余度飛控軟件多核仿真測試技術(shù)研究

韓芝俠

（寶雞文理學(xué)院電子電氣工程系，陜西 寶雞721016）

0 引言

多余度飛控計算機軟件的容錯特性導(dǎo)致其復(fù)雜度遠非單余度可比擬，軟件任何一個微小錯誤都會帶來災(zāi)難性的后果。因此，對多余度飛控計算機系統(tǒng)的軟件仿真測試就顯得尤為重要［1］。

傳統(tǒng)的多余度飛控系統(tǒng)的軟件測試可以在一定程度上實現(xiàn)真實物理系統(tǒng)的功能，驗證系統(tǒng)性能是否合乎設(shè)計要求［2］。同時，它的實時性更逼真地接近真實的飛控軟件運行環(huán)境。但是它也存在一些問題。國內(nèi)外廣泛使用的余度等級一般是帶自監(jiān)控的三余度或四余度。這樣，就需要多個計算機組來實現(xiàn)測試，且在測試過程中，需要幾臺計算機聯(lián)調(diào)，使得測試過程較為復(fù)雜、測試周期很長且聯(lián)調(diào)困難［3］。參考文獻［4］提出了一種基于單PC的余度飛控軟件仿真測試方法。使用單PC技術(shù)可以在飛控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程中實現(xiàn)真正的并行工程開發(fā)，調(diào)試便捷，能極大提高產(chǎn)品開發(fā)效率。但是，單PC測試下支路同步性、多任務(wù)調(diào)度、通道通訊的實時性和實際系統(tǒng)運行情況還有一定的差異，無法得到保證，在多余度軟件應(yīng)用到真實飛控系統(tǒng)之前，必須進行一定的半物理仿真測試實驗進一步來驗證軟件的可靠性。基于此，提出一種基于多核技術(shù)的單PC余度飛控軟件仿真測試方法［5－7］，能在余度管理軟件開發(fā)初期進入測試，極大地縮短了開發(fā)周期，且能利用核間通訊機制方便地模擬多余度通道之間的交叉?zhèn)鬏?、通道間同步等流程，所以，其實時性已經(jīng)可以非常接近真實飛控軟件的運行環(huán)境，在繼承了參考文獻［4］的簡易可測的基礎(chǔ)上解決了參考文獻［4］在實時性方面的不足。下面，以4×1余度管理軟件為例來介紹該方法。

1 余度飛控軟件組成

多余度飛控軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。實時執(zhí)行模塊包括了故障注入、余度管理模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊等，是整個余度管理軟件的核心部分，也是余度軟件測試的核心內(nèi)容，它實現(xiàn)了多余度容錯的多通道同步、數(shù)據(jù)監(jiān)控表決和數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏數(shù)葍?nèi)容。

圖1 多余度飛控軟件結(jié)構(gòu)

2 仿真測試平臺

飛控計算機系統(tǒng)大多使用了國內(nèi)外主流的VxWorks多核操作系統(tǒng)［8－9］。其應(yīng)用方式有兩種：AMP和SMP。選擇兩者的主要依據(jù)是為多核處理器中各核之間是否存在主次之分，是否存在專用核的特點［10］。作為飛控計算機，其多余度通道之間是相互獨立的。為了最大限度的逼近真實飛控軟件多核運行環(huán)境，選用AMP結(jié)構(gòu)，各核都有獨立的OS。

目標飛機是虛擬飛機，用一臺飛行仿真計算機來模擬［11］。飛行仿真機基于RTX實時擴展操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了Windows環(huán)境下的實時仿真。飛控計算機仿真機組由一臺具有PowerPC處理器的多核計算機組成，該計算機運行VxWorks實時操作系統(tǒng)。采用1主核帶4個副核的CPU來進行余度軟件仿真測試。為了仿真多余度通道的任務(wù)調(diào)度過程，對多核進行功能劃分，分為調(diào)度管理和通道模擬功能。其中，主核實現(xiàn)調(diào)度管理功能，4個副核分別運行4個通道模擬通道任務(wù)。在軟件邏輯調(diào)試中，主核可實現(xiàn)故障注入的功能。各通道之間的通訊采用核間通訊實現(xiàn)。仿真系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)組成

3 仿真測試實現(xiàn)

