星载嵌入式计算机技术与应用

适读人群 ：嵌入式计算机和电子系统研究设计人员，以及相关领域的入门培训学员或读者

1.“航天电子技术与应用前沿”丛书基于“十二五”“十三五”国家重点研发计划项目等，全面、系统反映了航天电子领域的前沿研究和关键核心技术，相关技术国际国内领先。

2.丛书内容涵盖星载嵌入式计算机、低空小型无人飞行器探测反制、地面信息化装备、低空探测与监视等方面，重点介绍涉及应用卫星、载人航天、小型无人飞行器防御系统等方向航天电子技术及其应用前沿。

3.丛书从一定程度上代表了国家水平，是航天电子技术发展先进水平的成果转化落地，其研究反映了空天科技前沿领域研究成果，其出版具有重大价值和重要社会影响力。

4.丛书反映了我国航天电子技术与应用领域最新发展，相关科研成果原创，丛书出版契合国家“科技强国”“航天强国”战略，符合近年来我国对于工业技术学科领域精品出版、文化强国、文化自信的指导方针要求。

5.丛书四分册《地面装备信息化技术及发展》《星载嵌入式计算机技术与应用》《低空小型无人飞行器探测反制技术及应用》《低空探测与监视管理技术》同期面世。

航天作为当今世界Z具挑战性和广泛带动性的高技术领域之一，是国家综合实力和大国地位的重要体现。“航天电子技术与应用前沿”丛书基于“十二五”“十三五”国家重点研发计划项目等，全面、系统反映了航天电子领域的前沿研究和关键核心技术。

本书首先介绍了星载嵌入式计算机的发展历程和基本概念，然后重点介绍了星载嵌入式计算机的体系架构技术、处理器最小系统、总线技术、电路与元器件技术、电源与接地设计技术、高可靠FPGA设计、软件技术、抗辐加固技术及其应用，并在最后给出星载嵌入式计算机的发展趋势与展望。本书弥补了市场同类书空白，堪称“业内宇航计算机领域中具有可操作性、强工程性、全方位性的指导性图书”，其出版具有一定的价值和意义。

本书融合了星载嵌入式计算机的理论基础和作者长期工作中总结的经验，在理论性和实践性方面都具有较高的指导价值。

丛书主编、统稿定稿总负责人吉峰，上海航天电子通讯设备研究所所长、研究员。中国航天科技集团有限公司导航、制导与控制技术专业学术带头人，中国海军引俄导弹保障专家组成员。长期从事地面战术武器雷达导引头精确制导和空间微波雷达有效载荷的研发和应用工作。上海市领军人才。

本书主编、统稿定稿负责人朱新忠，上海航天电子通讯设备研究所副所长、研究员。上海航天八院综合电子领域副总研究师，航天计算机与微电子专业组、元器件专业组专家，元器件专家组组长。长期从事卫星综合电子、有效载荷数据处理与存储的研发和应用工作。先后主持“863”“973”等各级科研项目10余项，获中国航天科技集团有限公司“航天贡献奖”“创新争先优秀共产党员”，并带领团队获得“中国青年五四奖章”。

