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綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的可靠性設計論文
1、概述
傳統(tǒng)的國內外航空電子系統(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)均成功運行于這種配置上。但自20世紀初，航空電子設備設計的復雜性程度己大大提高，這些專用設備的高額全壽命周期費用漸漸成為航空電子系統(tǒng)設計中一個最大的問題。
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構和標準化以及通用化的設計，大大提高了系統(tǒng)的兼容性、可移植性、可擴展性，并具有較高的可拓展性和可維護性，降低了系統(tǒng)的壽期費用。
目前非常具有代表性的IMA系統(tǒng)標準有歐洲的聯(lián)合標準化航電系統(tǒng)架構協(xié)會(AlliedStandardAvionicsArchitectureCouncil,ASAAC)標準。但是，ASAAC標準側重于考慮系統(tǒng)的模塊化、可擴展性和可維護性，對系統(tǒng)的可靠性考慮不夠詳細。而美國航電委員會提出的ARINC653標準卻對系統(tǒng)的可靠性有非常好的改進。本文參考這2個標準給出一種融合IMA系統(tǒng)可靠性、模塊化、可擴展性設計方法。
2、ASAAC系統(tǒng)架構
ASAAC標準從軟件結構、機械結構、網(wǎng)絡功能、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)進行了規(guī)定，此外還制定了非強制性的系統(tǒng)實現(xiàn)指導方針。
從通用性方面，ASAAC對模塊從功能上進行劃分，包括數(shù)據(jù)處理模塊、圖形處理模塊、大規(guī)模存儲模塊、電源轉換模塊、網(wǎng)絡支持模塊等，規(guī)范對模塊的軟件架構和硬件組成都作了嚴格規(guī)定，標準化設計為實現(xiàn)資源的重用和系統(tǒng)重構提供了前提條件，同時也提高了系統(tǒng)的可移植性和可維護性。
ASAAC模塊軟件體系結構分為以下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體管，同時MSL通過多處理器鏈路接口(MultiprocessorLinkInterface,MLI)的信息進行模塊間的通信，完成系統(tǒng)引導的功能。
(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，如事件管理、調度管理、存儲管理、進程管理等，除此之外OS還提供操作系統(tǒng)邏輯接口(OperatingsystemLogicalInterface,OLI)服務，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進行模塊控制和管理。通過應用操作系統(tǒng)層(APplicationlayerOperatingSystemlayer,APOS)向應用層提供服務接口。在實現(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，主要包括健康性監(jiān)控、錯誤管理、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模塊的GSM進行通信，實現(xiàn)對下級模塊的控制和管理，并接受上級模塊的管理。通過系統(tǒng)管理藍圖(SystemManagementBluePrint,SMBP)接口來獲取藍圖信息對系統(tǒng)進行配置和管理。
(3)應用層(ApplicationLayer,AL)，航電應用位于該層，應用管理控制和管理此類航電應用。
在ASAAC中，使用藍圖來保存整個系統(tǒng)的配置信息，如系統(tǒng)的每個模式使用哪些模塊，各個模塊如何工作，它們如何通信，模塊之間如何管理等。在系統(tǒng)初始化和運行中GSM通過獲取藍圖的信息來對系統(tǒng)進行管理。
在機械結構方面，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描述，使得通用模塊設計標準化和統(tǒng)一化，在很大程度上降低了系統(tǒng)的復雜度，提高了系統(tǒng)的可維護性。
ASAAC標準是技術透明的，對所有商家都開放，從而能夠最大限度的運用商業(yè)貨架產品。ASAAC設計的航空電子系統(tǒng)目標為：通過指定開發(fā)的體系和標準來降低航電系統(tǒng)的全壽命周期費，改善操作性能和處理性能，目前這些標準的設計理念和結構已經(jīng)得到應用，ASAAC委員會也在繼續(xù)開展后續(xù)工作。
3、ARINC653標準
