綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)論文
1、概述
傳統(tǒng)的國內(nèi)外航空電子系統(tǒng)是基于專用硬件和軟件開發(fā)的，現(xiàn)今許多航空電子系統(tǒng)均成功運(yùn)行于這種配置上。但自20世紀(jì)初，航空電子設(shè)備設(shè)計(jì)的復(fù)雜性程度己大大提高，這些專用設(shè)備的高額全壽命周期費(fèi)用漸漸成為航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)最大的問題。
伴隨著該問題而提出的新一代綜合模塊化航空電子(IntegratedModularAvionics,IMA)系統(tǒng)在國外開始研制。新的綜合模塊化航空電子系統(tǒng)通過采用開放式體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化以及通用化的設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的兼容性、可移植性、可擴(kuò)展性，并具有較高的可拓展性和可維護(hù)性，降低了系統(tǒng)的壽期費(fèi)用。
目前非常具有代表性的IMA系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)有歐洲的聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)化航電系統(tǒng)架構(gòu)協(xié)會(huì)(AlliedStandardAvionicsArchitectureCouncil,ASAAC)標(biāo)準(zhǔn)。但是，ASAAC標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于考慮系統(tǒng)的模塊化、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，對系統(tǒng)的可靠性考慮不夠詳細(xì)。而美國航電委員會(huì)提出的ARINC653標(biāo)準(zhǔn)卻對系統(tǒng)的可靠性有非常好的改進(jìn)。本文參考這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)給出一種融合IMA系統(tǒng)可靠性、模塊化、可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)方法。
2、ASAAC系統(tǒng)架構(gòu)
ASAAC標(biāo)準(zhǔn)從軟件結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能、通信功能和通用模塊方面對綜合模塊化的航空電子系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)定，此外還制定了非強(qiáng)制性的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)方針。
從通用性方面，ASAAC對模塊從功能上進(jìn)行劃分，包括數(shù)據(jù)處理模塊、圖形處理模塊、大規(guī)模存儲(chǔ)模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)絡(luò)支持模塊等，規(guī)范對模塊的軟件架構(gòu)和硬件組成都作了嚴(yán)格規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)資源的重用和系統(tǒng)重構(gòu)提供了前提條件，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可移植性和可維護(hù)性。
ASAAC模塊軟件體系結(jié)構(gòu)分為以下3層：
(1)模塊支持層(ModuleSupportLayer,MSL)，與MSL底層硬件直接通信，提供硬件自檢和時(shí)鐘管理等功能，并向操作系統(tǒng)層提供統(tǒng)一的接口金屬氧化物半導(dǎo)體管，同時(shí)MSL通過多處理器鏈路接口(MultiprocessorLinkInterface,MLI)的信息進(jìn)行模塊間的通信，完成系統(tǒng)引導(dǎo)的功能。
(2)操作系統(tǒng)層(OperatingSystemLayer,OSL)，OSL包括OS和通用系統(tǒng)管理。OS提供基本的操作系統(tǒng)服務(wù)，如事件管理、調(diào)度管理、存儲(chǔ)管理、進(jìn)程管理等，除此之外OS還提供操作系統(tǒng)邏輯接口(OperatingsystemLogicalInterface,OLI)服務(wù)，支持模塊之間OSL層的通信，并通過系統(tǒng)管理操作系統(tǒng)(SystemManagementOperatingSystem,SMOS)接口配合GSM進(jìn)行模塊控制和管理。通過應(yīng)用操作系統(tǒng)層(APplicationlayerOperatingSystemlayer,APOS)向應(yīng)用層提供服務(wù)接口。在實(shí)現(xiàn)中，OS層操作系統(tǒng)可以采用ARINC653分區(qū)操作系統(tǒng)。GSM提供系統(tǒng)控制和管理服務(wù)，主要包括健康性監(jiān)控、錯(cuò)誤管理、配置管理和安全管理等，GSM通過類系統(tǒng)管理邏輯接口與上下級(jí)模塊的GSM進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對下級(jí)模塊的控制和管理，并接受上級(jí)模塊的管理。通過系統(tǒng)管理藍(lán)圖(SystemManagementBluePrint,SMBP)接口來獲取藍(lán)圖信息對系統(tǒng)進(jìn)行配置和管理。
