2.2.2 开放式
2.2.2.1 开放式定义
开放式系统的概念从航空界发展而来（航空电子开放式系统架构，open systems approach，OSA），主要为了解决系统结构升级和功能扩展的需要。其核心思想是便于软硬件移植，便于系统功能的快速集成和升级、可持续性发展和缩短研发周期，商用上的成功使这种概念很快被引入军用领域，军方借此快速便捷地从一系列开源技术中择优整合先进技术，降低开发、维护和更新成本，加速能力部署。
开放式系统的定义有多种，在不同的领域有不同的定义。开放式系统的一般定义为：一个系统，它对接口、服务、支持形式实施充分的开放标准，从而能使正确的设计单元可以以尽可能少的更改就能在较广泛的系统范围内应用，与本地和远程系统的其他单元实现相互操作，并以易于移植的方式与用户交互作用。由此可以看出，开放式系统的标准是公开和统一的，这些标准具有明确、广泛使用、非专利的接口/协议；使用工业界普遍认可的标准机构制定的标准；使用充分定义的系统接口，可在更广泛的应用中升级新的系统功能；可以通过增加更高性能的组件来实现系统的扩展或升级，尽可能减小对系统的影响；系统组件的相互操作以接口规范为基础，组件的研制遵循接口规范。
开放式系统结构具有互操作性、兼容性、可移植性和可重复使用性等优势，可以减少寿命期费用，增强新技术的可插入性和可变规模。但是，开放式应用仍有一些问题需要去解决，例如：标准并不一定总是能够满足系统的性能要求；对于一些关键接口，开放式的系统标准并不总是存在；同一种接口类型，通常有多种开放式系统标准；不管是使用开放式接口标准还是使用专用接口标准，都不能完全解决互换性问题。
通过系统组件功能分解和模块化规则，寻找灵活的系统架构解决方案。但是，如果方案具有灵活、广泛、多变的实施性，就会降低目标实现的可能性；如果降低实现的灵活多变性，就会增加目标实现的可能性，但会导致涉及领域变小。因此，在对架构进行决策时，方案灵活性的选择和折中是至关重要的。
开放式星载嵌入式计算机是一种面向高性能计算系统、拓扑可变、采用标准化通信方式、可扩展、易裁剪、具备快速开发能力的电子系统。
从性能角度出发，目前的高性能计算系统具有高主频、高速率、可扩展、强拓扑依赖性的特点。开放式星载嵌入式计算机需要具备高速网络化拓扑的构造能力，来容纳大体量、高速率的空间信息流；同时需要具备可靠的底层管理能力和稳定、强大的供电能力，来承载空间环境的恶劣工况以及高性能计算带来的高功耗运行。
从产品角度出发，为提高研发效率、降低开发成本，具有足够的泛化、扩展能力，需要星载嵌入式计算机采用开放式的架构，通过拓扑的可重构性和内部通信的标准化来提升系统对外部模块的兼容性；从而发展出开放式的快速迭代方法，并且允许系统在后期依旧具备硬件层面的升级扩展能力。
常见开放式系统架构对比见表2- 2。
表2-2 常见开放式系统架构对比
2.2.2.2 开放式设计
根据信号速率及特征划分，通常高性能星载嵌入式计算机具有以下几种信息流：
（1）高速信息流。包括载荷［合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）、光学载荷、微波遥感载荷等］数据、数传数据等信息密集型数据流。
（2）中低速信息流。包括平台管理、遥控遥测指令等实时/非实时控制类信息流。
（3）低速信息流。包括传感器（温度、电压等）传感数据、芯片配置信号、系统复位等系统底层信息流、信号量。
（4）扩展信息流。指用于进行自定义通信扩展的信息流。
根据上述信息流划分，以SpaceVPX标准为例，可将星载嵌入式计算机的开放式层次划分为工具平面、控制平面、数据平面、扩展平面四个逻辑平面，分别见图2- 3、表2- 3。
图2-3 典型架构设计
表2-3 开放式架构层次定义
其中，数据平面用于高速信息流的板间传输，控制平面用于控制信息流的板间传输，扩展平面用于自定义的信息流传输，工具平面承载了系统底层状态信息流传输。
2.2.2.3 开放式架构组成
开放式系统架构具有以下特征：
（1）基于平台的一体化设计理念，围绕平台的机、电、热、控制等能力，对平台开展接口标准化、功能模块化、产品系列化设计。
（2）同等约束条件下的载荷具有互换、兼容、即插即用能力，支持有弹性、持久性强的多功能载荷。
（3）软件通用化、可重构，操作系统开源设计，功能及测试扩展能力强，实现软硬件兼顾的“柔性”卫星平台。
（4）形式简单：以最简单的原理、构型和结构，保证了任务需求，保证了可靠性。
下面分别从硬件、软件两个方面对开放式体系架构组成展开介绍。
1）硬件架构
一般为了满足系统需求，星载嵌入式计算机的系统架构硬件采用标准化设计。以SpaceVPX开放式架构为例，硬件组成可包括主控模块、功能模块、交换模块、底层管理模块（Space UM），所有模块均采用标准VPX连接器，各模块根据内总线分布在相应位号连接器的相应节点上引出对应的通信接口。
标准主控模块的架构及内总线接口分配如图2-4所示，主控模块由模块功能单元、底层管理单元、前面板接口、底板连接器构成。其中，模块功能单元主要为模块的业务执行体（系统主控、高速处理、存储等）；底层管理单元搭载有系统底层管理控制器（Ch MC）、状态传感器、电源芯片，该单元负责整个系统的底层管理、状态收集等业务；前面板接口用于向外界提供通信接口，根据具体的需求可以选择光纤接口或电接口通信。
图2-4 标准主控模块的架构及内总线接口分配
标准功能模块的架构及内总线接口分配如图2-5所示。标准功能模块的架构与标准主控模块相似，其主要区别在于，功能模块的底层管理单元搭载的控制器为平台管理控制器（IPMC），IPMC的功能弱于Ch MC，IPMC仅需要响应Ch MC的请求（执行指令或上报模块信息），以及对所在模块的底层传感器及模块底层状态进行管理维护。
图2-5 标准功能模块的架构及内总线接口分配
标准交换模块的架构及内总线接口分配如图2-6所示，交换模块由交换阵列、处理/配置单元、底层管理单元、前面板接口、底板连接器构成。其中，底层管理单元、前面板接口的构成与标准功能模块相似；交换阵列用于为系统提供数据平面、控制平面交换业务，交换阵列包括以太网交换阵列和SRIO交换阵列，SRIO交换阵列向P2～P6连接器提供不少于12路的4×SRIO交换端口，以太网交换阵列向P1～P2提供不少于16路的1000Base-X交换端口；处理/配置单元主要负责交换阵列的配置以及信号处理业务。
图2-6 标准交换模块的架构及内总线接口分配
2）软件架构
开放式体系架构的软件设计，从服务、需求、自主和可定制等方面考虑，大致可由基础资源层、中间件层、应用层组成。对软硬件解耦，通过增强系统扩展性来支持软件迭代升级，在硬件上进行加固防护，在软件上增强容错服务。开放式软件架构组成见表2- 4。
表2-4 开放式软件架构组成
