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(qū)操作系統(tǒng)在綜合模塊化航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)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(tǒng)的綜合模塊化發(fā)展對軟件系統(tǒng)提出了更高的要求。介紹了基于 ARINC653軟件規(guī)范的分區(qū)操作系統(tǒng)的原理、綜合模塊化航電系統(tǒng)的特點和需求,以該系統(tǒng)中顯控子系統(tǒng)軟件的設(shè)計為例,說明了 ARINC653分區(qū)操作系統(tǒng)在綜合模塊化航電系統(tǒng)中的應(yīng)用價值關(guān)鍵詞:綜合模塊化航電系統(tǒng); ARINC653分區(qū)操作系統(tǒng);顯控子系統(tǒng);開發(fā)步驟中圖分類號: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,滿足了IMA系統(tǒng)要求本文在介紹綜合模塊化航電系統(tǒng)的特點和需求隨著微電子技術(shù)計算機技術(shù)、航空技術(shù)的迅猛以及基于 ArINc653軟件規(guī)范的分區(qū)操作系統(tǒng)的原發(fā)展新一代航空電子系統(tǒng)正向開放式、綜合化、模塊理的基礎(chǔ)上,以該系統(tǒng)中顯控子系統(tǒng)的設(shè)計為例,說化的方向發(fā)展,已邁入綜合模塊化航空電子系統(tǒng)(In明了ARNC653分區(qū)操作系統(tǒng)在綜合模塊化航電系tegrated Modular Avionics,IMA)階段。作為航電系統(tǒng)統(tǒng)中的應(yīng)用的重要部分,軟件系統(tǒng)的開放性、可維護性、可重用性、高可靠性和高安全性是實現(xiàn)IMA的必要條件。2綜合模塊化航空電子系統(tǒng)Arinc53是針對航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合化要求提2.1航空電子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展出來的應(yīng)用程序接口規(guī)范。該規(guī)范定義了標準的航空電子體系結(jié)構(gòu)從20世紀60年代演變到今API和系統(tǒng)服務(wù),即APEX層,把應(yīng)用程序和操作系天,期間的幾個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括獨立式航空電子系統(tǒng)、統(tǒng)隔離。還要求通過時間分區(qū)、空間分區(qū)以保證不聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)綜合化航空電子系統(tǒng),以及高同應(yīng)用的隔離,因此,該規(guī)范使得軟件的可移植性、度綜合化航空電子系統(tǒng)。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(tǒng)為“分立設(shè)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(diào)每種設(shè)備由它所包含的傳感器、處理器和顯示器完度、通信和內(nèi)部狀態(tài)信息等。文獻[1]中給出了操成該設(shè)備的獨立功能,連接介質(zhì)是點對點的導(dǎo)線。作系統(tǒng)、APEX接口和應(yīng)用軟件的關(guān)系。聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)采用了一些標準的數(shù)據(jù)處3.2AR|NC653分區(qū)操作系統(tǒng)理器來完成諸如通信導(dǎo)航武器投放、外掛管理和飛3.2.1ARNC653分區(qū)操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)行控制這樣的管理功能,處理器之間用時分多路總線基于 ARINC653的分區(qū)操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如(ML-SD-1538)相接實現(xiàn)了全系統(tǒng)集中控制和圖1所示。用戶可以通過配置文件配置空間和時間統(tǒng)一顯示,在信息流的最后環(huán)節(jié)實現(xiàn)了資源共享。分區(qū)的調(diào)度信息,然后通過編譯配置文件進入綜合化航空電子系統(tǒng)的主要特點是使用了許多 ARINC53分區(qū)操作系統(tǒng),實現(xiàn)空間和時間分區(qū)的現(xiàn)場可更換模塊來完成各種信號處理和信息處理功調(diào)度的動態(tài)配置。