Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 166

Смысл погони за новинками становится не совсем очевидным, когда срок работы устройства измеряется не месяцами или годами, а десятилетиями. Так или иначе, но через год после старта компьютер космического аппарата безнадёжно отстанет от прогресса, а через десять лет без апгрейда сама мысль о суете вокруг новизны будет казатся странной.

Смешно жаловаться на RAD6000 (который, кстати, до сих пор работает на Марсе, хотя прошло десять лет), когда специалистам из NASA до сих пор приходится поддерживать связь с «Вояджерами», запущенными в 1977 году, а спроектированными и того раньше. RAD6000 хотя бы имеет какие-то современные аналоги — скажем, процессор игровой приставки XBox 360. О бортовых компьютерах «Вояджеров» такого не скажешь.

Это гости из забытого времени, столкновение с которыми должно вызывать у современных программистов трепет. На каждом из них стоит по паре крайне маломощных компьютеров трёх совершенно разных типов и назначений, в которых сам чёрт ногу сломит: четыре восемнадцатиразрядных и два шестнадцатиразрядных процессора с тактовой частотой 250 килогерц, причём два из них имеют доступ лишь к ПЗУ объёмом 4096 восемнадцатиразрядных слов, ещё два — к двум банкам ОЗУ ёмкостью 8196 шестнадцатиразрядных слов, а остальные — к двум банкам ОЗУ ёмкостью 4096 восемнадцатиразрядных слов (в сумме набирается около 64 килобайтов).

И этот динозавр не просто продолжает работать уже без малого сорок лет — его по-прежнему приходится программировать, отлаживать и чинить. Это значит, что где-то в закромах американского аэрокосмического агентства содержится небольшой компьютерный парк Юрского периода: работоспособная копия бортовой вычислительной машины «Вояджеров». И кому-то приходится за ним ухаживать, помня и используя методы полувековой давности, на фоне которых все современные ограничения, которые налагают в NASA на программистов, кажутся нелепым баловством.

Удалённый ремонт понадобился одному из аппаратов относительно недавно: в 2010 году нарушилась связь c Voyager 2. Вместо телеметрии зонд передал с окраины Солнечной системы нечитаемый поток цифрового мусора. Инженеры три недели определяли причину: оказалось, что одна из ячеек памяти вышла из строя и поменяла своё значение на противоположное. Программное обеспечение Voyager 2 пропатчили, чтобы он обходил испорченную область памяти стороной.

И причина неисправности Voyager 2, и способ её исправления некомфортабельно близка к железу. Современные программисты почти никогда не опускаются до уровня отдельных ячеек, регистров и портов. Обычно работа происходит на много уровней абстракции выше, и ошибки почти никогда не имеют отношения к тому, что происходит в реальном мире. В космосе же (да и вообще во встраиваемых применениях) реальный мир трудно игнорировать.

Та проблема марсохода Spirit, над решением которой бился Делиман в 2004 году, вполне могла корениться не в программной, а в аппаратной ошибке, вызванной внешним воздействием. Подумайте сами: действие происходит на другой планете. Spirit стартовал с Земли и пережил существенные нагрузки, а затем совершил автоматическую посадку — и не факт, что достаточно мягкую. Во время старта или посадки он запросто мог получить механические повреждения. После того, как аппарат покинул радиационный пояс Земли, его непрерывно обстреливали заряженные частицы. Шальная частица способна повлиять на работу электроники, а при особом невезении — даже полностью сжечь одну из микросхем. Наконец, бортовой компьютер мог перегреться или пострадать от перепада напряжении.

Майку Делиману потребовалось несколько дней, чтобы установить причину сбоя. По иронии судьбы, марсоход споткнулся на одной из предосторожностей, которую его разработчики предусмотрели специально для того, чтобы избежать неполадок и увеличить надёжность системы.

В Spirit и Opportunity имеется плата, которая перезапускает бортовой компьютер, когда он подвисает. Пока компьютер работает исправно, специальный процесс следит, чтобы перезапуска не произошло. Когда он замолкает, плата понимает, что произошёл сбой, и выполняет сброс.

Проблемы начались, когда компьютер Spirit по какой-то причине повис. Плата выполнила сброс, система перезагрузилась и принялась инициализировать файловую систему. Файловая система хранит данные на флэш-накопителе, но использует и кэш в ОЗУ. После сброса количество файлов, которые подлежат загрузке в кэш, оказалось больше, чем умещается в памяти. При переполнении памяти бортовой компьютер сбросился второй раз — так по кругу.

Сброс происходил снова и снова. Именно поэтому из Spirit никак не удавалось вытянуть телеметрию или перевести его в спящий режим. После шестидесяти перезагрузок батарея истощилась настолько, что марсоход перешёл в режим сохранения энергии, при котором не требовалась полная реинициализация файловой системы. Это его и спасло. Решение проблемы оказалось совсем простым: лишние файлы удалили, а чтобы история не повторилась, конфигурацию некоторых модулей слегка изменили.

Байки о космических багах (а их за полвека освоения космоса накопилось огромное множество) интересны не только сами по себе. Вполне возможно, что те же проблемы и решения, которые пока знакомы преимущественно инженерам NASA, скоро станут определять развитие новой ветви компьютерной техники по эту сторону околоземной орбиты.

Очертания компьютеров, которые мы используем, напрямую связаны с их техническими ограничениями. Главным ограничением персональных компьютеров долгое время была их недостаточная мощность. Когда несколько лет назад начался бурный рост популярности мобильных устройств, ограничения стали совсем другими. Теперь всех волнует не производительность процессора, а энергопотребление и ёмкость батарей. И посмотрите, к чему это привело: мобильные платформы, завоевывавшие мир последние пять лет, устроены совсем иначе, чем операционные системы, которые были распространены на ПК.

Что дальше? Аналитики предсказываютраспространение самоуправляемых автомобилей, беспилотных летательных аппаратов и даже мобильных роботов. Их прогнозы, как правило, нужно делить на два, но тем не менее: разработчиков таких устройств будут беспокоиться совсем о других вещах, чем создатели Android или Windows. Надёжность и долголетие станет важнее и производительности, и энергопотребления. Тут-то и пригодятся уроки космоса.

К оглавлению