星載計算機，顧名思義，也就是在衛(wèi)星上使用的計算機系統(tǒng)。

       星載計算系統(tǒng)是計算機技術在空間環(huán)境下的應用，負責完成空間飛行器的控制和數據處理任務的特殊計算機系統(tǒng)。由于空間環(huán)境的惡劣條件，從而對星載計算系統(tǒng)在性能、可靠性和成本上提出了巨大的挑戰(zhàn)。在高昂的研究與制造費用、有限的硬件資源、惡劣的使用環(huán)境約束下，要確保海量數據處理的高可靠性幾乎是一個“不可能完成的任務”。

       就是這樣“不可能完成的任務”，伴隨著中國技術整體實力的提升，中國力量正在崛起之中。

中國更多選用SPARC架構

       由于星載計算機的使用環(huán)境的特殊性，以及對于穩(wěn)定性、抗干擾性的苛刻要求，從硬件整體架構上來看，目前在世界范圍內星載計算機系統(tǒng)中所使用的處理器架構主要有兩種，一種是由美國使用的POWERPC架構，另一種就是歐洲主導的SPARC架構。而在商業(yè)應用上常見的ARM、X86、MIPS等架構由于種種原因并不能順利的在星載計算機使用。

       在航天領域，美國現(xiàn)在使用的高端星載計算機，采用的是基于POWERPC體系結構的。歐洲太空局為了擺脫美國對其空間研發(fā)能力的制約而獨立開發(fā)了基于SPARC V7架構的面向空間應用的微處理器：ERC32，其輻射加固版本已經成熟使用于航天環(huán)境中。2006年5月22日，基于LEON SPARC V8的處理器也成功使用于航天工程?？梢哉fSPARC體系結構的CPU在今后的航天計劃中將發(fā)揮更大作用。

       就中國星載計算機而言，目前來看SPARC架構更受歡迎。特別是因為SPARC架構的開源優(yōu)勢，可以讓資本并不雄厚的IC設計企業(yè)省下一大筆開發(fā)經費。目前國內研究與使用SPARC架構的機構有西安微電子研究所、北京微電子研究所、國防科技大學、航天二院、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、北京航空航天大學、珠海歐比特控制工程股份有限公司等。

       2013年由中國航天科技集團公司五院502所牽頭研制的SoC2012芯片就是一款基于SPARC V8體系結構的面向航天嵌入式應用的高性能、低功耗32位抗輻射嵌入式片上系統(tǒng)芯片。

       SoC2012研制成功，大大提升了我國在抗輻照SoC芯片研制方面的技術水平，如系統(tǒng)設計、仿真與驗證技術，軟硬件協(xié)同設計與驗證技術、抗輻射加固設計及容錯設計技術、多核SoC設計技術、IP(知識產權)復用及IP集成技術、高可靠實時操作系統(tǒng)設計技術等。

       SoC2012芯片內部集成四個SPARC V8內核，每個內核包含32位整數處理單元，單、雙精度浮點處理單元，獨立的指令和數據Cache，硬件乘法器和除法器，中斷控制器，硬件調試單元，五個32位定時器，兩個串口，32位通用I/O接口，看門狗，存儲器控制器及1553B總線控制器。這一處理器已經有了在中國多項航天工程上使用的案例，充分說明了它優(yōu)秀的可靠性。

       在2014年年底IBM向中國開放了Power架構，這給我國開發(fā)星載計算機有了另外一個可行的選擇。不過由于星載計算機研發(fā)、驗證周期很長，加之IBM向對中國轉讓技術時特別強調要滿足美國出口技術規(guī)定，可能存在技術性障礙，所以具體什么時間出現(xiàn)該架構的中國星載計算機硬件芯片目前并不明朗。

操作系統(tǒng)正在進化中

       星載計算機的硬件架構僅僅是讓星載計算機有了一個強壯的身軀和反應迅速的大腦，還需要“靈魂”——操作系統(tǒng)的參與才能完成整個航天任務。從某種程度上，說一個好的操作系統(tǒng)才是星載計算機的核心，這直接關系到整個衛(wèi)星的穩(wěn)定性和整體性能。

       說起微軟的Windows，蘋果的Mac OS以及谷歌的Android，相信大家都不會陌生，它們都是操作系統(tǒng)，即對計算機的各種資源進行管理的軟件，是計算機能夠運行的靈魂，美國的一些航天器上用的是VxWorks操作系統(tǒng)。而中國則是中國航天科技集團公司五院從2001年就開始研發(fā)星載計算機特有的操作系統(tǒng)——SpaceOS，并在2006年首飛成功。

       目前SpaceOS盡管與普通家用的操作系統(tǒng)設計原理相似，但“上天”的操作系統(tǒng)為了適應惡劣太空環(huán)境，對安全性、可靠性等要求要苛刻許多。地面使用的計算機死機了可以重啟，壞了還可以換新的，但飛行器上的計算機開機了通常就不會再關閉或重啟。在軌運行時間較長的衛(wèi)星壽命可達十幾年，這也就意味著計算機程序要同步運行十幾年不出現(xiàn)問題。

       更重要的是，對于航天這樣的事關國家安全的關鍵領域，“拿來主義”是很危險的。而要研發(fā)自己的操作系統(tǒng)，相關核心技術國外嚴密封鎖，想要借用也沒有可能。

       面對這種情況，中國技術人員并沒有被嚇倒，而是奮起直追，現(xiàn)在SpaceOS已經有了兩代產品出現(xiàn)。

       2006年，SpaceOS1成功在軌運行。那時的操作系統(tǒng)功能簡單，只做到了多種資源的管理和任務調度，卻沒有任務間的通信和動態(tài)內存管理等更為復雜的功能。隨著航天任務的復雜程度越來越高，SpaceOS1也越來越“力不從心”，需要不斷進化才能滿足任務要求。之后經過2年研發(fā)，SpaceOS2正式推出，在很多方面都實現(xiàn)了質的飛躍，并成功應用到了嫦娥三號巡視器的中心控制計算機上。在任務調度和內存管理方面，SpaceOS2可以同時管理幾十個任務，與原來5個任務相比，提高了一個量級，同時可以做到快速、有序存儲。

       2016年中國將有著密集的航天任務出現(xiàn)，發(fā)射次數有望超過20次，還有天宮二號等重大任務出現(xiàn)。相信隨著中國航天實踐的走入伸入，中國的星載計算機也將不斷進化，將會有更多、更新、更強、更可靠的星載計算機系統(tǒng)出現(xiàn)。