第1章 绪论 001

1．1 星载计算机概述 001

1．1．1 计算机发展史 001

1．1．2 星载计算机发展历程 007

1．1．3 体系结构的发展历程 010

1．2 星载计算机概念 011

1．2．1 功能定义 011

1．2．2 主要特点 011

1．2．3 分类与功能 014

1．2．4 基本组成 014

1．2．5 性能指标 016

1．3 本书内容安排 018

第2章 体系架构技术 019

2．1 系统架构概述 019

2．1．1 基本概念 019

2．1．2 系统架构分类 020

2．2 系统架构特征 021

2．2．1 模块化 021

2．2．2 开放式 025

2．2．3 冗余 030

2．3 典型架构应用 035

2．3．1 应用卫星 035

2．3．2 深空探测 036

2．3．3 微纳卫星 037

第3章 处理器最小系统 039

3．1 星载计算机处理器概述 039

3．1．1 国内外处理器发展情况 039

3．1．2 计算机指令集及其系列产品概述 040

3．2 1750Ａ系列处理器技术 043

3．2．1 1750Ａ体系架构发展历程 043

3．2．2 1750Ａ体系架构简介 044

3．2．3 典型的1750Ａ系列处理器 044

3．2．4 技术特征 047

3．3 ＳＰＡＲＣ系列处理器技术 049

3．3．1 ＳＰＡＲＣ体系发展历程 049

3．3．2 ＳＰＡＲＣ体系架构特点 050

3．3．3 典型的ＳＰＡＲＣ系列处理器 051

3．3．4 技术特征 053

3．4 ＰｏｗｅｒＰＣ系列处理器技术 056

3．4．1 ＰｏｗｅｒＰＣ体系发展历程 056

3．4．2 ＰｏｗｅｒＰＣ体系架构特点 057

3．4．3 典型的ＰｏｗｅｒＰＣ处理器 057

3．4．4 技术特征 058

3．5 ＡＲＭ系列处理器技术 060

3．5．1 ＡＲＭ体系发展历程 060

3．5．2 ＡＲＭ体系架构特点 060

3．5．3 典型的ＡＲＭ处理器 062

3．5．4 技术特征 066

3．6 ＭＩＰＳ系列处理器技术 068

3．6．1 ＭＩＰＳ体系架构发展历程 068

3．6．2 ＭＩＰＳ体系架构简介 069

3．6．3 典型的 ＭＩＰＳ系列处理器 069

3．6．4 技术特征 070

3．7 Ｘ86系列处理器技术 072

3．7．1 Ｘ86体系架构发展历程 072

3．7．2 Ｘ86体系架构简介 072

3．7．3 典型的Ｘ86系列处理器 073

3．7．4 技术特征 073

3．8 ＲＩＳＣ Ｖ系列处理器技术 075

3．8．1 ＲＩＳＣ Ｖ体系架构发展历程 075

3．8．2 ＲＩＳＣ Ｖ体系架构简介 076

3．8．3 典型的ＲＩＳＣ Ｖ系列处理器 077

3．8．4 技术特征 078

3．9 处理系统存储技术 080

3．9．1 非易失性程序存储器设计与应用 080

3．9．2 Ｆｌａｓｈ型数据存储器设计与应用 081

3．9．3 ＳＲＡＭ型数据存储器设计与应用 082

3．9．4 ＳＤＲＡＭ型数据存储器设计与应用 082

第4章 总线技术 084

4．1 总线概述 084

4．2 总线分类 085

4．2．1 按功能划分 085

4．2．2 按传输方式划分 086

4．3 星载计算机总线设计 086

4．3．1 1553Ｂ总线 087

4．3．2 ＣＡＮ总线 092

4．3．3 ＳｐａｃｅＷｉｒｅ总线 097

4．3．4 ＰＣＩ Ｅｘｐｒｅｓｓ总线 102

4．3．5 ＲａｐｉｄＩＯ总线 105

4．3．6 其他总线 109

第5章 接口电路技术 119

5．1 接口电路需求 119

5．1．1 接口电路功能需求 119

5．1．2 接口电路隔离需求 120

5．2 接口电路功能分类 120

5．2．1 供电接口 120

5．2．2 模拟量采集与发送接口 121

5．2．3 数字量采集与发送接口 121

5．2．4 驱动接口 122

5．2．5 其他高可靠接口 122

5．3 接口电路设计 123

5．3．1 供电接口 123

5．3．2 模拟量采集与发送接口 125

5．3．3 数字量采集与发送接口 130

5．3．4 驱动接口 142

5．3．5 其他高可靠接口 144

5．4 典型应用 147

第6章 电源与地设计 150

6．1 电源系统概述 150

6．1．1 能量的来源 150

6．1．2 系统的定义 151

6．1．3 系统的供电 151

6．2 系统拓扑 153

6．2．1 电源信号定义 153

6．2．2 电源转换方式 154

6．2．3 电源转换拓扑 157

6．3 电源接地技术 158

6．3．1 接地的定义 158

6．3．2 接地的作用 158

6．3．3 接地的方式 159

6．3．4 接地的要求 160

6．4 电源可靠性与安全性 163

6．4．1 可靠性设计 163

6．4．2 安全性设计 166

6．5 电磁兼容性设计技术 166

6．5．1 电磁兼容性设计 167

6．5．2 电磁兼容性试验 170

6．6 电源稳定性 173

6．6．1 浪涌抑制 173

6．6．2 纹波抑制 175

6．7 电源损耗与噪声 176

6．8 电源器件特性 177

6．8．1 开关电源 177

6．8．2 线性稳压器 179

