2.2.1 模块化
2.2.1.1 模块化定义
模块化设计是指星载嵌入式计算机均由标准化的模块产品组成。标准化模块产品均由模块测试维护及容错支持、信息路由或网络接口、通用物理接口以及电源这几部分通用基础支持单元和专门针对专业需求的专用部件组成。每一种模块要发挥自身特定功能，都需要通过上述公用部件融入整个系统中才能够发挥作用。同时，标准化模块通过内嵌软件实现与整个系统的交互，并通过规定外部机械结构形式，实现不同功能产品物理特性的标准化。
模块化设计思想体现在以下几点：
（1）统一。对多领域航天器星载嵌入式计算机进行功能模块的统一设计。
（2）优化。通过顶层规划，实现成本、复杂度、性能、可靠性的结构最优化设计。
（3）标准。在架构、协议、接口等方面采用统一标准，实现产品、服务的标准化。
（4）灵活。软件定义功能、模块组合定义设备、交换互连定义拓扑设计，提高系统的灵活性，支持灵活裁剪或功能扩展，支持在轨的软件定义和拓扑重构。
（5）高速。以高性能的多核处理器、高速网络，提供智能化应用计算平台。
2.2.1.2 模块化设计
卫星工作模式涵盖了从卫星发射入轨、入轨状态建立、正常在轨飞行到卫星故障处置等各个飞行阶段所涉及的所有工作项目和动作，具体包括发射入轨模式、入轨状态建立模式、轨道控制模式、正常运行模式、任务执行模式、在轨定标模式和应急模式等。其中，发射入轨模式和入轨状态建立模式在轨仅执行一次；卫星在轨飞行期间，主要在正常运行模式、轨道控制模式、任务执行模式、在轨定标模式和应急模式之间进行切换，其详细的逻辑关系如图2- 1所示。
图2-1 工作模式逻辑关系
上述信息涉及卫星各层次的管理、通信需求，包括指令、模拟量和温度等物理层信号，也有测控、数传等星地链路，星内SpaceWire子网的通信路由，应用层任务控制执行等诸多信息耦合。这些复杂、跨多层信息传输和交互需求，导致卫星星内、星地信息交互传输设计异常困难，需要采用分层的网络信息交互架构思想进行设计，解除各功能模块的数据通信、信息处理需求之间的耦合性，才能支持星载嵌入式计算机复杂信息流设计与智能自主应用实现。
星载嵌入式计算机架构设计如图2-2所示，该架构分为5个层，分别为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。
1）物理层
物理层主要实现底层硬件接口、硬件存储、处理、通信等相关物理层硬件功能，具体包括：
图2-2 星载嵌入式计算机体系架构
（1）互连硬件资源。实现物理层硬件模块、设备之间数据通信的通道。如1553B总线、SpaceWire总线、RS422总线、TLK2711总线等互连资源。
（2）采集与控制接口资源。有三类功能模块分别提供遥测采集接口、指令接口、热控回路接口功能。
（3）计算与存储资源。为上层软件提供运行平台，由处理器模块、数据存储模块提供CPU、DSP、FPGA、RAM、ROM等处理存储资源。
2）链路层
链路层实现数据链路通信相关协议，包括AOS、TC等空间链路通信协议，也包括各类星载总线链路通信协议。
3）网络层
网络层为设备无关业务提供应用层和传输层实体调用。该层调用底层数据链路层业务完成功能。提供上层的接口服务主要有：
（1）包业务。通过数据链路层进行包传输交互。
（2）存储器访问业务。实现设备到设备存储器的直接读、写、块移动访问。
（3）同步业务。提供卫星时间和事件的同步。
4）传输层
传输层用于有多个网络互连且需要在多网络间传输数据时，包括传输协议和传输层安全协议，保障数据在设备或网络间的安全和可靠传输。
5）应用层
应用层提供卫星星载嵌入式计算机通常所具备的功能，包括遥控、遥测、电源管理、自主热控、健康管理、自主任务规划和有效载荷管理等卫星管理应用。
2.2.1.3 模块化架构组成
模块是星载计算机产品的基本单元，是功能硬件与管理运算逻辑的有机结合，具备一定的自治能力，可独立完成服务的解析、执行和监控功能，模块间关系简单，支持基于模块测试、调试，并便于系统集成。
对现有星载嵌入式计算机进行分析研究，总结星载计算机具有的常规功能为星务管理、遥测遥控管理、姿轨控管理、热控管理、能源管理和载荷数据管理（接收、压缩、存储）等。在对硬件进行功能模块划分时，将这些任务层功能根据硬件资源及接口形式进行归并，形成相对独立的功能模块，见表2- 1。
表2-1 星载嵌入式计算机的标准化功能模块
续 表