ARINC653是美國航電委員會針對新一代飛機數(shù)據(jù)綜合化提出的應用程序接口標準，目前已經(jīng)有符合ARINC653標準的商用操作系統(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)調度，每個分區(qū)內部包含一個自己的用于動態(tài)內存分配的一個堆以及應用進程，進程在分區(qū)時間片內得到調度，分區(qū)內進程有自己的調度方式，在時間片結束后下個分區(qū)得到調度并運行。分區(qū)是ARINC653的核心概念，分區(qū)概念的引入，增強了系統(tǒng)的健壯性。通過藍圖配置，分區(qū)之間在時間上和空間上相互隔離。
在空間上，通過使用處理器的內存管理單元對不同上下文虛擬內存進行約束，每個分區(qū)包含一個自己的用于動態(tài)內存分配的一個堆以及應用程序的堆棧，使一個被隔離的空間中運行的應用不能剝奪其他空間的共享應用資源或實時操作系統(tǒng)RTOS內核提供的資源。
時間分區(qū)定義了在同一個計算處理平臺上同時運行的多個應用的隔離需求，不同分區(qū)被分配了已定義寬度的時間段。一個時間段內分區(qū)可以使用自己的調度策略，管理分區(qū)內部進程間的調度，但在此時間段末，Arinc調度器會強制轉換到調度表中的下一個分區(qū)，這樣能保證一個應用對處理器的利用不會超過預期而損害其他應用，其中，每個時間片的大小、分區(qū)的調度順序以及分區(qū)內部進程的調度策略在藍圖中定義。
4、高可靠性的IMA系統(tǒng)軟件架構設計
因為在ASAAC提出的IMA系統(tǒng)軟件架構主要側重于考慮框架的整體可移植性和可維護性，所以并沒有過多考慮節(jié)點的可靠性。而ARINC653主要針對IMA軟件架構中節(jié)點的基礎操作環(huán)境可靠性設計的。因此，本文提出將兩者加以融合以提高IMA軟件架構可靠性的設計。將ARINC653規(guī)范定義的操作系統(tǒng)使用在ASAAC軟件架構中，替換使用的普通操作系統(tǒng)以達到提高整個架構可靠性的目的。
在該融合的過程中，將GSM植入節(jié)點操作系統(tǒng)的核心軟件層，GSM負責該節(jié)點的管理工作。
配置管理(ConfigurationManagement,CM)在節(jié)點初始化時根據(jù)藍圖信息對節(jié)點進行配置，包括每個分區(qū)的內存需求，分區(qū)周期，分區(qū)在時間窗口中的序列，分區(qū)間的通訊鏈路，節(jié)點與外部通訊的鏈路等。在節(jié)點出現(xiàn)錯誤時配置管理會根據(jù)藍圖對系統(tǒng)進行重構。
在每個分區(qū)的分區(qū)操作系統(tǒng)中植入健康監(jiān)控(HealthMonitor,HM)和錯誤管理(FaultManagement,FM)模塊。分區(qū)操作系統(tǒng)內部的健康監(jiān)控模塊主要負責監(jiān)視本分區(qū)的健康狀態(tài)，搜集由本分區(qū)應用引起的故障和錯誤，通過藍圖定義的策略進行故障與錯誤過濾，然后向分區(qū)內的錯誤管理模塊和核心軟件層GSM中的健康監(jiān)控模塊通告錯誤。分區(qū)操作系統(tǒng)中的錯誤管理模塊根據(jù)配置管理處理、記錄本分區(qū)的錯誤，并向核心軟件層GSM中的錯誤管理模塊通告，以便GSM能夠對節(jié)點的多個故障進行分析和做出正確處理。
節(jié)點的安全由核心軟件區(qū)GSM的安全管理(SecurityManagement,SM)模塊集中管理。主要負責經(jīng)過加密、解密和審計的受保護數(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。
融合中另一個重要工作是藍圖的融合。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，用來進行健康監(jiān)控和錯誤管理的信息。為了讓分區(qū)能在操作系統(tǒng)的核心上運行，還要配置分區(qū)的內存需求、運行周期、每個周期持續(xù)時間、用來發(fā)送消息的標識、用來接收消息的標識等信息。此類信息都是靜態(tài)的。ASAAC更是通過藍圖來對整個系統(tǒng)進行管理。系統(tǒng)在工作模式的切換、容錯管理、地勤維護和測試、系統(tǒng)初始化和關機階段都需要依靠動態(tài)運行藍圖來做出相應變化。本文需要將這種靜態(tài)的配置表信息融入ASAAC的藍圖中以便節(jié)點的GSM可以通過讀取藍圖中的信息對節(jié)點進行管理。
5、結束語
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準得以引入并在國內航空電子系統(tǒng)的設計中得到應用。在學習這些開放式標準時對其加以優(yōu)化和改進使其更實用、具有更好的性能是一項非常重要的工作。本文對IMA系統(tǒng)的可靠性改進的設計正是出于該目的。
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