Computer in der Raumfahrt Teil 3 (original) (raw)

| Home | Raumfahrt | Sonstige Raumfahrtaufs�tze | Raumfahrt & Computer | Site Map | | | | ------------------- | ---------------------------- | ------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------ | -------------------------- | | -------------------------------------------------------- |

In Teil 1 wurden die Computer in den bemannten Programmen wie Gemini, Apollo und Space Shuttle besprochen. In dem Teil 2 ging es um die Computer in unbemannten Satelliten, Raketen und Raumsonden. Dieser Teil 3 erl�utert die Vorteile und Nachteile bestimmter Prozessoren.

Unterschiede in den Anforderungen

Nicht jeder kommerziell erh�ltliche Mikroprozessor eignet sich auch f�r Raumfahrzeuge. Neben "Normalen" Leistungsdaten wie Befehlssatz, verf�gbare I/O Ports, Geschwindigkeit, die auch auf der Erde wichtig sind, sind einige Faktoren f�r den Weltraumeinsatz sehr wichtig:

• Strahlungstoleranz: Im Weltraum sind Computersysteme einem mehrfachen der f�r einen Menschen t�dlichen Strahlung ausgesetzt. Die meisten Computer f�r den Weltraumeinsatz sind f�r eine Gesamtdosis von �ber 100 kRAD ausgelegt. F�r einen Menschen sind schon etwa 1 kRAD t�dlich. (Die t�dliche Dosis h�ngt vor allem von der Art der Strahlung ab).
• L�fterloser Betrieb: Im Vakuum funktioniert weder die K�hlung mit einem Ventilator noch mit einem K�hlk�rper, mangels Luft. Ohne Luft muss die W�rme alleine durch Strahlung abgegeben werden. Diese W�rmeabgabe ist sehr ineffektiv verglichen mit der W�rmeleitung oder Konvektion (angewandt bei L�ftern oder K�hlk�rpern). Bei moderneren Prozessoren wurde daher meist die Taktfrequenz gegen�ber kommerziellen Verwandten gesenkt, um eine K�hlung alleine durch Strahlung zu erm�glichen.
• Toleranz gegen�ber Temperatur und Spannungsschwankungen: Auch wenn Raumsonden normalerweise klimatisiert werden, kann es doch Probleme geben, so verlor die Raumsonde SOHO die Lagekontrolle und fror ein. Wenn nun die Bordelektronik nicht mehr angesprochen werden kann, so ist die Sonde verloren. Hier orientiert sich die Raumfahrt oft an den h�rteren Spezifikationen des Milit�rs. Fr�her gab es von fast allen Mikroprozessoren eine spezielle Version f�r das Milit�r. Nachdem dieser Markt heute nicht mehr die Bedeutung hat, die er fr�her hatte, gibt es heute weitaus weniger Prozessoren die f�r extreme Temperatur- und Spannungsschwankungen ausgelegt sind.

Der RCA 1802

Der RCA 1802 ist ein ber�hmter Mikroprozessor. Nicht weil er sehr of eingesetzt wurde, sondern weil er der erste kommerziell erh�ltliche Mikroprozessor war, der in einer Raumsonde eingesetzt wurde. Vorher waren die Computer an Bord von Raumsonden Spezialanfertigungen. Der RCA 1802 wurde in den Bordcomputern von Galileo und Magellan eingesetzt. Manche Quellen behaupten auch, das Voyager den RCA 1802 verwendet. Doch dies ist falsch. Als Voyager 1972 konzipiert wurden war der RCA 1802 noch gar nicht auf dem Markt. Die Voyager Bordrechner haben keine CPU sondern bestehen aus jeweils etwa 100 einzelnen Bausteinen in LSI und MSI Integrationsdichte.

Bei Galileo entschied man sich erstmals f�r eine Raumsonde einen kommerziell erh�ltlichen Mikroprozessor zu verwenden. Allerdings fand die Auswahl der Hardware im Herbst 1977 statt und damals gab es nicht nur wesentlich weniger Prozessoren auf dem Markt, auch ihre Leistung war bescheidener als heute. Man stellte fest, dass es unter allen Prozessoren auf dem Markt nur einen gab, der f�r Galileo geeignet war. Es war der 8 Bit Prozessor RCA 1802. Auf der Erde wurde er selten eingesetzt, es gab ein Videospiel, dass ihn nutzte, sowie Computerkits um Assembler zu lernen. Das Entwicklungsteam war daher mit der Wahl nicht richtig zufrieden, der RCA 1802 war "Nobodys favorite choice".

