霍 宏 李蘭蘭 劉衛(wèi)東 汪 洋

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

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基于TMS320C6701的飛行軟件加載模式研究

霍 宏 李蘭蘭 劉衛(wèi)東 汪 洋

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

TMS320C6701具有很好的抗輻照特性，適用于深空探測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間在軌飛行，在運(yùn)載火箭上面級(jí)領(lǐng)域的飛行軟件中得到廣泛應(yīng)用。如何通過(guò)優(yōu)化TMS320C6701的加載模式、制定加載策略，提高飛行軟件運(yùn)行速度以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了TMS320C6701的引導(dǎo)方式，提出了基于TMS320C6701的飛行軟件三級(jí)加載模式和加載策略，能最大限度的減少飛行軟件運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)性能。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該方法對(duì)飛行軟件設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。

TMS320C6701；飛行軟件；三級(jí)加載

隨著我國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)展，為了進(jìn)一步適應(yīng)國(guó)際化市場(chǎng)需求，運(yùn)載火箭上面級(jí)技術(shù)和多星發(fā)射技術(shù)研究成為當(dāng)前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。運(yùn)載火箭上面級(jí)具備多次起動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間工作、自主飛行等技術(shù)特點(diǎn)，為了更好的適應(yīng)上面級(jí)在深空長(zhǎng)時(shí)間在軌飛行，要求上面級(jí)飛行軟件具有抗輻照特性，對(duì)于深空單粒子翻轉(zhuǎn)具有容錯(cuò)性。為了滿(mǎn)足上面級(jí)飛行軟件可靠性和安全性的要求，上面級(jí)飛行軟件規(guī)模越來(lái)越大，算法越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求也越來(lái)越高。因此，上面級(jí)飛行軟件對(duì)DSP芯片的性能要求越來(lái)越高，如何有效的對(duì)DSP芯片存儲(chǔ)空間進(jìn)行分配，優(yōu)化DSP芯片的加載模式成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1-2]。宇航級(jí)DSP芯片TMS320C6701與其他DSP芯片相比，具有抗輻照等特性，更適合于上面級(jí)飛行軟件的要求[3]，本文在對(duì)TMS320C6701引導(dǎo)方式研究的基礎(chǔ)上，提出了基于TMS320C6701的飛行軟件的三級(jí)加載模式和加載策略，對(duì)提高飛行軟件運(yùn)行速度,滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求具有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。

1 TMS320C6701

1.1 概述

宇航級(jí)DSP芯片TMS320C6701為通用32位浮點(diǎn)DSP處理器，DSP采用改進(jìn)的超長(zhǎng)指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)和多流水線(xiàn)技術(shù)，具有8個(gè)可并行的功能單元[4]，高度的并行結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、高速的時(shí)鐘頻率使其具有高達(dá)1600MIPS運(yùn)算能力，比通常使用的DSP計(jì)算速度快十幾倍，再加上其具有并行執(zhí)行、多功能、多任務(wù)的能力和豐富的指令集以及體積小、功耗低、易于使用的特點(diǎn)，使它非常適合在嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用[5]，但其內(nèi)部程序空間和數(shù)據(jù)空間獨(dú)立編址，且內(nèi)部程序空間和內(nèi)部數(shù)據(jù)空間容量?jī)H為64K字節(jié)，在使用上不如C6713等其他C6000系列的芯片靈活和方便，但宇航級(jí)DSP芯片TMS320C6701具有很好的抗輻照特性，適用于深空探測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間在軌飛行，對(duì)于單粒子翻轉(zhuǎn)等問(wèn)題具有一定的保護(hù)作用，在運(yùn)載火箭上面級(jí)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]。由于TMS320C6701內(nèi)部程序空間僅有64K字節(jié)的空間，內(nèi)部程序空間運(yùn)行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部空間，隨著飛行軟件對(duì)實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，如何優(yōu)化引導(dǎo)方式，充分利用內(nèi)部程序空間，保證飛行軟件實(shí)時(shí)運(yùn)行,滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求已成為當(dāng)前的研究難點(diǎn)。

1.2 引導(dǎo)方式

TMS320C6701提供了3種引導(dǎo)方式：不引導(dǎo)、片外ROM/FLASH引導(dǎo)以及通過(guò)主接口引導(dǎo)[7]。

1) 不引導(dǎo)：CPU 直接開(kāi)始執(zhí)行地址0 處的存儲(chǔ)器中的指令；

2) ROM/FLASH引導(dǎo)：位于外部 CE1 空間的ROM中64K字節(jié)的程序首先通過(guò)DMA被搬入地址0，然后開(kāi)始執(zhí)行地址0 處的指令，如圖1所示；

