ARINC653分區操作系統在綜合模塊化航空電子系統中的應用

第49卷第5期電玩技款Vol 49 No 52009年5月Telecommunication EngineeringMay 2009文章編號:1001-893X(20)05-0089-04ARINC653分區操作系統在綜合模塊化航空電子系統中的應用陳娟(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)摘要:航空電子系統的綜合模塊化發(fā)展對軟件系統提出了更高的要求。介紹了基于 ARINC653軟件規范的分區操作系統的原理、綜合模塊化航電系統的特點(diǎn)和需求,以該系統中顯控子系統軟件的設計為例,說(shuō)明了 ARINC653分區操作系統在綜合模塊化航電系統中的應用價(jià)值關(guān)鍵詞:綜合模塊化航電系統; ARINC653分區操作系統;顯控子系統;開(kāi)發(fā)步驟中圖分類(lèi)號:TP316;V241文獻標識碼:Adoi:10.3969/jisa.100-893x.2009.05.22Application of ARINC653 Partition Operation System inIntegrated Modular Avionics( IMA)SystemCHEN JuanSouthwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)Abstract: The avionics systems development of integrated modular puts a higher requirement to the softsystem. This paper introduces the theory of the partition operation system based on ARINC653 softwarespecification and the characteristic and requirement of the integrated modular avionics( IMA) system. Ittakes the software design of display control subsystem as example to show the practical value of ARINc653partition operation system in IMA systemKey words: integrated modular avionics( IMA)system; ARINC653 partition operation system; display con-trol subsystem; development process可重用性、高可靠性以及高安全性得到了充分的保1引言證,滿(mǎn)足了IMA系統要求本文在介紹綜合模塊化航電系統的特點(diǎn)和需求隨著(zhù)微電子技術(shù)計算機技術(shù)、航空技術(shù)的迅猛以及基于 ArINc653軟件規范的分區操作系統的原發(fā)展新一代航空電子系統正向開(kāi)放式、綜合化、模塊理的基礎上,以該系統中顯控子系統的設計為例,說(shuō)化的方向發(fā)展,已邁入綜合模塊化航空電子系統(In明了ARNC653分區操作系統在綜合模塊化航電系tegrated Modular Avionics,IMA)階段。作為航電系統統中的應用的重要部分,軟件系統的開(kāi)放性、可維護性、可重用性、高可靠性和高安全性是實(shí)現IMA的必要條件。2綜合模塊化航空電子系統Arinc53是針對航電系統數據綜合化要求提2.1航空電子系統體系結構的發(fā)展出來(lái)的應用程序接口規范。該規范定義了標準的航空電子體系結構從20世紀60年代演變到今API和系統服務(wù),即APEX層,把應用程序和操作系天,期間的幾個(gè)關(guān)鍵結構包括獨立式航空電子系統、統隔離。還要求通過(guò)時(shí)間分區、空間分區以保證不聯(lián)合式航空電子系統綜合化航空電子系統,以及高同應用的隔離,因此,該規范使得軟件的可移植性、度綜合化航空電子系統。收稿日期:2009-03-09;修回日期:2009-05-0789第49卷第5期玩技求200年5月Telecommunication EngineeringMay 2009獨立式航空電子系統為“分立設備”的航空電子系服務(wù),也可以對各種服務(wù)的屬性加以控制,如任務(wù)調每種設備由它所包含的傳感器、處理器和顯示器完度、通信和內部狀態(tài)信息等。