Der RCA 1802 wurde genommen, weil er der strahlentoleranteste verf�gbare Prozessor war, da er auf einer Technologie namens "Saphir auf Silizium" als strahlengeh�rtete Version verf�gbar war. Er arbeitete mit 5-10 V Spannung und war unempfindlicher gegen �berspannungen als andere Prozessoren die mit 5 V Spannung arbeiteten. Der RCA 1802 konnte zwischen 4 und 10.5 V Spannung arbeiten. Weiterhin konnte er bei Temperaturen von -55 bis +125 Grad Celsius arbeiten und war in der stromsparenden CMOS Technologie verf�gbar. Diese war damals noch v�llig neu und nur wenige Prozessoren waren in dieser Technik verf�gbar. Der RCA 1802 brauchte nur 100 mW an Strom und dies war bei Galileo wichtig, da diese Sonde mit RTG ausgestattet war und Strom so nur begrenzt zur Verf�gung stand. Obgleich der Prozessor in der Version RCA 1802 A mit Taktraten bis zu 3.2 MHz lieferbar war beschr�nkte man sich bei Galileo auf 1.6 MHz (andere Quellen 3.2 MHz) Takt, wahrscheinlich war die verf�gbare Version bei der Auswahl f�r Hardware 1977 noch nicht so schnell.

Das Problem war, das dieser Prozessor sehr langsam war. Die Taktfrequenz der Galileo Rechner betrug nur 1.6 MHz und die Ausf�hrung einer Instruktion dauerte zwischen 5 und 10 Mikrosekunden. Der Prozessor schaffte also maximal 200.000 Instruktionen pro Sekunde. Voyager war zwar 5 Jahre vorher entwickelt worden, und der Bordcomputer bestand hier noch aus 100 einzelnen Chips. Daf�r war Voyagers Computer schneller, er schaffte maximal 730.000 Instruktionen pro Sekunde.

Man umging das Problem indem Galileos Computer massiv parallel waren. In den beiden doppelt ausgelegten CDS Computern (Command and Data Subsystem) wurden je 3 RCA 1802 parallel eingesetzt. Dazu kam ein weiterer Master f�r die �berwachung beider CDS. An Bord von Galileo waren es mit den Prozessoren in den Experimenten insgesamt 18 RCA 1802 Prozessoren! Ein Vorteil des RCA 1802 war auch, dass er als einer der ersten Chips �ber einen DMA (Direct Memory Access) Zugriff verf�gte. So konnte Galileo einen Teil des Speichers als globalen Speicher definieren, der dann von mehreren Prozessoren benutzt wurde.

Der 1976 erschiene Prozessor selbst hatte ein sehr ungew�hnliches Design, er war ein fr�her RISC Chip. Die hervorragenden Eigenschaften waren extreme Einfachheit und gro�e Flexibilit�t. Der Prozessor hatte 16 mal 16 Bit Register, die als 32 mal 8 Bit Register angesprochen werden konnten. Der gesamte Zugriff auf den Speicher ging �ber den Akkumulator: Jeweils ein Register enthielt die Adresse des Speichers, von der aus Daten in den Akkumulator D gelesen wurde. Dieses Register konnte frei aus den 16 gew�hlt werden. Auch das Register welches den Programmz�hler stellte, konnte frei gew�hlt werden. Der Zugriff geschah so zweifach indirekt: Erst �ber die Nummer zum Register, dann �ber das Register zum Speicher. Das Design, so erl�uterte ein Experte, "erinnert mehr an einen Prozessor mit 32 Bytes RAM und 65536 I/O Ports". Alle Instruktionen waren 8 Bit breit. Es gab aber keine Unterst�tzung f�r Unterroutinen, bedingte Spr�nge und Stack Operationen. Man konnte dies aber emulieren indem man z.B. dem Programmz�hler neue Werte zuwies. Insgesamt verf�gte der Prozessor �ber 91 Opcodes.

Nach Galileo verwandte man in der Regel andere Chips, wie den unten stehenden MIL-STD 1750A. Der RCA 1802 war eine Notl�sung, weil er der einzige Prozessor war, der die Anforderungen von Galileo erf�llt. Aber er war von der Leistung und Programmierung nicht das Gelbe vom Ei. Da er 16 Takte f�r eine Instruktion brauchte, konnten Galileos Bordrechner nicht schneller als 0.1-0.2 MIPS sein. Er wurde daher nur noch einmal eingesetzt, als man um Kosten zu sparen, bei Magellan das CDS Computersystem von Galileo �bernahm. Hier ein Vergleich mit dem zur selben Zeit verf�gbaren Intel 8085, der 1997 in dem kleinen Rover Sojourner eingesetzt wurde.

MIL-STD 1750A

Der Nachfolger des RCA 1802 auf vielen Raumfahrzeugen was MIL-STD 1750A. Es handelte sich um einen 16 Bit Prozessor, der aus einer USAF Ausschreibung vom 2.7.1980 resultierte und in der US Air Force in Flugzeugen und Waffensystemen eingesetzt wurde. So verf�gten die ersten Bordcomputer der F16 und F111 �ber diesen Prozessor. Ziel war eine einheitliche Hardware (und mit der Programmiersprache ADA auch eine einheitliche Software) auf m�glichst vielen Waffensystemen. Das Dokument spezifiziert vor allem einen Befehlssatz f�r einen Prozessor. Es gibt also nicht einen 1750A Mikroprozessor, sondern sehr viele, die diesen Befehlssatz verstehen und ausf�hren.

