实时操作系统在星载计算机中的应用

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，有助于星载软件的通用化和模块化设计，缩短软件产品的研制周期，提高星载软件的可靠性。

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的设计方法，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，对实时性要求很高；
·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。

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1988年开始开发，并于1999年开始对外开放源代码，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料。RTEMS由于具有开放源代码的优势，以及能与最优秀的商业RTOS相媲美的性能，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；
·支持优先级同级调度，支持单调速率（RMS）算法；
·支持多种任务间通信与同步方法；
·支持中断管理；
·支持动态内存分配与管理；
·支持符合POSIX标准的文件系统；
·支持多种网络协议，RTEMS带有完整的TCP/IP协议栈，具有强大的网络功能；
·RTEMS提供了符合POSIX1003.1b标准，以及ITRON规范的API接口；
·RTEMS支持C/Ada语言；
·RTEMS现在能支持包括ERC32（欧空局用于航天项目的CPU）在内的11种类型的CPU（包括Motorola MC68K系列、ColdFire、Hitachi SH、intel i386、i960、MIPS、PowerPC、SPARC、AMD A29K、HP PA-RISC）。

2.2 RTEMS的使用与开发方法

RTEMS的开发工具采用GNU的相关开发工具，但需要打上RTEMS的补丁。如编译器采用GCC，调试工具采用GDB。

用户编写应用程序，就是根据RTEMS提供的系统服务，通过API调用编写任务程序。RTEMS提供的系统服务相当丰富，包括：任务管理、中断管理、时钟管理、定时器管理、信号量服务、消息服务、事件服务、信号服务、内存分区（Partition）与区域（Region）管理、双口内存管理、I/O管理以及多任务调度等。
当需要将开发完成的程序向硬件板卡下载时，还需要修改BSP板级支持包文件。BSP部分是与硬件相关的，把BSP作为单独的一部分是为了使RTEMS具有更好的可移植性。因为相同的代码，加上不同的BSP就可以应用到不同的CPU板上。

在调试程序时，可以先把串口打通，这样可以方便下载程序，也可以利用GDB工具或者它的图形界面方式DDD调试程序。方便软件的开发与调试。

采用RTEMS操作系统的开发方法，可以不用关心操作系统内部如何实现多任务之间的协调工作等RTOS具体的技术细节，只需要按照RTOS提供的API调用系统服务即可。能够充分利用成熟的技术，快速开发星载软件。但也有一定局限性，RTEMS是属于比较复杂的RTOS，至少需要60KB左右的内存空间才能使系统运转起来。因此对硬件要求相对苛刻一些。而且有些CPU，RTEMS还不支持，如国内在航天领域常用的1750A CPU，RTEMS就不支持。
因此，使用RTEMS有一定的局限性，当RTEMS不适合使用时，可以考虑自行研制星载实时操作系统。下面以笔者开发的SAR-RTOS为例介绍星载实时操作系统的设计。