文獻[1]中給出了操成該設備的獨立功能,連接介質(zhì)是點(diǎn)對點(diǎn)的導線(xiàn)。作系統、APEX接口和應用軟件的關(guān)系。聯(lián)合式航空電子系統采用了一些標準的數據處3.2AR|NC653分區操作系統理器來(lái)完成諸如通信導航武器投放、外掛管理和飛3.2.1ARNC653分區操作系統軟件結構行控制這樣的管理功能,處理器之間用時(shí)分多路總線(xiàn)基于 ARINC653的分區操作系統的軟件結構如(ML-SD-1538)相接實(shí)現了全系統集中控制和圖1所示。用戶(hù)可以通過(guò)配置文件配置空間和時(shí)間統一顯示,在信息流的最后環(huán)節實(shí)現了資源共享。分區的調度信息,然后通過(guò)編譯配置文件進(jìn)入綜合化航空電子系統的主要特點(diǎn)是使用了許多 ARINC53分區操作系統,實(shí)現空間和時(shí)間分區的現場(chǎng)可更換模塊來(lái)完成各種信號處理和信息處理功調度的動(dòng)態(tài)配置。ARNC653分區操作系統通過(guò)內能這種模塊化的設計便于系統容錯和系統重構,并存管理單元(MMU)保證空間分區的空間隔離通過(guò)且由于同類(lèi)模塊的大量生產(chǎn)降低了成本。該系統由嚴格的時(shí)間周期輪轉調度方法完成時(shí)間分區調度于集成度高、電降密度增加和實(shí)時(shí)數字處理增加,對在分區內可實(shí)現優(yōu)先級調度或者輪轉調度策略。數據傳輸網(wǎng)絡(luò )的要求增高,因此開(kāi)始使用高速光纖總線(xiàn)來(lái)連接處理器機架。應用2應用高度綜合化航空電子系統將上一階段(綜合化用戶(hù)模式航空電子系統)結構中通用數字綜合的思路應用到射頻綜合,也將其模塊化和使其現場(chǎng)可重構,它們是[【暫【通用模塊,加駐不同軟件實(shí)現不同的功能。該系統從射頻部分到信號、信息處理部分都完全模塊化了,二進(jìn)制配置數據 ARINO653空間時(shí)間調度即為綜合模塊化航電系統。核心模式板級支持包(BsP2.2綜合模塊化航電系統對操作系統的相應需求綜合模塊化航空電子系統為實(shí)現計算資源的高硬作板度共享,其最基本的要求是在一個(gè)CPU上運行多個(gè)分系統的任務(wù)。航空電子系統的發(fā)展需要計算資源1基于 ARINc653的分區操作系統的軟件結構的高度共享而計算機技術(shù)的飛速發(fā)展也提供了滿(mǎn)3.22分區管理足發(fā)展需求的可能性。但是,兩者的結合出現了新一個(gè)分區是一個(gè)獨立的應用環(huán)境,由數據、上下的問(wèn)題,即各不同關(guān)鍵級別的任務(wù)可能會(huì )相互影響。文關(guān)系、配置屬性和其它項組成。分區的運行要滿(mǎn)航空電子系統中的任務(wù)按其重要性分為安全關(guān)鍵、足時(shí)間和空間的要求。生存關(guān)鍵和任務(wù)關(guān)鍵3種類(lèi)型,它們之間不能互相分區調度在時(shí)間上具有嚴格的確定性。分區調產(chǎn)生有害的影響,尤其是重要性級別低的任務(wù)不能度主要完成按固定的、基于周期的時(shí)間序列進(jìn)行影響重要性級別高的任務(wù)。因此,這對航空電子系CPU資源的分配每個(gè)分區按照主時(shí)間框架分配給統軟件體系架構中的操作系統(0)提出了更高的它的分區窗口(一個(gè)或多個(gè))被調度程序所激活。要求。操作系統必須提供一套保護機制確保運行對分區的特定設置而言,調度是固定的。分區調度在同一處理器資源上的應用程序相互間不能干擾。原則是:調度單元是分區,分區沒(méi)有優(yōu)先級;分區調度算法預先確定,并按照固定周期重復執行。在各3ARNc653分區操作系統個(gè)循環(huán)中,至少要給每個(gè)分區分配一個(gè)分區窗口,也3.1AR|Nc653軟件結構可以是多個(gè),并且分區的分區窗口不要求是相鄰的。ARINC653為安全系統提供一個(gè)執行平臺。一個(gè)時(shí)間框架中允許有幾個(gè)空閑分區的分區窗ARINC653的核心概念是空間和時(shí)間的分區隔離?？?,4,在主時(shí)間框架中,每個(gè)分區的分區窗口至少ARINC653在操作系統和應用軟件之間定義了要激活一次一個(gè)通用的APEX( Application/ Executive)接口。