MIL-STD steht f�r "milit�rischen Standard" und ist daher mehr als eine Normvorschrift zu sehen. In der Raumfahrt trifft man auch h�ufig auf den MIL-STD 1553, dies ist ein Datenbus f�r 2-32 Teilnehmer und eine Datenrate von zun�chst 1 MBit/sec. Er wurde zuerst 1973 f�r die F16 entwickelt und zweimal (1553A, 1553B) verbessert, die letzte Revision erfolgte aber 1980, so dass dieser Bus in etwa genauso veraltet wie der 1750A Prozessor ist. Eine Datenrate von bis zu 100 MBit/sec ist heute mit diesem Bus m�glich.

Normvorschrift hei�t: Der milit�rische Standard 1750 legt fest was ein 16 Bit Mikroprozessor k�nnen muss : Seinen Instruktionssatz, die Register. die Pins. Er steht aber nicht f�r ein bestimmtes Produkt wie z.B. den 8086 Prozessor, dessen Architektur man sch�tzen kann. So gibt es sehr viele Anbieter von Prozessoren die nach diesem Standard produziert werden. Bei moderneren Designs findet man auch Erweiterungen zum urspr�nglicheren Standard. Dies ist Vergleichbar zu den NEC V20 und V30 Prozessoren. Diese Prozessoren waren Eigenentwicklungen von NEC die den 8086 Prozessor nachbildeten aber neue Befehle integrierten und schneller waren.

Der 1750A hat 16 Register � 16 Bit, die aber zu 32 oder 48 Bit zusammengefasst werden k�nnen. Dies ist ungew�hnlich f�r einen 16 Bit Prozessor. Auch Flie�kommaberechnungen mit 32 oder 48 Bit Genauigkeit oder 32 Bit Ganzzahlberechnungen sind so m�glich. Die Register 1-12 k�nnen als Indexregister und die Register 13-16 als Basisregister f�r indizierte und indirekte Adressierung benutzt werden.

Der Adressbereich betr�gt lediglich 64 KWorte � 16 Bit, also 128 KByte, also vergleichbar den ersten 16 Bit Prozessoren wie dem TMS 9900. Die meisten Instruktionen sind 16 oder 32 Bit breit. Der Adressbereich von 128 KByte kann beim originalen Design durch eine MMU (Memory Management Unit) auf 1 MWorte, also 2 MB erweitert werden, �hnlich wie beim 8086 wird �ber Paging darauf zugegriffen. Eine Page umfasst dabei immer 512 Byte.

Sp�ter gab es einen neuen Standard, den 1750B. Er definierte eine erweiterte MMU welche nun 8 MWorte (16 MB) adressierte. Dieser Standard f�hrte auch eine BPU (Bus Protect Unit) ein, die es erlaubte Teile des RAM vor einem Schreibzugriff zu sch�tzen und so es erlaubte Betriebssystemsoftware im RAM zu halten oder Softwarefehler rechtzeitig zu erkennen.

In der Geschwindigkeit sind die letzten Versionen des 1750A Prozessors in etwa mit einer Motorola MC 68000 oder einem Intel 80286 Prozessor vergleichbar, also Prozessoren die in vielen PCs zwischen 1982 und 1988 eingesetzt wurden.

Dieser Prozessor wurde in sehr vielen Raumfahrzeugen eingesetzt. Jede Ausschreibung der USAF f�r ein Computersystem zwischen 1979 und 1984 basierte auf diesem Prozessor. Erst am 31.7.1996 wurde er als veraltet f�r neue Projekte erkl�rt. Zivile Projekte die diesen Prozessor einsetzten waren unter anderem Navstar, Landsat 7, Hubble,Clementine, Cassini, Huygens, Rosetta, SOHO, Envisat, Integral, XMM, Mars Observer, Mars Global Surveyor, NEAR, Mars Express und Venus Express. Alleine BAE nennt 200 Systeme im Orbit die diesen Prozessor nutzen. An Bord von Cassini sind alleine 7 Prozessoren des Typs 1750A. Zwei in dem Bordcomputer und 5 in verschiedenen Experimenten wie z.B. der Kamera ISS.

Die Tabelle zeigt, wie unterschiedlich die Leistungen von Prozessoren verschiedener Anbieter sind, da es jedem Anbieter �berlassen ist, wie er den Befehlssatz implementiert und welche zus�tzlichen Einheiten er in das Design mit aufnimmt. Der MA-1750A war bei den meisten Satelliten die bis 1996 in die Planung gingen, der wichtigste Prozessor und findet sich selbst heute noch in einigen Missionen, wenn diese wie Venus Express zwar neu konzipiert wurden, aber die Hardware von Rosetta benutzen, die 1993 geplant wurde.

Selbst einige neuere Prozessoren verstehen noch den 1750A Standard - allerdings als Emulation. Es handelt sich dann in der Regel um RISC Prozessoren die den 1750A emulieren, aber einen zweiten Befehlssatz und mehr Speicher. Damit will man eine Portierung erleichtern und diese neue Prozessoren positionieren. Dies ist vergleichbar der x86 Emulation des Itanium Prozessors.