ARNC653分區(qū)操作系統(tǒng)通過內(nèi)能這種模塊化的設(shè)計便于系統(tǒng)容錯和系統(tǒng)重構(gòu),并存管理單元(MMU)保證空間分區(qū)的空間隔離通過且由于同類模塊的大量生產(chǎn)降低了成本。該系統(tǒng)由嚴格的時間周期輪轉(zhuǎn)調(diào)度方法完成時間分區(qū)調(diào)度于集成度高、電降密度增加和實時數(shù)字處理增加,對在分區(qū)內(nèi)可實現(xiàn)優(yōu)先級調(diào)度或者輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求增高,因此開始使用高速光纖總線來連接處理器機架。應(yīng)用2應(yīng)用高度綜合化航空電子系統(tǒng)將上一階段(綜合化用戶模式航空電子系統(tǒng))結(jié)構(gòu)中通用數(shù)字綜合的思路應(yīng)用到射頻綜合,也將其模塊化和使其現(xiàn)場可重構(gòu),它們是[【暫【通用模塊,加駐不同軟件實現(xiàn)不同的功能。該系統(tǒng)從射頻部分到信號、信息處理部分都完全模塊化了,二進制配置數(shù)據(jù) ARINO653空間時間調(diào)度即為綜合模塊化航電系統(tǒng)。核心模式板級支持包(BsP2.2綜合模塊化航電系統(tǒng)對操作系統(tǒng)的相應(yīng)需求綜合模塊化航空電子系統(tǒng)為實現(xiàn)計算資源的高硬作板度共享,其最基本的要求是在一個CPU上運行多個分系統(tǒng)的任務(wù)。航空電子系統(tǒng)的發(fā)展需要計算資源1基于 ARINc653的分區(qū)操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)的高度共享而計算機技術(shù)的飛速發(fā)展也提供了滿3.22分區(qū)管理足發(fā)展需求的可能性。但是,兩者的結(jié)合出現(xiàn)了新一個分區(qū)是一個獨立的應(yīng)用環(huán)境,由數(shù)據(jù)、上下的問題,即各不同關(guān)鍵級別的任務(wù)可能會相互影響。文關(guān)系、配置屬性和其它項組成。分區(qū)的運行要滿航空電子系統(tǒng)中的任務(wù)按其重要性分為安全關(guān)鍵、足時間和空間的要求。生存關(guān)鍵和任務(wù)關(guān)鍵3種類型,它們之間不能互相分區(qū)調(diào)度在時間上具有嚴格的確定性。分區(qū)調(diào)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、基于周期的時間序列進行影響重要性級別高的任務(wù)。因此,這對航空電子系CPU資源的分配每個分區(qū)按照主時間框架分配給統(tǒng)軟件體系架構(gòu)中的操作系統(tǒng)(0)提出了更高的它的分區(qū)窗口(一個或多個)被調(diào)度程序所激活。要求。操作系統(tǒng)必須提供一套保護機制確保運行對分區(qū)的特定設(shè)置而言,調(diào)度是固定的。分區(qū)調(diào)度在同一處理器資源上的應(yīng)用程序相互間不能干擾。原則是:調(diào)度單元是分區(qū),分區(qū)沒有優(yōu)先級;分區(qū)調(diào)度算法預(yù)先確定,并按照固定周期重復(fù)執(zhí)行。在各3ARNc653分區(qū)操作系統(tǒng)個循環(huán)中,至少要給每個分區(qū)分配一個分區(qū)窗口,也3.1AR|Nc653軟件結(jié)構(gòu)可以是多個,并且分區(qū)的分區(qū)窗口不要求是相鄰的。ARINC653為安全系統(tǒng)提供一個執(zhí)行平臺。一個時間框架中允許有幾個空閑分區(qū)的分區(qū)窗ARINC653的核心概念是空間和時間的分區(qū)隔離?？?,4,在主時間框架中,每個分區(qū)的分區(qū)窗口至少ARINC653在操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間定義了要激活一次一個通用的APEX( Application/ Executive)接口。通3.2.3分區(qū)通信過這個接口應(yīng)用軟件可以得到實時安全的各種功能(1)分區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)通信主要包括黑板、信號量、消息隊列事件。黑板是一種進程之間的通信方式,對黑板來ARINO653分區(qū)操作系統(tǒng)在綜合模塊化說消息排隊是不允許的,任何寫到黑板的消息將一航電系統(tǒng)中的應(yīng)用直保持直到被清除或者被新的消息覆蓋。信號量機制用于進程間同步和互斥。消息隊列是一種進程間4.1基于ARNc653分區(qū)操作系統(tǒng)的顯控子系統(tǒng)通信的方式。在消息隊列中,每個消息都帶有唯軟件開發(fā)的數(shù)據(jù),因此傳送時不允許覆蓋,允許消息隊列存儲綜合模塊化航電系統(tǒng)基于 ARINC653分區(qū)操作系多個消息。