3) 主機(jī)引導(dǎo)：外部主機(jī)通過(guò)主機(jī)口初始化 CPU 的存儲(chǔ)空間，初始化完成后，將主機(jī)口控制寄存器中的DSPINT 位設(shè)置為1 ，結(jié)束引導(dǎo)過(guò)程，開(kāi)始執(zhí)行地址 0 處的指令。

圖1 TMS320C6701 ROM/FLASH模式啟動(dòng)過(guò)程

3種引導(dǎo)方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，在實(shí)際嵌入式DSP飛行軟件應(yīng)用系統(tǒng)中，最廣泛采用的是第2種:片外ROM/FLASH引導(dǎo)加載方式[8]。

表1 3種引導(dǎo)方式比較

上面級(jí)飛行軟件為嵌入式軟件，不存在主機(jī)設(shè)備，且程序規(guī)模大、運(yùn)行要求靈活，因此基于TMS320C6701的飛行軟件應(yīng)采用第2種引導(dǎo)方式。TMS320C6701指令周期比外設(shè)FLASH存儲(chǔ)器的存取時(shí)間快100倍左右，如果讓程序在ROM/FLASH中直接運(yùn)行，勢(shì)必會(huì)大大降低DSP處理器的運(yùn)行速率和效率[9]，由于飛行軟件對(duì)算法的實(shí)時(shí)性要求，要求飛行程序必須在內(nèi)部RAM或外部RAM運(yùn)行，這就需要將程序執(zhí)行代碼由外部FLASH拷貝到內(nèi)部RAM或外部RAM中去，并在內(nèi)部RAM或外部RAM中運(yùn)行[10]。

2 飛行軟件加載模式

64K字節(jié)的內(nèi)部程序空間在中小規(guī)模飛行軟件中已夠用，但對(duì)于大規(guī)模復(fù)雜上面級(jí)飛行軟件通常是不夠用的，為了優(yōu)化上面級(jí)飛行軟件的加載模式，可采用三級(jí)引導(dǎo)加載模式，將有限容量的程序指令代碼設(shè)計(jì)成三級(jí)引導(dǎo)代碼。一級(jí)加載完成后相繼執(zhí)行二級(jí)引導(dǎo)代碼，二級(jí)加載完成后相繼執(zhí)行三級(jí)引導(dǎo)代碼。上面級(jí)飛行軟件一般包括3部分，分別是Bootloader程序、監(jiān)控程序、飛行程序，它們分別固化在Flash中的不同位置。

1) 一級(jí)加載：在TMS320C6701復(fù)位后，由硬件通過(guò)DMA方式從TMS320C6701外部CE1空間拷貝64K字節(jié)代碼到內(nèi)部0地址的高速RAM中，并從內(nèi)部0地址開(kāi)始執(zhí)行Bootloader程序;

2) 二級(jí)加載：Bootloader程序根據(jù)監(jiān)控程序存放的地址負(fù)責(zé)加載監(jiān)控程序，并啟動(dòng)監(jiān)控程序運(yùn)行;

3) 三級(jí)加載：監(jiān)控程序根據(jù)PC機(jī)指令有選擇性的加載飛行程序，并啟動(dòng)飛行程序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)具體的應(yīng)用程序及算法。

三級(jí)加載的流程如圖2所示，通過(guò)三級(jí)加載的方法將實(shí)際工作的存于片外慢速非易失程序存儲(chǔ)器的指令代碼搬移到片內(nèi)或片外高速RAM中運(yùn)行，以保證系統(tǒng)對(duì)飛行軟件實(shí)時(shí)性的要求。

圖2 三級(jí)加載流程

3 飛行軟件加載策略

根據(jù)飛行軟件規(guī)模及算法時(shí)間性能要求，監(jiān)控程序分為占用內(nèi)部RAM空間和不占用內(nèi)部RAM空間2種情況，加載策略如圖3和4所示。