第7章 星载计算机犉犘犌犃设计 182

7．1 星载计算机ＦＰＧＡ概述 182

7．1．1 星载计算机ＦＰＧＡ系列及体系架构 182

7．1．2 星载计算机ＦＰＧＡ器件使用流程 186

7．1．3 ＦＰＧＡ开发软件 187

7．1．4 ＦＰＧＡ开发硬件 188

7．2 星载计算机ＦＰＧＡ需求分析与选型参考 189

7．2．1 需求分析 189

7．2．2 设计预估 190

7．2．3 选型参考 191

7．3 星载计算机ＦＰＧＡ设计与实现 194

7．3．1 ＦＰＧＡ典型开发流程 194

7．3．2 ＦＰＧＡ硬件设计 196

7．3．3 ＦＰＧＡ逻辑设计 200

7．3．4 ＦＰＧＡ可靠性设计 204

7．3．5 几种常见类型的ＦＰＧＡ设计要点 206

7．3．6 ＦＰＧＡ在轨上注重构 207

7．4 星载计算机ＦＰＧＡ设计的新趋势 208

7．4．1 ＳＯＰＣ开发 208

7．4．2 ＨＬＳ开发 209

第8章 软件技术 211

8．1 星载计算机软件简介 211

8．1．1 星载计算机软件分类 211

8．1．2 星载计算机软件的发展 212

8．2 星载计算机单机软件设计 214

8．2．1 软件顶层设计 214

8．2．2 软件功能设计 217

8．2．3 软件外部接口设计 222

8．2．4 软件可靠性与安全性设计 224

8．3 星载嵌入式操作系统 228

8．3．1 操作系统简史 228

8．3．2 操作系统软件架构 230

8．3．3 操作系统可靠性设计 241

8．3．4 操作系统功能应用 249

第9章 元器件应用与抗辐射加固技术 255

9．1 元器件选用 255

9．1．1 元器件选择要求 255

9．1．2 元器件应用要求 260

9．2 抗辐射加固技术 260

9．2．1 空间辐射环境 261

9．2．2 常见辐射效应 264

9．2．3 芯片级辐射效应及加固技术 270

9．2．4 系统级抗辐射加固设计 274

9．2．5 电子系统抗辐射加固设计量化评估技术 279

第10章 发展趋势与展望 281

10．1 体系架构发展 281

10．1．1 “云 边 端协同”架构 281

10．1．2 软件定义系统架构 283

10．1．3 感存算一体化架构 286

10．1．4 新型信息系统架构 286

10．2 元器件发展 287

10．2．1 多芯并行 288

10．2．2 片上系统与系统级封装 290

10．2．3 软件定义无线电 291

10．2．4 人工智能芯片 292

10．3 软件发展 295

10．3．1 智能信息处理 295

10．3．2 智能数据管理 296

10．3．3 卫星网络安全 297

10．3．4 网络化操作系统 298

10．3．5 综合化软件系统 299

10．3．6 混合异构算力 300

10．4 应用展望 302

10．4．1 卫星组网通信 302

10．4．2 在轨图像处理 303

10．4．3 自主健康管理 305

10．4．4 量子计算机 306

10．4．5 数字计算机 ＭＢＳＥ 308

10．4．6 智能人机交互 309

10．4．7 空间防御 310

参考文献 313

星载嵌入式计算机是指装备于卫星平台上的嵌入式计算设备，是各类航天器的核心设备之一，直接影响着航天飞行器的性能。同时，由于其不可维修且长时间处于太空极端温度及辐射环境中，星载嵌入式计算机对于可靠性要求极高。星载嵌入式计算机的主要任务包括卫星和航天飞行器的综合管理和姿态控制，接收遥控命令和数据注入，对各类数据进行及时处理和传送，监视卫星和航天飞行器的运行状态并进行故障诊断，等等。随着空间技术的发展，一方面，航天飞行器的功能日趋多样化，除了传统的通信、导航和遥感等应用外，还包括载人航天、深空探测等；另一方面，航天器也开始由大卫星向组成星座或星网的小卫星、微小卫星及微纳卫星发展。为了适应这些发展，星载嵌入式计算机技术也经历了重大变化。但与此同时，目前我国在这一领域仍然缺少完整、翔实且结合实际工程的相关著作。

本书写作团队来自上海航天电子通讯设备研究所（简称“804所”）。804所是从事宇航型号用犀载计算机、测控通信等分系统及各类电子产品研发、制造和系统集成的专业技术研究所，主要承担我国气象系列、雷达系列、光学和科学实验系列、深空探测系列等卫星星载计算机所涉及的研发工作。本书写作团队在航天领域深耕多年，亲身经历了大量型号任务的星载计算机方案论证、设备研制、测试验证和在轨运维工作，具有扎实的理论功底和丰富的实践经验。在本书编写过程中，团队立足基本理论知识，充分融合长期型号工作实践中使用的方法和案例，力图做到深入浅出、完整呈现星载计算机的所有环节。本书既可作为我国航天事业蓬勃兴旺的记录，也使得这些重要的知识能够更好地传承与发展。

航天是一项大系统工程，任何一个成功的型号研制背后都是无数人的努力和奉献。本书作者曾与各单位的许多专家共事过，书中的不少知识都是来自他们，受限于篇幅无法将这些专家全部列出，在此一并致以最诚挚的谢意。

本书不仅是作者对于实际工作的总结，也包含了对前沿技术的研究心得，旨在全面反映我国在星载嵌入式计算机领域的先进水平。本书可以作为从事航天计算机和电子系统设计研究人员的参考用书，也可作为相关领域的入门教材。

星载嵌入式计算机涉及领域众多，因作者水平有限，书中可能存在不少疏漏和谬误之处，敬请各位读者批评指正。

作 者