【精品新闻】独家揭秘：你了解中国的星载计算机吗？

星载计算机，顾名思义，也就是在卫星上使用的计算机系统。

星载计算系统是计算机技术在空间环境下的应用，负责完成空间飞行器的控制和数据处理任务的特殊计算机系统。由于空间环境的恶劣条件，从而对星载计算系统在性能、可靠性和成本上提出了巨大的挑战。在高昂的研究与制造费用、有限的硬件资源、恶劣的使用环境约束下，要确保海量数据处理的高可靠性几乎是一个“不可能完成的任务”。

就是这样“不可能完成的任务”，伴随着中国技术整体实力的提升，中国力量正在崛起之中。

中国更多选用SPARC架构

由于星载计算机的使用环境的特殊性，以及对于稳定性、抗干扰性的苛刻要求，从硬件整体架构上来看，目前在世界范围内星载计算机系统中所使用的处理器架构主要有两种，一种是由美国使用的POWERPC架构，另一种就是欧洲主导的SPARC架构。而在商业应用上常见的ARM、X86、MIPS等架构由于种种原因并不能顺利的在星载计算机使用。

在航天领域，美国现在使用的高端星载计算机，采用的是基于POWERPC体系结构的。欧洲太空局为了摆脱美国对其空间研发能力的制约而独立开发了基于SPARC V7架构的面向空间应用的微处理器：ERC32，其辐射加固版本已经成熟使用于航天环境中。2006年5月22日，基于LEON SPARC V8的处理器也成功使用于航天工程。可以说SPARC体系结构的CPU在今后的航天计划中将发挥更大作用。

就中国星载计算机而言，目前来看SPARC架构更受欢迎。特别是因为SPARC架构的开源优势，可以让资本并不雄厚的IC设计企业省下一大笔开发经费。目前国内研究与使用SPARC架构的机构有西安微电子研究所、北京微电子研究所、国防科技大学、航天二院、哈尔滨工业大学、北京理工大学、北京航空航天大学、珠海欧比特控制工程股份有限公司等。

2013年由中国航天科技集团公司五院502所牵头研制的SoC2012芯片就是一款基于SPARC V8体系结构的面向航天嵌入式应用的高性能、低功耗32位抗辐射嵌入式片上系统芯片。

SoC2012研制成功，大大提升了我国在抗辐照SoC芯片研制方面的技术水平，如系统设计、仿真与验证技术，软硬件协同设计与验证技术、抗辐射加固设计及容错设计技术、多核SoC设计技术、IP(知识产权)复用及IP集成技术、高可靠实时操作系统设计技术等。

SoC2012芯片内部集成四个SPARC V8内核，每个内核包含32位整数处理单元，单、双精度浮点处理单元，独立的指令和数据Cache，硬件乘法器和除法器，中断控制器，硬件调试单元，五个32位定时器，两个串口，32位通用I/O接口，看门狗，存储器控制器及1553B总线控制器。这一处理器已经有了在中国多项航天工程上使用的案例，充分说明了它优秀的可靠性。

在2014年年底IBM向中国开放了Power架构，这给我国开发星载计算机有了另外一个可行的选择。不过由于星载计算机研发、验证周期很长，加之IBM向对中国转让技术时特别强调要满足美国出口技术规定，可能存在技术性障碍，所以具体什么时间出现该架构的中国星载计算机硬件芯片目前并不明朗。

操作系统正在进化中

星载计算机的硬件架构仅仅是让星载计算机有了一个强壮的身躯和反应迅速的大脑，还需要“灵魂”——操作系统的参与才能完成整个航天任务。从某种程度上，说一个好的操作系统才是星载计算机的核心，这直接关系到整个卫星的稳定性和整体性能。

说起微软的Windows，苹果的Mac OS以及谷歌的Android，相信大家都不会陌生，它们都是操作系统，即对计算机的各种资源进行管理的软件，是计算机能够运行的灵魂，美国的一些航天器上用的是VxWorks操作系统。而中国则是中国航天科技集团公司五院从2001年就开始研发星载计算机特有的操作系统——SpaceOS，并在2006年首飞成功。

目前SpaceOS尽管与普通家用的操作系统设计原理相似，但“上天”的操作系统为了适应恶劣太空环境，对安全性、可靠性等要求要苛刻许多。地面使用的计算机死机了可以重启，坏了还可以换新的，但飞行器上的计算机开机了通常就不会再关闭或重启。在轨运行时间较长的卫星寿命可达十几年，这也就意味着计算机程序要同步运行十几年不出现问题。

更重要的是，对于航天这样的事关国家安全的关键领域，“拿来主义”是很危险的。而要研发自己的操作系统，相关核心技术国外严密封锁，想要借用也没有可能。

面对这种情况，中国技术人员并没有被吓倒，而是奋起直追，现在SpaceOS已经有了两代产品出现。

2006年，SpaceOS1成功在轨运行。那时的操作系统功能简单，只做到了多种资源的管理和任务调度，却没有任务间的通信和动态内存管理等更为复杂的功能。随着航天任务的复杂程度越来越高，SpaceOS1也越来越“力不从心”，需要不断进化才能满足任务要求。之后经过2年研发，SpaceOS2正式推出，在很多方面都实现了质的飞跃，并成功应用到了嫦娥三号巡视器的中心控制计算机上。在任务调度和内存管理方面，SpaceOS2可以同时管理几十个任务，与原来5个任务相比，提高了一个量级，同时可以做到快速、有序存储。

2016年中国将有着密集的航天任务出现，发射次数有望超过20次，还有天宫二号等重大任务出现。相信随着中国航天实践的走入伸入，中国的星载计算机也将不断进化，将会有更多、更新、更强、更可靠的星载计算机系统出现。