RAD6000

Der RAD6000 basiert wie der RCA 1802 auf einem kommerziell erh�ltlichen Prozessor. Dies ist eine weltraumtaugliche Version des 1993 erschienenen RS/6000SC Prozessors von IBM, dem Vorg�nger des ersten Power PC 601. Er wurde erstmals 1993 von IBM angek�ndigt. Die weltraumtaugliche Version wurde von Lockheed Martin (heute BAE) hergestellt, nachdem IBM 1996 die Fertigungsstra�e an Lockheed Martin verkaufte.

Die Taktgeschwindigkeit wurde bei den ersten Versionen auf 20 MHz gesenkt, um den Stromverbrauch und die W�rmeabgabe zu senken. Sp�ter gab es Versionen bis zu 33 MHz Takt. Der Stromverbrauch der aktuellen Version des RAD6000 betr�gt nur 3.86 Watt. Dadurch ist auch keine aktive K�hlung n�tig. Verglichen mit den noch vor wenigen Jahren eingesetzten Prozessoren wie dem MIL 1750A ist der RAD6000 erheblich schneller. (22 MIPS bei 20 MHz, 35 MIPS bei 33 MHz). Der Takt ist in Stufen drosselbar bis auf 2.5 MHz um Strom zu sparen wenn der Computer nichts zu tun hat.

Der RAD6000SC wurde 1996 eingef�hrt und hat einen CPU Kern in 0.5 Mikrometer Technologie mit 1.1 Millionen Transistoren, etwa die vierfache Zahl eines typischen 1750A Prozessors (0.3 Millionen Transistoren). Im Vergleich zu seinem Power PC Kollegen (PPC601) wurde der Cache von 32 auf 8 KByte verkleinert und die Transistorenzahl so von 2.8 auf 1.1 Millionen gesenkt. RAD6000 Prozessoren haben eine Strahlungstoleranz von mindestens 100 kRAD.

Durch die RISC Technologie ist der Prozessor f�r seine Taktfrequenz sehr schnell. Der Befehlssatz und die Architektur entspricht weitgehend dem Power PC 601 Prozessor von IBM/Motorola. Der Chip verf�gt �ber einen Cache von 8 KByte und ist ein 32 Bit Prozessor mit einem Speicherbus von 64 Bit Breite. Die Speicherpr�fung �ber ECC auf weiteren 8 Leitungen wird ebenfalls unterst�tzt. Der Chip wird in einem von IBM lizenzierten Verfahren hergestellt und ist pinkompatibel zu den RS 6000 SC Prozessoren von IBM.

Er verf�gt �ber eine Fliesskommarecheneinheit und eine Integer Recheneinheit. Beide sind unabh�ngig voneinander und k�nnen so gleichzeitig zwei Rechenoperationen ausf�hren, vor allem erm�glicht aber die Fliesskommarecheneinheit die Berechnung mit 64 Bit Fliesskommazahlen erheblich schneller durchzuf�hren als mit den MIL-STD 1750A Systemen.

Der RAD6000 ist seit seiner Vorstellung im Jahre 1996 sehr popul�r geworden. Zahlreiche Planetensonden des Discovery Programms benutzen diesen Prozessor wie Mars Pathfinder, Mars Polar Lander, Mars Climate Orbiter, Mars Exploration Rovers, Genesis, Deep Space 1, MESSENGER, Stardust. Aber auch Satelliten (SIRTF, Grafity Probe B) und milit�rische Satelliten nutzen diesen Prozessor. Alleine BAE nennt 77 Systeme im Orbit die diesen Prozessor nutzen.

Als Betriebsystem wird �blicherweise eine spezielle Version von VxWorks, einem Echtzeitbetriebssystem benutzt und die Software mit dem C-Compiler von Tornado in Assemblercode �bersetzt. Im Vergleich zu den 1750A Computern ist auch der Speicherausbau der Computer erheblich gr��er. �blich sind 3-128 MB FLASH RAM/ROM und 128-256 MByte RAM. Der Prozessor k�nnte theoretisch 4 GByte RAM/ROM adressieren

RAD750

Der Nachfolger des RAD6000 ist der RAD750. Es handelt sich um eine Adaption des Power PC 750 (Apple Bezeichnung: G3) Prozessors f�r den Weltraumeinsatz. Der Prozessor wird in 0.25 Mikrometer Technologie hergestellt. Gegen�ber seinem Vorg�nger hat sich die Transistorenzahl von 1.1 Millionen auf 10.4 Millionen erh�ht. Der Prozessor ist strahlungsresistent bis 200 kRAD Gesamtdosis. Der Power PC 750 wird im 200 nm Prozess gefertigt, eine �hnlcihe Strukturbreite ist beim RAD 750 zu erwarten.

