),。從某種程度上,，說一個好的操作系統(tǒng)才是星載計算機的核心，這直接關(guān)系到整個衛(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，相信大家都不會陌生,，它們都是操作系統(tǒng),，即對計算機的各種資源進行管理的軟件，是計算機能夠運行的靈魂,，美國的一些航天器上用的是VxWorks操作系統(tǒng),。而中國則是中國航天科技集團公司五院從2001年就開始研發(fā)星載計算機特有的操作系統(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，對安全性,、可靠性等要求要苛刻許多,。地面使用的計算機死機了可以重啟，壞了還可以換新的,，但飛行器上的計算機開機了通常就不會再關(guān)閉或重啟,。在軌運行時間較長的衛(wèi)星壽命可達十幾年，這也就意味著計算機程序要同步運行十幾年不出現(xiàn)問題,。
更重要的是,，對于航天這樣的事關(guān)國家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，“拿來主義”是很危險的,。而要研發(fā)自己的操作系統(tǒng),，相關(guān)核心技術(shù)國外嚴密封鎖，想要借用也沒有可能,。
面對這種情況,，中國技術(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成功在軌運行。那時的操作系統(tǒng)功能簡單,，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,，在很多方面都實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，并成功應(yīng)用到了嫦娥三號巡視器的中心控制計算機上,。在任務(wù)調(diào)度和內(nèi)存管理方面,，SpaceOS2可以同時管理幾十個任務(wù)，與原來5個任務(wù)相比,，提高了一個量級,，同時可以做到快速、有序存儲,。
2016年中國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,，還有天宮二號等重大任務(wù)出現(xiàn),。相信隨著中國航天實踐的走入伸入，中國的星載計算機也將不斷進化,，將會有更多,、更新、更強,、更可靠的星載計算機系統(tǒng)出現(xiàn),。