(3)應(yīng)用層(ApplicationLayer,AL)，航電應(yīng)用位于該層，應(yīng)用管理控制和管理此類航電應(yīng)用。
在ASAAC中，使用藍(lán)圖來保存整個(gè)系統(tǒng)的配置信息，如系統(tǒng)的每個(gè)模式使用哪些模塊，各個(gè)模塊如何工作，它們?nèi)绾瓮ㄐ牛K之間如何管理等。在系統(tǒng)初始化和運(yùn)行中GSM通過獲取藍(lán)圖的信息來對系統(tǒng)進(jìn)行管理。
在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，ASAAC對通用模塊的高度、長度和模塊的物理接口、電氣特性等做了規(guī)定，對冷卻方式也做了相應(yīng)描述，使得通用模塊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，在很大程度上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。
ASAAC標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)透明的，對所有商家都開放，從而能夠最大限度的運(yùn)用商業(yè)貨架產(chǎn)品。ASAAC設(shè)計(jì)的航空電子系統(tǒng)目標(biāo)為：通過指定開發(fā)的體系和標(biāo)準(zhǔn)來降低航電系統(tǒng)的全壽命周期費(fèi)，改善操作性能和處理性能，目前這些標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理念和結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到應(yīng)用，ASAAC委員會(huì)也在繼續(xù)開展后續(xù)工作。
3、ARINC653標(biāo)準(zhǔn)
ARINC653是美國航電委員會(huì)針對新一代飛機(jī)數(shù)據(jù)綜合化提出的應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)有符合ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的商用操作系統(tǒng)，如WindRiver的VxWorks653。
在ARINC653中引入分區(qū)概念，所有分區(qū)共享系統(tǒng)資源，分區(qū)參與系統(tǒng)調(diào)度，每個(gè)分區(qū)內(nèi)部包含一個(gè)自己的用于動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的一個(gè)堆以及應(yīng)用進(jìn)程，進(jìn)程在分區(qū)時(shí)間片內(nèi)得到調(diào)度，分區(qū)內(nèi)進(jìn)程有自己的調(diào)度方式，在時(shí)間片結(jié)束后下個(gè)分區(qū)得到調(diào)度并運(yùn)行。分區(qū)是ARINC653的核心概念，分區(qū)概念的引入，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性。通過藍(lán)圖配置，分區(qū)之間在時(shí)間上和空間上相互隔離。
在空間上，通過使用處理器的內(nèi)存管理單元對不同上下文虛擬內(nèi)存進(jìn)行約束，每個(gè)分區(qū)包含一個(gè)自己的用于動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的一個(gè)堆以及應(yīng)用程序的堆棧，使一個(gè)被隔離的空間中運(yùn)行的應(yīng)用不能剝奪其他空間的共享應(yīng)用資源或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)RTOS內(nèi)核提供的資源。
時(shí)間分區(qū)定義了在同一個(gè)計(jì)算處理平臺(tái)上同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)應(yīng)用的隔離需求，不同分區(qū)被分配了已定義寬度的時(shí)間段。一個(gè)時(shí)間段內(nèi)分區(qū)可以使用自己的調(diào)度策略，管理分區(qū)內(nèi)部進(jìn)程間的調(diào)度，但在此時(shí)間段末，Arinc調(diào)度器會(huì)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到調(diào)度表中的下一個(gè)分區(qū)，這樣能保證一個(gè)應(yīng)用對處理器的利用不會(huì)超過預(yù)期而損害其他應(yīng)用，其中，每個(gè)時(shí)間片的大小、分區(qū)的調(diào)度順序以及分區(qū)內(nèi)部進(jìn)程的調(diào)度策略在藍(lán)圖中定義。
4、高可靠性的IMA系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)