余度軟件測試是為了驗證軟件編碼是否有誤，信號時序性及邏輯跳轉(zhuǎn)是否正確。因此，有必要對軟件中的每個分支進行驗證和測試。測試余度管理軟件，最重要的一點就是模擬多個余度通道同時工作，仿真出多個余度管理軟件同時運行的狀況。另外，還要仿真通道間通訊、數(shù)據(jù)處理與記錄和故障處理等環(huán)節(jié)。只有軟件運行狀況十分接近真實飛控軟件運行狀況的情況下，才能根據(jù)條件進入軟件的每個邏輯分支，驗證其結(jié)果是否與余度管理算法一致。

余度計算機周期任務(wù)每幀為30ms，分為2個階段。前20ms必須完成：同步、信號采集、輸入數(shù)據(jù)表決監(jiān)控、系統(tǒng)狀態(tài)控制、控制率計算和輸出數(shù)據(jù)表決監(jiān)控。后10ms完成：輸出、故障綜合。將以上這些任務(wù)進行分解，需要利用多核機制實現(xiàn)仿真的動作有：任務(wù)調(diào)度、同步和交叉?zhèn)鬏敗?/p>

3.1 多核下的任務(wù)調(diào)度

飛控計算機的實時性要求非常高，這就要求采用非搶占式任務(wù)調(diào)度來實現(xiàn)［12－13］。主核運行故障注入模塊及用戶界面，4個副核各自運行一個通道的余度管理軟件。根據(jù)核號和通道間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)各通道數(shù)據(jù)本地化，逼真地模擬單通道余度計算機的運行。利用多核機制打通數(shù)據(jù)通道，完成多余度任務(wù)的處理流程。

3.2 多核下的同步流程仿真

同步是余度管理系統(tǒng)的重要部分。只有在每個周期的開始，各個通道開始步調(diào)一致的工作，后面的表決監(jiān)控數(shù)據(jù)才有意義。同步方法很多，廣泛使用的是基于硬件實現(xiàn)的“雙握手”法。即每個通道先通過DO口輸出邏輯“真”，等待其他通道通過DI口響應(yīng)邏輯“真”，第1次握手結(jié)束后，每個通道輸出邏輯“假”，等待第1次握手中響應(yīng)正確的通道也輸出邏輯“假”?！半p握手”正常的通道才參與后續(xù)的任務(wù)。

使用多核技術(shù)來仿真通道間同步，就是要仿真通道間的數(shù)字信號，反映在多核實現(xiàn)上，就是核間消息。多余度軟件的同步，由于其他核的任務(wù)執(zhí)行結(jié)果對本核后續(xù)操作有影響，則必須使用同步消息來實現(xiàn)。另外，考慮到核間消息存在時間延遲，在需要考慮時序的地方，如硬件操作等，這種場景也可以考慮使用核間同步消息來實現(xiàn)。如果核間同步消息發(fā)出后，由于任務(wù)異常，一直未能收到對方返回的消息，可以設(shè)置死等時間。超時后，任務(wù)自動返回執(zhí)行失敗，進行后續(xù)任務(wù)，不再等待。核間異步消息常用于處理通知事件，某個核發(fā)出消息通知后，不去關(guān)注消息的執(zhí)行結(jié)果，繼續(xù)本核任務(wù)。收到消息的核根據(jù)消息內(nèi)容進行相關(guān)的處理。

根據(jù)以上分析，多核下任務(wù)同步使用封裝的核間同步消息接口來實現(xiàn)［14］。每個核遍歷除了自己外的所有副核，發(fā)送邏輯“真”信號，等待收到消息的核返回邏輯“真”后，再繼續(xù)發(fā)出邏輯“假”?？紤]到系統(tǒng)的實時性要求，核間同步消息的同步等待時間一般不應(yīng)超過10ms。

副核1與其他副核進行同步的過程如圖3所示。首先由副核1向副核2發(fā)送邏輯“真”同步信號，等待副核2返回邏輯“真”消息，如果在10ms內(nèi)未返回，則邏輯“真”同步失敗，進入同步恢復(fù)程序，否則邏輯“真”同步成功。由副核1向副核2發(fā)送邏輯“假”同步信號，等待副核2返回邏輯“假”消息，如果在10ms內(nèi)未返回，則邏輯“假”同步失敗，進入同步恢復(fù)程序，否則副核2同步成功。接著進行副核3同步，直至遍歷所有其余副核，則同步完成。

