MIPS在太空:NASA“新地平线”的冥王星探测任务

几个月前,我发表了一篇短文,概述了20世纪80年代到90年代最伟大的MIPS微芯片。其中,MIPS R3000便是这样一个见证时代的明星产品。MIPS R3000是一款已被许多用户及在很多嵌入式设备中已使用的CPU。R3000因能驱动原版PlayStation游戏控制台及一系列SGI IRIS和Indigo工作站的运转而初露光芒,如今,R3000能指导“新地平线”太空探测器完成冥王星的飞行任务,甚至还可以走的更远。

事实上,如果你驾车沿着101公路从硅谷到旧金山,你可能会注意到我们为庆祝冥王星飞跃计划成功而新做的广告牌:

MIPS:从最初的游戏站到“新地平线”冥王星飞行任务的华丽蜕变

MIPS:从最初的游戏站到“新地平线”冥王星飞行任务的华丽蜕变

是什么使得“新地平线”号任务非比寻常?最近,我有幸在约翰•霍普金斯大学应用物理实验室(APL)与“新地平线”号研发小组交流,工程师和科学家们彼时正齐聚实验室展开太阳探测附加任务。那是美国国家宇航局(NASA)的新任务,目标是使宇宙飞船进入太阳大气层(注:显然无人告知NASA英国导演丹尼•鲍尔早已着手此事)。译者注:丹尼•鲍尔拍摄的科幻片《太阳浩劫》。

不过,工程团队同意回答一些有关“新地平线”号系统的问题,并透漏一些开发进程中令人兴奋的消息。

航天器计算的演化进程

太空任务是一项复杂的工作,涉及到许多公司的密切合作,以确保生产的航天器经过精确的设计后,能在太阳系最寒冷最黑暗的角落里飞行时应对各种未知的挑战。

NASA已经为“新地平线”号航天器齐集了一个跨界团队,团队囊括了科学家、研发人员、工程师及其他来自世界各知名机构的部门,如约翰•霍普金斯大学应用物理实验室(APL)和美国西南研究院(SwRI)。此外,其他合作伙伴和同事们(波音、洛克希德•马丁公司、斯坦福大学等)也纷纷加入,带来了特定领域有价值的专业知识,并努力帮助整个团队尽可能顺利运转。

#PlutoFlyby

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仔细查看探测器上的计算系统后,你会发现,很多部件以当今的标准来看已经十分陈旧。不过要记住的是,“新地平线”工程的研究工作早在20世纪90年代就已经开展,而那个年代,32位计算机时钟频率通常为几百兆赫。

其次,相比消费设备内的标准部件,太空任务授权使用的抗辐射部件需要花费更长的时间来生产。辐射加固技术必须确保系统在最严酷的空间条件下也能继续运行,且不发生任何故障。

Mongoose-V是“新地平线”太空探测器内的基于MIPS的“大脑”

Mongoose-V是“新地平线”太空探测器内的基于MIPS的“大脑”

以下图表为APL航天器和仪器系统内所使用的处理器简史。注意飞行软件高性能的要求是如何促使其从定制的8位和16位微控制器转变到更适合处理机载内存和行代码增加的32位MIPS微处理器。

“新地平线”号之前的航天器软硬件演变进程

“新地平线”号之前的航天器软硬件演变进程

硬件

“新地平线”号使用了四个由NASA戈达德太空飞行中心授权开发的Mongoose-V处理器。这些抗辐射芯片还肩负了月球、火星、金星、外行星及很多NASA绕地球轨道飞行卫星的飞行任务。

“新地平行”号与两款智能手机(2006年款和2015年款)旗舰产品的对比图

“新地平行”号与两款智能手机(2006年款和2015年款)旗舰产品的对比图

两个Mongoose-V芯片用于分别控制导航和数据处理系统(另外两个芯片备用)。Mongoose-V的特点是,其架构为现代化架构,包括一个用于通用计算的MIPS R3000 CPU、一个用于大量数学运算的MIPS R3010浮点单元(FPU)以及片上缓存内存和许多I / O外围设备。采用一个CPU负责每个子系统则可提供更好的电源管理和容错控制(即,如果一个CPU发生故障,仅有一个设备会无法使用,不会牵连至整个航天器)。

如果你了解Mongoose-V处理器市场,你应该知道,飞碟芯片的价格为每个2万到4万美元不等,具体取决于你购买的数量。

“新地平线”号也包括一个16GB的闪速存储器和一个多光谱1像素的彩色相机。由于探测器的平均下行速度约为2千比特/秒,因此其必须长时间的存储数据。这就意味着,“新地平线”需要花费近3至4个小时才能将约1200像素宽和900像素高的图片传回地球。

当大多数智能手机仍使用4G网络通讯时,“新地平线”号已使用了NASA更先进的深宇宙通讯网络(DSN)来进行长途通话。DSN具有巨大的天线网,是当今世界上最强大最敏感的科学电信系统。其辉煌的成就之一便是指导阿波罗13号任务的宇航员返回地球——在这个过程中拯救了他们的生命。