Die Performance liegt bei den derzeit (Mitte 2004) lieferbaren Exemplaren bei 133-150 MHz Takt bei 240-300 MIPS, also etwa zehnmal h�her als beim RAD6000. Eine Takterh�hung auf 200 MHz ist geplant. Der RAD750 ist wie der RAD6000 ein 32 Bit Mikroprozessor. Er ist pinnkompatibel zum Power PC 750 Prozessor. Er verf�gt �ber je 32 Integer und 32 Fliesskommaregister, einen 32 Bit Adressbus und einen 64 Bit Datenbus. Der virtuelle Speicher betr�gt 252 Bytes.

Der RAD750 ist superskalar und verarbeitet bis zu 3 Instruktionen gleichzeitig. Er verf�gt �ber 6 Funktionseinheiten, darunter zwei Festkommarecheneinheiten und eine Fliesskommarecheneinheit. Er verf�gt �ber einen getrennten Daten und Instruktionscache von je 32 KByte Gr��e. Ein externer L2 Cache von maximal 1 MByte Gr��e kann angeschlossen werden. Der Stromverbrauch betr�gt 5 W bei 133 MHz. Der Stromverbrauch ist also nur moderat angestiegen, obgleich der Chip etwa die 10 fache Performance eines RAD6000 Prozessors hat. Strom wird hier durch Software Unterst�tzung gespart, nicht durch Heruntertakten des Prozessors. Betriebssystem ist auch hier VxWorks.

Der RAD750 wurde 2001 erstmals pr�sentiert. Seit dem Jahre 2002 ist er verf�gbar. Die ersten drei Planetensonden, die den Prozessor einsetzen sind Deep Impact, Mars Reconnaissance Orbiter undDawn. Inzwischen sind auch im Weltraum irdische Bussysteme eingezogen und die meisten neueren Entwicklungen benutzen ein von BAE angebotenes RAD750 Computersystem auf einer PCI Karte. Dies erlaubt ein flexibles erweitern, z.B. um Interface PCI-Karten oder PCI Karten mit 1 GByte RAM die sich als Massenspeicher (Solid State Recorder) verhalten. Mindestens 150 Raumfahrzeuge setzen den Chip ein.

Basierend auf aktuellen Embedded Versionen des Power PC Prozessors gibt es auch andere vergleichbare Typen. Ende 2008 h�lt den Performance Rekord noch der Maxwell 750FX, der auf dem Power PC750FX von IBM beruht. Er hat einen Stromverbrauch von 5-20 Watt, w�hlbar durch den Takt in 200 MHz Stufen. Bei 800 MHz wird eine Peak-Performance von 1800 MIPS erreicht. Hinsichtlich des Stromverbrauchs pro Watt ist er der bislang effizienteste verf�gbare Prozessor. Er markiert aber auch hinsichtlich des absolut emittierten Stroms die obere Grenze bei der es recht aufwendig wird die W�rme abzuleiten und die daf�r notwendigen Heatpipes recht schwer werden.

Der Prozessor wird in zahlreichen kommerziellen und wissenschaftlichen Satelliten eingesetzt, BAE als gr��ter Hersteller nennt �ber 250 Eins�tze im Weltraum. Bekannt ist vor allem durch die �ffentlich einsehbaren Informationen der Einsatz an Bord von Raumsonden und Satelliten der NASA, doch auch in den Wordlview Satelliten stecken RAD750.

RAD5500

Der Nachfolger des RAD750 ist nach einem Jahrzehnt der RAD5500. Auch er basiert auf der PowerPC-Technologie, jedoch auf einer Implementation von Freescale und nicht IBM. Im 45 nm Prozess ist eine wesentlich h�here Integrationsidchte zu. (RAD750: 250 bis 150 nm Technologie). Vor allem die Taktfrequenz konnte so gesteigert werden. Der Prozessor unterst�tzt DDR2 und CDDr3 RAM und ist �ber eine Host-Bridge vernetzbar, so kann ein Multiprozessormodul die Leistung auf bis zu 70 GFlops steigern. Es gibt mehrere Versionen. Die kleinste ist der RAD5510 der nur einen Kern besitzt und 700 MIPS / 466 MFLOPS erreicht. Mit nur einem Kern erreicht der RAD 5515 eine h�here Leistung von 1400 MIPS / 900 MGFLOPS dank h�herer Taktrate. Vier Kerne hat dagegen der RAD5545 mit einer Spitzenleistung von 5600 MIPS / 3600 MFLOPS. Die RADSpeed-Hostbridge kann dann noch viele dieser Prozessoren vernetzen und so die Leistung weiter steigern.

Die RAD5500 Architektur wurde 2014 angek�ndigt, ein Satellit der sie verwendet wurde bisher nicht gestartet.