3.3 多核下的交叉?zhèn)鬏斄鞒谭抡?/h3>

余度管理任務(wù)通道之間的數(shù)據(jù)通信使用航空總線實現(xiàn)。在每一個周期通道計算機將各自的數(shù)據(jù)封存在自己的CCDL（交叉?zhèn)鬏敚?shù)據(jù)包中，通過總線發(fā)送出自己的數(shù)據(jù)包，同時通過總線接收另外3個通道的CCDL數(shù)據(jù)包，這樣，每個通道就能有一份完整的多通道數(shù)據(jù)用于多余度數(shù)據(jù)的監(jiān)控表決。

由于各通道的數(shù)據(jù)都是本地化存放。因此，使用多核技術(shù)的共享內(nèi)存機制來仿真交叉?zhèn)鬏斶^程。

圖3 副核1同步流程

共享內(nèi)存是將想共享的數(shù)據(jù)都定義成為全局變量，它最大的優(yōu)點是便利、高速，但也有很大的危險性。如果該內(nèi)存同時被不同的任務(wù)訪問和修改時，就很難保證數(shù)據(jù)的完整和一致性。因此，需要對共享內(nèi)存部分數(shù)據(jù)進行上鎖［15］。上鎖的辦法主要有中斷上鎖、搶占上鎖和信號量。中斷上鎖保證了任務(wù)對CPU的獨占，在上鎖期間，即使中斷產(chǎn)生也不會切換到中斷服務(wù)程序，它容易造成超時異常；搶占上鎖是基于任務(wù)級的，它禁止當前執(zhí)行的任務(wù)被其他任務(wù)搶占，它同樣也會造成其他任務(wù)的延遲；信號量比較簡單，但是處理能力也有限。因此，核間鎖采用中斷上鎖或搶占上鎖來實現(xiàn)。

多核鎖對數(shù)據(jù)保護方式的有兩種。一種是多核數(shù)據(jù)鎖，在執(zhí)行寫入和讀取動作時進行保護；另一種是多核流程鎖，它是對整個數(shù)據(jù)操作流程進行鎖保護，以防其他任務(wù)改寫了該流程正在使用的數(shù)據(jù)。交叉?zhèn)鬏斒峭ǖ篱g的數(shù)據(jù)傳輸，沒有流程上的限制。因此，使用數(shù)據(jù)鎖來實現(xiàn)。

使用共享內(nèi)存實現(xiàn)時，首先需要主核在共享內(nèi)存區(qū)申請一塊共用內(nèi)存，該內(nèi)存是本地CCDL數(shù)據(jù)包的4倍大小，其他核需要注冊與該塊內(nèi)存的掛接關(guān)系。共享內(nèi)存鎖也需要在主核注冊，副核注冊掛接關(guān)系，并注冊讀、寫鎖。在使用數(shù)據(jù)的接口中分別封裝讀、寫鎖，實現(xiàn)對共享內(nèi)存的保護。由于各個核都能讀寫該塊共享內(nèi)存，如同方便地模擬了交叉?zhèn)鬏斄鞒?。需要注意的是，多核鎖的使用，必須要保證上鎖和解鎖配對使用，否則會出現(xiàn)死等問題引起核間握手異常，系統(tǒng)復(fù)位。

4 仿真測試結(jié)果

使用多核仿真技術(shù)，在仿真測試平臺上對某四余度飛控計算機軟件進行了仿真測試。該平臺能夠記錄自仿真系統(tǒng)啟動以來的各種歷史數(shù)據(jù)，并可以以多通道曲線對比的方式展示給用戶。通過測試及數(shù)據(jù)分析，及時發(fā)現(xiàn)一些邏輯錯誤和時序問題；通過故障注入，還能進一步發(fā)現(xiàn)一些深層次的問題，如資源重入等。通過這樣的仿真測試，飛控計算機軟件的可靠性得到了有力的保障，為后續(xù)在真實飛控環(huán)境下測試奠定了堅實的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

基于多核的多余度軟件測試方法可以在軟件開發(fā)初期發(fā)現(xiàn)軟件Bug，保證算法邏輯的正確性。在VxWorks實時操作系統(tǒng)下，采用多核的核間同步消息機制進行通道間同步，使得測試的實時性非常接近實際運行情況；采用共享內(nèi)存機制來仿真交叉?zhèn)鬏斶^程，保證了交叉?zhèn)鬏數(shù)目焖傩院捅憬菪?；另外，基于多核技術(shù)的余度飛控軟件仿真測試方法還可以克服單CPU測試的缺點，整個仿真流程非常逼近真實的實時環(huán)境，非常適合于多余度軟件仿真測試，具有較高的實用價值。

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