霍 宏 李蘭蘭 劉衛(wèi)東 汪 洋

北京航天自動控制研究所，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，適用于深空探測和長時間在軌飛行，在運(yùn)載火箭上面級領(lǐng)域的飛行軟件中得到廣泛應(yīng)用。如何通過優(yōu)化TMS320C6701的加載模式、制定加載策略，提高飛行軟件運(yùn)行速度以滿足實時性要求成為當(dāng)前研究的熱點和難點。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)行時間，提高系統(tǒng)性能。實際應(yīng)用驗證了該方法對飛行軟件設(shè)計具有一定的實用價值和借鑒意義。

TMS320C6701；飛行軟件；三級加載

隨著我國運(yùn)載火箭的發(fā)展，為了進(jìn)一步適應(yīng)國際化市場需求，運(yùn)載火箭上面級技術(shù)和多星發(fā)射技術(shù)研究成為當(dāng)前研究的難點和熱點。運(yùn)載火箭上面級具備多次起動、長時間工作、自主飛行等技術(shù)特點，為了更好的適應(yīng)上面級在深空長時間在軌飛行，要求上面級飛行軟件具有抗輻照特性，對于深空單粒子翻轉(zhuǎn)具有容錯性。為了滿足上面級飛行軟件可靠性和安全性的要求，上面級飛行軟件規(guī)模越來越大，算法越來越復(fù)雜，對大容量的數(shù)據(jù)存儲以及實時運(yùn)算的要求也越來越高。因此，上面級飛行軟件對DSP芯片的性能要求越來越高，如何有效的對DSP芯片存儲空間進(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[1-2]。宇航級DSP芯片TMS320C6701與其他DSP芯片相比，具有抗輻照等特性，更適合于上面級飛行軟件的要求[3]，本文在對TMS320C6701引導(dǎo)方式研究的基礎(chǔ)上，提出了基于TMS320C6701的飛行軟件的三級加載模式和加載策略，對提高飛行軟件運(yùn)行速度,滿足系統(tǒng)實時性要求具有一定的實用價值和借鑒意義。

1 TMS320C6701

1.1 概述

宇航級DSP芯片TMS320C6701為通用32位浮點DSP處理器，DSP采用改進(jìn)的超長指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)和多流水線技術(shù)，具有8個可并行的功能單元[4]，高度的并行結(jié)構(gòu)特點、高速的時鐘頻率使其具有高達(dá)1600MIPS運(yùn)算能力，比通常使用的DSP計算速度快十幾倍，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，使它非常適合在嵌入式實時系統(tǒng)中應(yīng)用[5]，但其內(nèi)部程序空間和數(shù)據(jù)空間獨立編址，且內(nèi)部程序空間和內(nèi)部數(shù)據(jù)空間容量僅為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DSP芯片TMS320C6701具有很好的抗輻照特性，適用于深空探測和長時間在軌飛行，對于單粒子翻轉(zhuǎn)等問題具有一定的保護(hù)作用，在運(yùn)載火箭上面級領(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，隨著飛行軟件對實時性要求越來越高，如何優(yōu)化引導(dǎo)方式，充分利用內(nèi)部程序空間，保證飛行軟件實時運(yùn)行,滿足系統(tǒng)性能要求已成為當(dāng)前的研究難點。

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)以及通過主接口引導(dǎo)[7]。

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

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DMA被搬入地址0，然后開始執(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)通過主機(jī)口初始化 CPU 的存儲空間，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)過程，開始執(zhí)行地址 0 處的指令。

圖1 TMS320C6701 ROM/FLASH模式啟動過程

3種引導(dǎo)方式的優(yōu)缺點如表1所示，在實際嵌入式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存儲器的存取時間快100倍左右，如果讓程序在ROM/FLASH中直接運(yùn)行，勢必會大大降低DSP處理器的運(yùn)行速率和效率[9]，由于飛行軟件對算法的實時性要求，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，但對于大規(guī)模復(fù)雜上面級飛行軟件通常是不夠用的，為了優(yōu)化上面級飛行軟件的加載模式，可采用三級引導(dǎo)加載模式，將有限容量的程序指令代碼設(shè)計成三級引導(dǎo)代碼。一級加載完成后相繼執(zhí)行二級引導(dǎo)代碼，二級加載完成后相繼執(zhí)行三級引導(dǎo)代碼。上面級飛行軟件一般包括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) 一級加載：在TMS320C6701復(fù)位后，由硬件通過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地址開始執(zhí)行Bootloader程序;

2) 二級加載：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，并啟動監(jiān)控程序運(yùn)行;

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

三級加載的流程如圖2所示，通過三級加載的方法將實際工作的存于片外慢速非易失程序存儲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)對飛行軟件實時性的要求。

圖2 三級加載流程

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，通過三級加載的方式，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時性要求高的算法代碼，提高算法的運(yùn)行效率，滿足算法運(yùn)行時間的要求，最大限度的提高飛行軟件的運(yùn)行速度，滿足系統(tǒng)實時性的要求。

圖3 監(jiān)控程序占用內(nèi)部程序空間

4 實例分析

基于飛行軟件三級加載模式和加載策略，結(jié)合某運(yùn)載火箭上面級星光導(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)完成實時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)，而實時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種方式對飛行軟件運(yùn)行時間進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

1)片內(nèi)RAM+片外RAM運(yùn)行：采用三級加載策略，將實時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)行時間結(jié)果

通過實例分析，只有采用三級加載模式和加載策略，才能滿足星光導(dǎo)航飛行軟件在500ms周期內(nèi)完成實時性要求高的算法的要求，三級加載模式和加載策略在實際應(yīng)用中得到了驗證。

5 結(jié)束語

研究了基于TMS320C6701的飛行軟件的加載模式，利用三級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)載火箭上面級的飛行軟件中得到驗證，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)行時間，對基于TMS320C6701的飛行軟件的設(shè)計開發(fā)具有一定的借鑒作用，具有很大的實用價值。

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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，主要研究方向為嵌入式軟件設(shè)計；李蘭蘭(1982-)，女，河南人，工程師，主要研究方向為嵌入式軟件設(shè)計；劉衛(wèi)東(1979-)，男，山東人，工程師，主要研究方向為嵌入式軟件設(shè)計；汪 洋(1982-)，女，河北人，工程師，主要研究方向為嵌入式軟件設(shè)計。

TP302

A

1006-3242(2014)01-0085-04