通3.2.3分區通信過(guò)這個(gè)接口應用軟件可以得到實(shí)時(shí)安全的各種功能(1)分區內通信第49卷第5期創(chuàng )玩技架Vol 49 No 5200年5月Telecommunication EngineeringMay 2009分區內通信主要包括黑板、信號量、消息隊列事件。黑板是一種進(jìn)程之間的通信方式,對黑板來(lái)ARINO653分區操作系統在綜合模塊化說(shuō)消息排隊是不允許的,任何寫(xiě)到黑板的消息將一航電系統中的應用直保持直到被清除或者被新的消息覆蓋。信號量機制用于進(jìn)程間同步和互斥。消息隊列是一種進(jìn)程間4.1基于A(yíng)RNc653分區操作系統的顯控子系統通信的方式。在消息隊列中,每個(gè)消息都帶有唯軟件開(kāi)發(fā)的數據,因此傳送時(shí)不允許覆蓋,允許消息隊列存儲綜合模塊化航電系統基于 ARINC653分區操作系多個(gè)消息。事件是一種通信機制,該機制允許通知統的軟件開(kāi)發(fā)不同于以前非分區操作系統下面以綜等待某條件的進(jìn)程條件的發(fā)生3,。合模塊化航電系統中的顯控子系統軟件為例介紹其開(kāi)(2)分區間通信發(fā)過(guò)程。圖3所示為顯控子系統軟件開(kāi)發(fā)步驟。分區間通信管理主要負責分區之間的數據交資需求我用計}測試集成換。通信的分區可以在同一個(gè)處理機模塊上,也可「多1以是不同的處理機模塊上,分區間通信還可以是分區與設備之間的通信。通信的雙方不知道彼此的名字和物理位置,通過(guò)本地端口來(lái)發(fā)送/接收消息,消息的目的是端口而不是進(jìn)程。所有的通信都是基于消息的,通過(guò)消息連接分區的基本機制是通道,通道出出定義了一個(gè)消息源與一個(gè)或多個(gè)目的之間的邏輯連接3。應用程序通過(guò)端口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)通道。圖3開(kāi)發(fā)步驟源分區4.1.1資源需求[H程F根據應用實(shí)際情況確定軟件資源需求,包括接口需求處理時(shí)間需求、內存需求等。為準確規劃顯控子通道系統的分區需要統計并明確它的應用需求,以確定該件接口顯控子系統相應的內存需求0需求和時(shí)間需求(1)內存需求對顯控子系統傳統應用軟件包(一般以處理器圖2分區間通信議棧結構為單位)中任務(wù)數及為每個(gè)任務(wù)分配的堆?？臻g大分區間通信是由操作系統來(lái)實(shí)現的。為了完成小的需求進(jìn)行分析,其中包含了消息存儲空間和數分區間通信,ARNC3為分區間通信規定了一種組占用空間?；谕ǖ劳ㄐ诺男畔⒔粨Q和同步機制。該通信服務(wù)(2)L0需求機制的通信協(xié)議如圖2所示。源分區應用程序調用對顯控子系統傳統應用軟件包中任務(wù)間通信所采ARINC653規定的APEX函數將數據發(fā)送到端口端口按照端口通信協(xié)議組織數據并發(fā)送到通道,然及相關(guān)的通信速率通信時(shí)延通信方向等進(jìn)行分析。后通過(guò)物理層接口發(fā)送到目標分區的物理接口,最(3)時(shí)間需求后發(fā)送到目標分區的應用程序對顯控子系統傳統應用軟件包中周期任務(wù)的時(shí)33AR|Nc653分區操作系統應用實(shí)例間周期、非周期任務(wù)的算法耗時(shí),及對突發(fā)事件的響(1) WindRiver分區操作系統 PSC Vx Works653應能力要求進(jìn)行分析0s用于西班牙航空“空中客車(chē)”新型空中加油系4.1.2應用設計統、波音787客機、波音公司C-130航空現代化計根據應用的復雜程度、內部關(guān)聯(lián)程度和資源需劃(AMP)、諾·格公司X-47B;求劃分分區,接著(zhù)創(chuàng )建各分區內部進(jìn)程,完成各功能(2) Greenhills Integrit分區操作系統 INTEGRI-應用的執行實(shí)現。TY-178B用于空客A380、JSF空客A400M等(1)分區規劃第49卷第5期電撫技Vol 49 No 52009年5月Telecommunication EngineeringMay 2009分區規劃需要確定顯控子系統劃分為幾個(gè)應用系統相比增加了一些內容,即在設計階段需要對全分區,這些應用分區在處理器上的分布情況,即關(guān)系系統的分區進(jìn)行規劃,并在初始階段確定各應用需緊密的應用分區應劃分在同一個(gè)處理器上。