TSC21020F

Bei europ�ischen Sonden kam man zu einem anderen Ansatz als in den USA. Anstatt nun den Hauptprozessor in der Leistung zu steigern tat man dies bei der Instrumentenelektronik, wo es vor allem um die Datenverarbeitung geht. Der TSC21020F ist eine strahlengeh�rtete Version des ADSP 21020 Signalprozessors. Dies ist ein 32 Bit Prozessor mit einer 40 Bit Fliesskommaeinheit. Das besondere bei diesem Prozessor ist die sehr hohe Fliesskommaperformance: Bei nur 20 MHz Takt erreicht der Prozessor 20 MIPS und 40 MFLOPs mit einer Peak Performance von 60 MFLOPs! Der TSC21020F wird in einem 0.6 Mikrometer Prozess von AMTEL gefertigt und ist f�r Strahlungsdosen bis 100 kRAD qualifiziert.

Der TSC21020F f�hrt alle Instruktionen in einem Takt aus. ALU, Multiplizierer und Shift Einheit k�nnen parallel arbeiten. Fliesskommaberechnungen sind mit 32 und 40 Bit Genauigkeit m�glich. Die Harvard Architektur trennt den Speicher in einen getrennten Daten und Programmspeicher mit eigenen Bussystemen. Alle Befehlsw�rter haben eine konstante L�nge von 48 Bit. Sie werden in einem 32 Befehle Cache Speicher (208 Byte) gehalten. Es gibt zwei Registers�tze von je 16 Registern mit 40 Bit Breite, zwischen denen umgeschaltet werden kann.

Der Programmspeicher und Datenspeicher werden getrennt adressiert. Der Programmspeicher mit 24 Bit Adressen (max. 16 MByte), der Datenspeicher mit 32 Bit Adressen (4 GByte). Die Datenbusbreite bei dem Programmspeicher betr�gt 48 Bit und die Datenbusbreite beim Datenbus 40 Bit. F�r kleinere Daten werden die unteren 8 bzw. 16 Bits nicht genutzt, der Prozessor ist also ein typischerRISC Prozessor.

Der Befehlssatz umfasst bedingte Rechenoperationen, Operationen auf einzelnen Bits und 21 Festkomma und 24 Fliesskommarechenarten. Bei diesen fehlen die trigonometrischen Funktionen, daf�r gibt es Maximum und Minimumfunktionen. Es gibt 5 Interrupt Levels und einen Timer auf dem Prozessor. Die Verlustleistung betr�gt bei 20 MHz Taktfrequenz 13 Watt.

Dieser Prozessor ist bislang auf der Raumsonde Rosetta und dem Satelliten METEOP und ProbA. Er ist hier kein Zentralprozessor sondern verarbeitet Daten. So kann er z.B. eine 512 Punkte FFT in 0.945 ms durchf�hren und 2 MBit Bilddaten/sec in JPEG komprimieren. So wird dieser bei den Experimenten im Rosetta Orbiter eingesetzt, w�hrend die Raumsonde von einem beh�bigen MA31750 Prozessor gesteuert wird.

Bei neueren Projekten ist der Prozessor f�r die Sondensteuerung (nicht Instrumente) eine Version des ERC32 Prozessors: Dies ist ein von der ESA entwickelter weltraumtauglicher Prozessor auf Basis der SPARV V8 Architektur mit zwei Timern und einem UART Interface. Es gibt diesen in 3 Taktraten von 15, 25 und 125 MHz mit einer Strahlentoleranz von bis zu 80 kRAD. Die Performance liegt zwischen 10 und 100 MIPS. Auch er wurde mit dem experimentellen Erderkundungssatelliten ProbA getestet und wird den 1750A in neueren Projekten abl�sen.

Wie viel RAD braucht man?

Wie weltraumtauglich ein Satellit sein muss, h�ngt eng von dem Orbit ab. Am st�rksten ist ein Prozessor in einem mittel hohen Orbit belastet. So ist die Belastung in einem 800 km hohen Orbit h�her als im geostation�ren Orbit bei 36.000 km H�he. Doch sch�tzt die Erde immer noch durch ihre Magnetfeld, au�er es gibt starke Sonnenst�rme, die es verformen und zusammenpressen.

Interplanetare Raumsonden genie�en diesen Schutz nicht und sind daher h�heren Strahlungsbelastungen ausgesetzt. Ein Dosimeter an Bord von Mars Odyssey 2001 ma� die 2-3 fache Belastung im Vergleich zur Raumstation ISS. Am gr��ten sind die Strahlenbelastungen bei Jupiter. Die Raumsonde Galileo war ausgelegt f�r eine Strahlendosis von 150 kRAD. Davon nahm sie alleine 50 kRAD beim Einschuss in die Umlaufbahn auf, als sie sich bis auf 214.000 km an Jupiter n�herte. Beim Ende der erweiterten Mission funktionierte Galileo immer noch, obgleich nun die Strahlendosis 400 kRAD �berstieg. Danach gab es mehr und mehr Ausf�lle, doch konnte die Sonde auch beim Sturz in Jupiters Atmosph�re noch betrieben werden - bei einer empfangenen Gesamtdosis von 1200 kRAD!