事件是一種通信機制,該機制允許通知統(tǒng)的軟件開發(fā)不同于以前非分區(qū)操作系統(tǒng)下面以綜等待某條件的進程條件的發(fā)生3,。合模塊化航電系統(tǒng)中的顯控子系統(tǒng)軟件為例介紹其開(2)分區(qū)間通信發(fā)過程。圖3所示為顯控子系統(tǒng)軟件開發(fā)步驟。分區(qū)間通信管理主要負責分區(qū)之間的數(shù)據(jù)交資需求我用計}測試集成換。通信的分區(qū)可以在同一個處理機模塊上,也可「多1以是不同的處理機模塊上,分區(qū)間通信還可以是分區(qū)與設(shè)備之間的通信。通信的雙方不知道彼此的名字和物理位置,通過本地端口來發(fā)送/接收消息,消息的目的是端口而不是進程。所有的通信都是基于消息的,通過消息連接分區(qū)的基本機制是通道,通道出出定義了一個消息源與一個或多個目的之間的邏輯連接3。應(yīng)用程序通過端口來訪問通道。圖3開發(fā)步驟源分區(qū)4.1.1資源需求[H程F根據(jù)應(yīng)用實際情況確定軟件資源需求,包括接口需求處理時間需求、內(nèi)存需求等。為準確規(guī)劃顯控子通道系統(tǒng)的分區(qū)需要統(tǒng)計并明確它的應(yīng)用需求,以確定該件接口顯控子系統(tǒng)相應(yīng)的內(nèi)存需求0需求和時間需求(1)內(nèi)存需求對顯控子系統(tǒng)傳統(tǒng)應(yīng)用軟件包(一般以處理器圖2分區(qū)間通信議棧結(jié)構(gòu)為單位)中任務(wù)數(shù)及為每個任務(wù)分配的堆棧空間大分區(qū)間通信是由操作系統(tǒng)來實現(xiàn)的。為了完成小的需求進行分析,其中包含了消息存儲空間和數(shù)分區(qū)間通信,ARNC3為分區(qū)間通信規(guī)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(qū)應(yīng)用程序調(diào)用對顯控子系統(tǒng)傳統(tǒng)應(yīng)用軟件包中任務(wù)間通信所采ARINC653規(guī)定的APEX函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到端口端口按照端口通信協(xié)議組織數(shù)據(jù)并發(fā)送到通道,然及相關(guān)的通信速率通信時延通信方向等進行分析。后通過物理層接口發(fā)送到目標分區(qū)的物理接口,最(3)時間需求后發(fā)送到目標分區(qū)的應(yīng)用程序?qū)︼@控子系統(tǒng)傳統(tǒng)應(yīng)用軟件包中周期任務(wù)的時33AR|Nc653分區(qū)操作系統(tǒng)應(yīng)用實例間周期、非周期任務(wù)的算法耗時,及對突發(fā)事件的響(1) WindRiver分區(qū)操作系統(tǒng) PSC Vx Works653應(yīng)能力要求進行分析0s用于西班牙航空“空中客車”新型空中加油系4.1.2應(yīng)用設(shè)計統(tǒng)、波音787客機、波音公司C-130航空現(xiàn)代化計根據(jù)應(yīng)用的復(fù)雜程度、內(nèi)部關(guān)聯(lián)程度和資源需劃(AMP)、諾·格公司X-47B;求劃分分區(qū),接著創(chuàng)建各分區(qū)內(nèi)部進程,完成各功能(2) Greenhills Integrit分區(qū)操作系統(tǒng) INTEGRI-應(yīng)用的執(zhí)行實現(xiàn)。TY-178B用于空客A380、JSF空客A400M等(1)分區(qū)規(guī)劃第49卷第5期電撫技Vol 49 No 52009年5月Telecommunication EngineeringMay 2009分區(qū)規(guī)劃需要確定顯控子系統(tǒng)劃分為幾個應(yīng)用系統(tǒng)相比增加了一些內(nèi)容,即在設(shè)計階段需要對全分區(qū),這些應(yīng)用分區(qū)在處理器上的分布情況,即關(guān)系系統(tǒng)的分區(qū)進行規(guī)劃,并在初始階段確定各應(yīng)用需緊密的應(yīng)用分區(qū)應(yīng)劃分在同一個處理器上。應(yīng)根據(jù)要占有的各種資源,但是該系統(tǒng)在開發(fā)完成后其基實際應(yīng)用合理分配每個應(yīng)用分區(qū)的執(zhí)行時間以及每于分區(qū)隔離的特征能使系統(tǒng)更可靠。該系統(tǒng)開發(fā)中個處理器上的主時間框架。要特別注意分區(qū)的合理劃分及時間分配(2)分區(qū)設(shè)計將 ARINC653分區(qū)操作系統(tǒng)應(yīng)用于綜合模塊化顯控子系統(tǒng)按照分區(qū)規(guī)劃方案進行各個分區(qū)項航電系統(tǒng)能實現(xiàn)邏輯空間上任務(wù)的安全隔離有效目的創(chuàng)建及設(shè)計,并完成分區(qū)自己的應(yīng)用設(shè)計。