因?yàn)樵贏SAAC提出的IMA系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要側(cè)重于考慮框架的整體可移植性和可維護(hù)性，所以并沒有過多考慮節(jié)點(diǎn)的可靠性。而ARINC653主要針對IMA軟件架構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)操作環(huán)境可靠性設(shè)計(jì)的。因此，本文提出將兩者加以融合以提高IMA軟件架構(gòu)可靠性的設(shè)計(jì)。將ARINC653規(guī)范定義的操作系統(tǒng)使用在ASAAC軟件架構(gòu)中，替換使用的普通操作系統(tǒng)以達(dá)到提高整個(gè)架構(gòu)可靠性的目的。
在該融合的過程中，將GSM植入節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的核心軟件層，GSM負(fù)責(zé)該節(jié)點(diǎn)的管理工作。
配置管理(ConfigurationManagement,CM)在節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)根據(jù)藍(lán)圖信息對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，包括每個(gè)分區(qū)的內(nèi)存需求，分區(qū)周期，分區(qū)在時(shí)間窗口中的序列，分區(qū)間的通訊鏈路，節(jié)點(diǎn)與外部通訊的鏈路等。在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)配置管理會(huì)根據(jù)藍(lán)圖對系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)。
在每個(gè)分區(qū)的分區(qū)操作系統(tǒng)中植入健康監(jiān)控(HealthMonitor,HM)和錯(cuò)誤管理(FaultManagement,FM)模塊。分區(qū)操作系統(tǒng)內(nèi)部的健康監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)視本分區(qū)的健康狀態(tài)，搜集由本分區(qū)應(yīng)用引起的故障和錯(cuò)誤，通過藍(lán)圖定義的策略進(jìn)行故障與錯(cuò)誤過濾，然后向分區(qū)內(nèi)的錯(cuò)誤管理模塊和核心軟件層GSM中的健康監(jiān)控模塊通告錯(cuò)誤。分區(qū)操作系統(tǒng)中的錯(cuò)誤管理模塊根據(jù)配置管理處理、記錄本分區(qū)的錯(cuò)誤，并向核心軟件層GSM中的錯(cuò)誤管理模塊通告，以便GSM能夠?qū)?jié)點(diǎn)的多個(gè)故障進(jìn)行分析和做出正確處理。
節(jié)點(diǎn)的安全由核心軟件區(qū)GSM的安全管理(SecurityManagement,SM)模塊集中管理。主要負(fù)責(zé)經(jīng)過加密、解密和審計(jì)的受保護(hù)數(shù)據(jù)能夠安全傳輸，將檢測破壞安全的事件寫入安全日志。
融合中另一個(gè)重要工作是藍(lán)圖的融合。ARINC653使用配置表來管理系統(tǒng)。配置表中包括系統(tǒng)初始化信息，分區(qū)間通信的配置信息，用來進(jìn)行健康監(jiān)控和錯(cuò)誤管理的信息。為了讓分區(qū)能在操作系統(tǒng)的核心上運(yùn)行，還要配置分區(qū)的內(nèi)存需求、運(yùn)行周期、每個(gè)周期持續(xù)時(shí)間、用來發(fā)送消息的標(biāo)識(shí)、用來接收消息的標(biāo)識(shí)等信息。此類信息都是靜態(tài)的。ASAAC更是通過藍(lán)圖來對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。系統(tǒng)在工作模式的切換、容錯(cuò)管理、地勤維護(hù)和測試、系統(tǒng)初始化和關(guān)機(jī)階段都需要依靠動(dòng)態(tài)運(yùn)行藍(lán)圖來做出相應(yīng)變化。本文需要將這種靜態(tài)的配置表信息融入ASAAC的藍(lán)圖中以便節(jié)點(diǎn)的GSM可以通過讀取藍(lán)圖中的信息對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。
5、結(jié)束語
綜合模塊化航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)代航空電子系統(tǒng)的發(fā)展方向，因此，國外的很多開放式標(biāo)準(zhǔn)得以引入并在國內(nèi)航空電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。在學(xué)習(xí)這些開放式標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對其加以優(yōu)化和改進(jìn)使其更實(shí)用、具有更好的性能是一項(xiàng)非常重要的工作。本文對IMA系統(tǒng)的可靠性改進(jìn)的設(shè)計(jì)正是出于該目的。
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