FPGA's

Bislang musste sich die Raumfahrt kommerzieller Prozessoren bedienen. Aufgrund der Anforderungen an die Technik wie das Arbeiten im Vakuum, geringer Strombedarf und die Unempfindlichkeit gegen�ber Strahlung waren spezielle Prozessoren sehr teuer (>100.000 $ pro CPU), wegen des aufwendigen Herstellungsprozesses und der Vorselektion und Tests. Trotzdem waren sie oft, nicht sehr leistungsf�hig, da moderne CPU's nicht den Bedingungen im Weltraum trotzen k�nnen. Die Entwicklung hinkte in den letzten Jahren immer mehr der kommerziellen Entwicklung hinterher.

Eine M�glichkeit eine L�sung aus diesem Dilemma zu finden sind Field Programmable Gate Arrays, (FPGA). Das sind Bausteine, die anders als k�ufliche Prozessoren nicht durch einen Herstellungsprozess gefertigt werden, sondern bei denen die Verkn�pfung der Gatter zu logischen Grundoperationen und diese wiederum zu komplexeren Einheiten, durch eine Hardwarebeschreibung festgelegt wird und diese an das FPGA �bertragen wird. Entsprechende Hardware an Bord vorausgesetzt kann man die Logic des Bordcomputers noch im Flug �ndern.

Der deutsche Kleinsatellit "Flying Laptop" benutzt ein FPGA von Xilinx (Vertex-II Pro) mit 3 Millionen Gatter und einer Taktrate von 200 MHz. Das liegt zwar weit unterhalb der Integrationsdichte heutiger CPU's, doch viele Rechner die heute in anderen Satelliten eingesetzt werden haben auch keine besseren Werte. Der Nutzen liegt darin, dass man eine CPU bauen kann, die genau das tut was ben�tigt wird. M�ssen Daten z.B. nach einem bestimmten Algorithmus vorverarbeitet oder komprimiert werden, so kann dies so direkt in Hardware erfolgen. Das ist schneller als ein Programm f�r einen Prozessor und die Hardware kann im Flug rekonfiguriert werden. Es wird erwartet dass diese Hardwarel�sung 40-20�0 mal schneller ist als eine Softwarel�sung mit denselben Ressourcen. So ergab ein Test der Verarbeitung der Daten der Startracker Kameras, das 20000 mal pro Sekunde die Position neu bestimmt werden kann - deutlich �ber den 10 Bildern pro Sekunde, welche die Kamera liefert und 10-50 Iterationen bei reinen Softwarel�sungen. Durch die schnelle Anbindung des Hauptspeichers mit 533 MByte/s kann ein Bild der Kamera verarbeitet und das zweite gleichzeitig ausgelesen werden.

FPGA's versprechen folgende Vorteile:

• Nur die Funktion, die man braucht ist direkt in Hardware vorhanden - nicht mehr und nicht weniger.
• Direkte Verdrahtung der Logik, kein Interpretieren von Maschinenbefehlen, kein Overhead f�r ein Betriebssystem.
• M�glichkeit zur Parallelisierung: Man ist nicht auf eine bestimmte Bitbreite wie bei einem Prozessor beschr�nkt sondern k�nnte z.B. mehrere Bildpunkte gleichzeitig bearbeiten (in der Praxis limitiert durch die Menge der Ein/Ausgabepins eines FPGA).
• Rekonfiguration noch nach dem Start m�glich - Umprogrammierung der Sonde, z.B. mit Verarbeitungsalgorithmen.
• Spezialisierung m�glich: Ein FPGA verarbeitet Navigationsdaten, andere sind f�r je ein Experiment zust�ndig. FPGA k�nnen beliebig kombiniert werden.

In gewisser Weise kann man ein FPGA mit den Beschleunigungsfunktionen von Chips�tzen vergleichen: Seit 2010 sind Chips�tze f�r Motherboards verf�gbar, welche die wesentlichen Funktionen der Videodekodierung in Hardware durchf�hren. Damit kann ein schwachbr�stiger Atom Prozessor Full-HD Videos ohne Ruckler abspielen. Diese erzeugen normalerweise auf einem Dulacoreprozessor �ber 50% Last und ein Atom w�re viel zu langsam um Videos abzuspielen. Algorithmen die direkt in Hardware umgesetzt werden sind meistens viel effizienter als eine Softwarel�sung. Der Unterschied ist nur bei einem FPGA, dass diese ge�ndert werden k�nnen. So kann auch nach dem Start die Hardware aktualisiert werden, z.b. neue Kompressionsalgorithmen implementiert werden die es beim Start noch nicht gab.

Neben den FPGA's befinden sich auf einer Standard Euro PCB Platine noch ein PROM mit der Startkonfiguration der FPGA's (um diese r�cksetzen zu k�nnen), einem programmierbaren EEPROM f�r die Zwischenspeicherung der Konfiguration. 4 MByte schnelles RAM f�r die Datenverarbeitung und 2 x 128 MByte DDR RAM als Arbeitsspeicher und 1 GByte Flash Speicher als Massenspeicher pro FPGA. Davon hat der Bordrechner 4 St�ck an Bord. Laufen sollen je nach Anforderungen 1-4 Systeme gelichzeitig. Die Ausstattung ist so reichhaltig, dass das IRS anbietet mit "Rent-A-SAT" auf einem FPGA die Software eines anderen Prozessors oder die Konfiguration eines Bordrechners zu emulieren und so im Weltraumeinsatz zu testen!