應根據要占有的各種資源,但是該系統在開(kāi)發(fā)完成后其基實(shí)際應用合理分配每個(gè)應用分區的執行時(shí)間以及每于分區隔離的特征能使系統更可靠。該系統開(kāi)發(fā)中個(gè)處理器上的主時(shí)間框架。要特別注意分區的合理劃分及時(shí)間分配(2)分區設計將 ARINC653分區操作系統應用于綜合模塊化顯控子系統按照分區規劃方案進(jìn)行各個(gè)分區項航電系統能實(shí)現邏輯空間上任務(wù)的安全隔離有效目的創(chuàng )建及設計,并完成分區自己的應用設計。分區地防止其它分區錯誤任務(wù)的影響;同時(shí),分區調度是的設計主要包括建立供系統調用的分區藍圖和配置解決系統時(shí)間隔離的技術(shù)關(guān)鍵,它既要確保航電任分區的調度策略(分區時(shí)間調度表),其中分區藍圖的務(wù)按預期的時(shí)間節點(diǎn)享用處理機資源,又要防止某配置主要包括分區屬性分區內存、分區進(jìn)程以及通分區惡意或非惡意地侵占其它分區的時(shí)間解決系信端口,分區時(shí)間調度表的配置項主要是分區名、起統/各個(gè)分區中的時(shí)間一致性和精確性問(wèn)題,而這些始運行時(shí)刻和執行時(shí)間。分區的應用設計包括分區優(yōu)點(diǎn)是非分區操作系統無(wú)法達到的。內進(jìn)程設計和通信設計。進(jìn)程設計包括進(jìn)程的創(chuàng )建和應用算法設計。通信設計包括分區內通信和分區5結束語(yǔ)號量和事件,分區間通信分為3類(lèi),即同一處理器上ARINC653分區操作系統中的分區是航空電子的分區間通信同一模塊內不同處理器上的分區間通系統綜合化中不可缺省的技術(shù),它將以往系統中靠信不同模塊上處理器間的通信,但是對應用設計人硬件實(shí)現的物理隔離改變成由軟件實(shí)現的邏輯隔員來(lái)說(shuō)分區間通信是透明的應用人員只需要配置端離低關(guān)鍵級別軟件不影響高關(guān)鍵級別軟件。該操口和虛通道,不需要關(guān)心底層的具體實(shí)現作系統應用在綜合模塊化航空電子系統中,可以提4.1.3測試集成高系統的可靠性和可移植性,使系統的物理架構與(1)單一分區測試邏輯架構分離,滿(mǎn)足綜合模塊化航空電子系統的需完成顯控子系統(一個(gè)分區內)的單元測試。要,提供了更可靠的性能。但該應用中一些關(guān)鍵技分區單元測試的目的是檢查每個(gè)軟件單元能否正確術(shù)值得進(jìn)一步深人研究例如由于分區0釆用復地實(shí)現設計說(shuō)明中的功能性能、內部接口和其它設用JO的方式共享物理端口,因此功能應用軟件的計約束等要求,發(fā)現單元內可能存在的各種錯誤。網(wǎng)絡(luò )帶寬需求對0S分區的影響,以及系統空間分(2)多分區集成測試區和時(shí)間分區的靜態(tài)配置對系統重構過(guò)程的影響將顯控子系統的所有分區單元集成起來(lái)進(jìn)行測等試逐一增加應用單元,完成顯控子系統的集成測參考文獻:試,找出各分區之間數據傳遞和系統組成后的邏輯結構的錯誤。[1]康介祥分布式安全航電軟件系統結構[J].航空電子技術(shù),2007(4):4853(3)系統集成測試[2]羅通俊先進(jìn)戰斗機航空電子系統發(fā)展探討[J]電訊顯控子系統集成測試完成后,將它與航電系統技術(shù),2004,44(增刊4)中其它子系統組裝成一個(gè)完整的系統。在實(shí)際運行[3] ARINC SPECIFICATION65-2, Avionics Application環(huán)境下,對系統進(jìn)行一系列的組裝測試和確認測試。系統測試的目的在于通過(guò)與系統的需求定義作比[4]GJB5357-2005,航空電子應用軟件接口要求[S]較發(fā)現軟件與系統定義不符合或與之矛盾的地方,[5]曲寶勝軟件開(kāi)發(fā)流程方法探析[J]電腦學(xué)習,208尤其是要測試子系統間的信息交互是否正確(1):64-65.4.2綜合模塊化航電系統應用ARNc653分區操作系統的結論作者簡(jiǎn)介陳娟(1981-),女,四川西昌人,助理工程師,主要從從以上基于A(yíng)RⅠNC653分區操作系統的綜合模事航空電子設備軟件開(kāi)發(fā)工作。塊化航電系統的開(kāi)發(fā)步驟來(lái)看,與以前非分區操作Emailchenkarensina.com92