软件

起初,航天器软件开发团队倾向于按照子系统之间的接口规范各自行事。在“新地平线”号这样的任务中,由于行程紧、预算有限,设计团队做出了大量的努力来实现软件设计和组件的共享,以此削减开支及满足严格的时间期限。

在采纳商用CPU如MIPS R3000微芯片用于航天任务时,NASA曾使用专门设计且也需要内部开发软件和编程工具的处理器。例如,20世纪80年代卫星发射所使用的一些处理器则要求具有专门设计的汇编语言。

Mongoose-V开发板提供了三个可选择的软件环境:Wind River VxWorks Tornado、Green Hills Multi和 Mentor Graphics Nucleus PLUS。后者是用于嵌入式系统的实时操作系统,而该系统在几个月前发布的新型基于MIPS的Samsung ARTIK 1物联网平台中还在使用。

除了飞行软件,Nucleus RTOS还在可穿戴设备和物联网设备中使用

除了飞行软件,Nucleus RTOS还在可穿戴设备和物联网设备中使用

转向MIPS架构意味着“新地平线”号航天器的系统将使用商业供应商所提供的标准交叉开发工具。这些工具使用效果更好,操作更方便,可在许多工作站或台式电脑上运行。

“新地平线”开发团队的简短采访

•问:能简单总结一下“新地平线”号探测器的科学和工程成就么?

答:“新地平线”是第一艘飞往遥远的矮行星冥王星和太阳系边界柯伊伯带地区的航天器。作为世界上最快速的宇宙飞船(2006年1月19日),“新地平线”在太阳系纵横驰骋,并于2015年4月在记录时间内到达冥王星和五颗卫星。“新地平线”不仅完成了对太阳系的初次侦查,还为探索我们尚在研究的“新”星球地区打下了良好的基础。

实际上,“新地平线”的数据(将于明年返回地球)已显示冥王星及其卫星是复杂有趣的神秘世界,根本不像我们以前所看到的那样。定期更新的科学新闻和图片请访问 http://pluto.jhuapl.eduhttp://www.nasa.gov/newhorizons

•问:现在,消费者可通过空中下载(OTA)软件更新个人设备。请问你们是如何更新“新地平线“的软件?探测器运行的是什么操作系统?

答:就如所有APL的任务一样,我们有一个飞行软件,主要负责与任务和工程团队一起处理飞行软件编译问题或改进事宜。这些处理数据将进入一个问题数据跟踪库,数据库则由配置控制委员会进行审查,并由委员会评估是否需要更新软件。要在宇宙飞船上更新软件相当困难——且不论更新的速度很慢,我们也不愿意进行更新。

•问:“新地平线”也使用了基于MIPS的芯片,即Mongoose-V。APL使用MIPS的时间有多久?为何你们会青睐MIPS架构?能否告诉读者选择特定的CPU用于航天任务意味着什么?

答:APL首次在TIMED航天器上使用基于MIPS的Mongoose-V处理器。TIMED发射于2001年,其飞行任务时间为两年——但它如今仍在运行,目前正在地球的中间层和更低的热大气层进行探索工作。Mongoose-V先用于CONTOUR,随后才投用到“新地平线”中。

在筛选处理器时,我们参考了许多特性,包括软件支持、继承性和其他因素,但其中一大限制因素就是功率。处理器使用的功率不能在航天器上随处使用——比如供科学仪器使用。因此,用于电子设备的功率越少,用于科学数据收集的功率则越多。一旦确定何种处理器适于在限制条件下使用,我们就必须进行筛选分析,以确保处理器能在严格的时间限制下运行所需的软件。

APL经过数多年在航空领域的发展,已经建立一个良好定义的质量进程,这能确保我们飞天成功。

•问:能否描述一下“新地平线”代码复杂之处在哪里?CPU在太空中需要处理的性能和功率要求是什么?

功率是我们在设计时考虑的一大因素,其反过来又能促使时钟频率越来越低。可惜的是在多数情况下,并没有那么多处理器周期。所以,我们设计的一大宗旨是降低代码的复杂性,除非确实需要复杂的设计。这样不仅可以降低处理器的负荷,还有以降低出现漏洞的风险。

•问:最后,能否告诉我们“新地平线”下一步的任务是什么?是否探测器有一天能飞到太阳系以外呢?

“新地平线”任务——行星科学社会的优先任务——是邂逅更多的星体。就在上个月,设计团队发现了一颗小的柯伊伯带天体,命名为2014 MU69。而“新地平线”将于2019年1月飞过2014 MU69并对其进行观察,只要NASA批准延长任务的提议。“新地平线”正计划飞向太阳系之外进行探测。

总结

望您已经愉悦地读完有关驱动“新地平线”飞向太阳系最遥远角落的软硬件详细资料。如有任何疑问,请在评论栏留下您的问题和反馈,我会将此转发给NASA的工程团队。

请关注下周的独家专访——日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)将针对另一个基于MIPS太空探测器:Hayabusa-2回答一系列的问题。

原文链接:
http://blog.imgtec.com/mips-processors/mips-in-space-inside-nasa-new-hor...

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