分區(qū)地防止其它分區(qū)錯誤任務(wù)的影響;同時,分區(qū)調(diào)度是的設(shè)計主要包括建立供系統(tǒng)調(diào)用的分區(qū)藍圖和配置解決系統(tǒng)時間隔離的技術(shù)關(guān)鍵,它既要確保航電任分區(qū)的調(diào)度策略(分區(qū)時間調(diào)度表),其中分區(qū)藍圖的務(wù)按預(yù)期的時間節(jié)點享用處理機資源,又要防止某配置主要包括分區(qū)屬性分區(qū)內(nèi)存、分區(qū)進程以及通分區(qū)惡意或非惡意地侵占其它分區(qū)的時間解決系信端口,分區(qū)時間調(diào)度表的配置項主要是分區(qū)名、起統(tǒng)/各個分區(qū)中的時間一致性和精確性問題,而這些始運行時刻和執(zhí)行時間。分區(qū)的應(yīng)用設(shè)計包括分區(qū)優(yōu)點是非分區(qū)操作系統(tǒng)無法達到的。內(nèi)進程設(shè)計和通信設(shè)計。進程設(shè)計包括進程的創(chuàng)建和應(yīng)用算法設(shè)計。通信設(shè)計包括分區(qū)內(nèi)通信和分區(qū)5結(jié)束語號量和事件,分區(qū)間通信分為3類,即同一處理器上ARINC653分區(qū)操作系統(tǒng)中的分區(qū)是航空電子的分區(qū)間通信同一模塊內(nèi)不同處理器上的分區(qū)間通系統(tǒng)綜合化中不可缺省的技術(shù),它將以往系統(tǒng)中靠信不同模塊上處理器間的通信,但是對應(yīng)用設(shè)計人硬件實現(xiàn)的物理隔離改變成由軟件實現(xiàn)的邏輯隔員來說分區(qū)間通信是透明的應(yīng)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)心底層的具體實現(xiàn)作系統(tǒng)應(yīng)用在綜合模塊化航空電子系統(tǒng)中,可以提4.1.3測試集成高系統(tǒng)的可靠性和可移植性,使系統(tǒng)的物理架構(gòu)與(1)單一分區(qū)測試邏輯架構(gòu)分離,滿足綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的需完成顯控子系統(tǒng)(一個分區(qū)內(nèi))的單元測試。要,提供了更可靠的性能。但該應(yīng)用中一些關(guān)鍵技分區(qū)單元測試的目的是檢查每個軟件單元能否正確術(shù)值得進一步深人研究例如由于分區(qū)0釆用復(fù)地實現(xiàn)設(shè)計說明中的功能性能、內(nèi)部接口和其它設(shè)用JO的方式共享物理端口,因此功能應(yīng)用軟件的計約束等要求,發(fā)現(xiàn)單元內(nèi)可能存在的各種錯誤。網(wǎng)絡(luò)帶寬需求對0S分區(qū)的影響,以及系統(tǒng)空間分(2)多分區(qū)集成測試區(qū)和時間分區(qū)的靜態(tài)配置對系統(tǒng)重構(gòu)過程的影響將顯控子系統(tǒng)的所有分區(qū)單元集成起來進行測等試逐一增加應(yīng)用單元,完成顯控子系統(tǒng)的集成測參考文獻:試,找出各分區(qū)之間數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)組成后的邏輯結(jié)構(gòu)的錯誤。[1]康介祥分布式安全航電軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[J].航空電子技術(shù),2007(4):4853(3)系統(tǒng)集成測試[2]羅通俊先進戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)發(fā)展探討[J]電訊顯控子系統(tǒng)集成測試完成后,將它與航電系統(tǒng)技術(shù),2004,44(增刊4)中其它子系統(tǒng)組裝成一個完整的系統(tǒng)。在實際運行[3] ARINC SPECIFICATION65-2, Avionics Application環(huán)境下,對系統(tǒng)進行一系列的組裝測試和確認測試。系統(tǒng)測試的目的在于通過與系統(tǒng)的需求定義作比[4]GJB5357-2005,航空電子應(yīng)用軟件接口要求[S]較發(fā)現(xiàn)軟件與系統(tǒng)定義不符合或與之矛盾的地方,[5]曲寶勝軟件開發(fā)流程方法探析[J]電腦學(xué)習(xí),208尤其是要測試子系統(tǒng)間的信息交互是否正確(1):64-65.4.2綜合模塊化航電系統(tǒng)應(yīng)用ARNc653分區(qū)操作系統(tǒng)的結(jié)論作者簡介陳娟(1981-),女,四川西昌人,助理工程師,主要從從以上基于ARⅠNC653分區(qū)操作系統(tǒng)的綜合模事航空電子設(shè)備軟件開發(fā)工作。塊化航電系統(tǒng)的開發(fā)步驟來看,與以前非分區(qū)操作Emailchenkarensina.com92