Vergleiche der Rechengeschwindigkeit zu kommerziellen Prozessoren

Das ganze ist nat�rlich nur als grobe Orientierungshilfe zu verstehen, die Geschwindigkeit eines Programms h�ngt vor allem davon ab, wie gut dies den Prozessor ausnutzt.

Massenspeicher

Seit Beginn der Raumfahrt wurden Magnetb�nder als Datenspeicher eingesetzt. Schon Explorer 1 hatte ein Magnetband an Bord. Lange Zeit dominierten analoge Techniken. Die Daten wurden also wie T�ne auf einem Magnetband gespeichert und erst beim Senden digitalisiert. Die ersten Mariner Sonden bis einschlie�lich Mariner 6+7 verwandten nur analoge Magnetb�nder.

Mariner 9 verwandte erstmals digitale Magnetb�nder. Typische Kapazit�ten in den siebziger Jahren waren 180-640 MBit. Magnetb�nder wurden bis in die neunziger Jahre eingesetzt, Die letzte Raumsonde mit Magnetbandlaufwerken war der 1992 gestartete Mars Observer. Magnetbandlaufwerke haben zwei Probleme. Zum einen wird das Band bei jedem Spulen und Bewegen mechanisch beansprucht. So viel es bei der Galileo Mission zweimal aus. Die Mission der meisten Satelliten der OSO Serie - die nur einmal pro Orbit kurz im Empfangsbereich einer Bodenstation waren und daher das Magnetband dauernd einsetzten - wurde durch die Bandlaufwerke begrenzt. Wenn sie nach einigen Tausend Spulvorg�ngen defekt warn, war der Satellit weitgehend nutzlos. Daran �nderte die Verdoppelung auf 2 Laufwerke nichts. Es verl�ngerte nur die Frist um einige Monate. Zum anderen ist kein schneller Zugriff auf die Informationen m�glich, sondern man muss an die entsprechende Stelle spulen, was bis zu mehreren Minuten dauern kann.

Inzwischen hatte man als neue Technik Speicherbausteine entdeckt. Flash RAM wie sie auch in Speicherkarten oder USB Speichersticks stecken werden zu gro�en RAM B�nken kombiniert und eine Logik suggeriert dem Bordcomputer einen Massenspeicher. In Europa setzt man mehr auf normale RAM Chips die genauso geb�ndelt werden, da man damit gr��ere Speicher aufbauen kann und die Schreibgeschwindigkeit h�her ist. Heute kann man mit diesen Techniken Speicherb�nke von bis zu 64 GBit Gr��e herstellen.

Eine oft gefragte Frage ist, warum keine Festplatten eingesetzt wird. Eine Festplatte funktioniert in der Schwerelosigkeit genauso wie am Boden. Eine Mechanik dr�ckt einen Schreib/Lesekopf auf die Oberfl�che. Durch den Bernoulli Effekt der rotierenden Platte schwebt er �ber der Oberfl�che. Dies ist unabh�ngig von der Schwerkraft. dies kann man auch erkennen, dass man Festplatten in manchen Rechnern senkrecht eingebaut sind.

So nahmen Astronauten schon Thinkpads von IBM mit 20 GB Platten mit zur ISS. Problematisch ist aber die Versiegelung der Platte. Je nach Bauart ist die Platte entweder luftdicht schlossen oder sitzt hinter einer �ffnung ein Staubfilter. Die erste Konstruktion w�rde auch im Vakuum funktionieren, wenn die Versiegelung gut genug ist. Die zweite Konstruktion sch�tzt zwar vor Staub, der bei den geringen Abst�nden des Lesekopfes von der Platte einen Headcrash verursachen w�rde, doch erzeugt einen Druckausgleich und ist im Vakuum daher nicht zu gebrauchen.

Das Problematische sind Einschl�ge von Mikrometeoriten. Selbst wenn diese nicht die Platte besch�digen reicht ein kleines Loch im Geh�use doch aus, damit die Platte ihre Luftf�llung verliert und es kommt zum Headcrash. Bei bemannten Missionen mit dicker Abschirmung und Druckkabinen ist dies kein Problem, in einem unbemannten Raumfahrzeug dagegen ein betr�chtliches Sicherheitsrisiko.

F�r Langzeitmissionen kommt noch dazu dass erst seit Mitte der neunziger Jahre Platten eine MTBF von mehreren Jahren Dauerbetrieb erreicht haben, zu einer Zeit als man schon RAM B�nke als Massenspeicher einsetzte.

� des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Ver�ffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Ausz�gen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

B�cher vom Autor �ber Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. InBand 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.

Sitemap	Kontakt	Neues	Impressum / Datenschutz	Hier werben /advert here	Buchshop	B�cher vom Autor