2種情況下的三級(jí)加載策略為系統(tǒng)上電復(fù)位后，根據(jù)引導(dǎo)方式配置，自動(dòng)從外部FLASH復(fù)制Bootloader程序到內(nèi)部RAM，Bootloader程序從地址0處自動(dòng)運(yùn)行，將監(jiān)控程序從外部FLASH中加載到片內(nèi)RAM空間或者片外RAM空間，并啟動(dòng)監(jiān)控程序執(zhí)行，監(jiān)控程序等待地面的數(shù)據(jù)搬移指令，接收到指令后，根據(jù)CMD文件要求通過(guò)DMA方式將飛行程序中的數(shù)據(jù)段和程序段分別加載到片內(nèi)和片外的指定RAM空間，通過(guò)三級(jí)加載的方式，可以使飛行程序充分利用片內(nèi)64K字節(jié)的RAM空間，使片內(nèi)RAM空間盡可能多的存放飛行程序中實(shí)時(shí)性要求高的算法代碼，提高算法的運(yùn)行效率，滿(mǎn)足算法運(yùn)行時(shí)間的要求，最大限度的提高飛行軟件的運(yùn)行速度，滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

圖3 監(jiān)控程序占用內(nèi)部程序空間

4 實(shí)例分析

基于飛行軟件三級(jí)加載模式和加載策略，結(jié)合某運(yùn)載火箭上面級(jí)星光導(dǎo)航飛行軟件的需求，軟件規(guī)模如表2所示，要求飛行軟件在采樣周期500ms內(nèi)完成實(shí)時(shí)性要求高的算法部分。

表2 星光導(dǎo)航飛行軟件規(guī)模

根據(jù)分析，內(nèi)部程序空間為64K字節(jié)，而實(shí)時(shí)性要求高的算法占用60K字節(jié)，因此監(jiān)控程序可以占用內(nèi)部程序空間。在宇航級(jí)DSP芯片TMS320C6701其余配置相同的情況下，根據(jù)星光導(dǎo)航飛行軟件的運(yùn)行位置，采用以下2種方式對(duì)飛行軟件運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

1)片內(nèi)RAM+片外RAM運(yùn)行：采用三級(jí)加載策略，將實(shí)時(shí)性要求高的算法部分放在片內(nèi)RAM運(yùn)行，將其余部分放在片外RAM運(yùn)行;

2)片外RAM運(yùn)行：將飛行軟件全部放在片外RAM運(yùn)行。

表3 運(yùn)行時(shí)間結(jié)果

通過(guò)實(shí)例分析，只有采用三級(jí)加載模式和加載策略，才能滿(mǎn)足星光導(dǎo)航飛行軟件在500ms周期內(nèi)完成實(shí)時(shí)性要求高的算法的要求，三級(jí)加載模式和加載策略在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了基于TMS320C6701的飛行軟件的加載模式，利用三級(jí)加載模式和加載策略能夠很好的保證飛行軟件功能和性能要求。本文提出的方法在某運(yùn)載火箭上面級(jí)的飛行軟件中得到驗(yàn)證，證明本方法能夠最大限度的利用TMS320C6701內(nèi)部RAM空間、最大限度的提高飛行軟件的運(yùn)行效率、降低飛行軟件的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)基于TMS320C6701的飛行軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒作用，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

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Research of Three-Level Loading Mode Based on TMS320C6701 for the Flight Software

HUO Hong LI Lanlan LIU Weidong WANG Yang

Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854，China

Duetothefairanti-radiationofTMS320C6701,itissuitableforthedeep-spaceexplorationandthelong-termorbit.Itispopularlyusedfortheflightsoftwareinupperstageareaofthelaunchvehicle.HowtooptimizethebootmodesandmakethebootstrategiesofTMS320C6701toimprovetheflightsoftwarespeedandsatisfythereal-timerequirementhasbecomeahottopic.BasedontheresearchofthebootmodesofTMS320C6701,thethree-levelloadingmethodandstrategyfortheflightsoftwareisproposedinthispaper.Itcanreducetheflightsoftwarerunningtimeandenhancesystemperformanceatthemost.Themethodisusedinpracticeandcanserveasareferenceforthedesignoftheflightsoftware.

TMS320C6701;Flightsoftware;Three-levelloading

2013-06-29

霍 宏(1986-),女，黑龍江人，助理工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖O(shè)計(jì)；李蘭蘭(1982-)，女，河南人，工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖O(shè)計(jì)；劉衛(wèi)東(1979-)，男，山東人，工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖O(shè)計(jì)；汪 洋(1982-)，女，河北人，工程師，主要研究方向?yàn)榍度胧杰浖O(shè)計(jì)。

TP302

A

1006-3242(2014)01-0085-04