IMA系統(tǒng)中基于時(shí)間調(diào)度表的優(yōu)先級輔助分區(qū)調(diào)度機(jī)制研究

摘 要：為彌補(bǔ)ARINC653調(diào)度機(jī)制存在的處理器時(shí)間資源浪費(fèi)及為復(fù)雜IMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間調(diào)度表時(shí)難度較大的不足，以ARINC653規(guī)范中定義的時(shí)間調(diào)度表分區(qū)調(diào)度機(jī)制為研究基礎(chǔ)，對ARINC653規(guī)范中定義的時(shí)間調(diào)度表分區(qū)調(diào)度機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)復(fù)雜綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的要求，在不違反ARINC653規(guī)范的前提下，兼顧安全性原則，提出了基于時(shí)間調(diào)度表的優(yōu)先級輔助分區(qū)調(diào)度機(jī)制，允許多個(gè)分區(qū)以優(yōu)先級的方式搶占調(diào)度表中的空閑時(shí)間，提高了分區(qū)調(diào)度的靈活性，降低了設(shè)計(jì)分區(qū)調(diào)度時(shí)的難度。

關(guān)鍵詞：綜合模塊化航空電子系統(tǒng)；ARINC653；時(shí)間分區(qū)

中圖分類號：TP311.52

系統(tǒng)經(jīng)過近幾年的迅猛發(fā)展，如今在國內(nèi)外已經(jīng)處于如日中天的狀態(tài)。各大航空電子設(shè)備制造商越來越多的在新項(xiàng)目中采用IMA系統(tǒng)。IMA系統(tǒng)的大規(guī)模使用，為航空電子設(shè)備制造商及用戶均帶來了益處，這也促IMA技術(shù)更加迅猛的發(fā)展。

中定義的空間分區(qū)、時(shí)間分區(qū)及其調(diào)度技術(shù)，是IMA系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，為綜合化以后的航空電子系統(tǒng)的安全性、可靠性提供了技術(shù)保障。ARINC653規(guī)范中定義的分區(qū)調(diào)度技術(shù)雖然保證了分區(qū)調(diào)度時(shí)間的確定性，但在實(shí)際工程應(yīng)用中又顯得不夠靈活，本文從機(jī)載嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的角度出發(fā)，在不違反ARINC653規(guī)范定義的時(shí)間調(diào)度表分區(qū)調(diào)度機(jī)制（Timetable Partition Schedule，TPS）的前提下，研究了一種基于時(shí)間調(diào)度表的優(yōu)先級輔助分區(qū)調(diào)度機(jī)制（Timetable Based Assistant Priority-preemptive Partition Schedule，TAPPS）。

1 AINRC653及及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ARINC653中定義的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如所示，ARINC653中不但定義了綜合化航空電子操作系統(tǒng)的需求，在其中提出了PARTITION的概念對應(yīng)用程序之間進(jìn)行。系統(tǒng)由以下幾部分組成：分區(qū)、操作系統(tǒng)、硬件接口系統(tǒng)。

分區(qū)是對應(yīng)用程序進(jìn)行的抽象，是一組具有特定功能的應(yīng)用的組合。在符合ARINC653標(biāo)準(zhǔn)的分區(qū)中只能調(diào)用APEX接口服務(wù)。

操作系統(tǒng)為用戶分區(qū)提供底層支持，包括分區(qū)管理、健康管理以及分區(qū)間通信管理。

硬件接口系統(tǒng)主要為操作系統(tǒng)和應(yīng)用提供硬件支持。該部分主要功能有存儲管理、設(shè)備驅(qū)動、上下文切換、中斷處理、機(jī)內(nèi)自檢則（BIT）。

另外，ARINC653還對操作系統(tǒng)和航空電字應(yīng)用程序之間通用的標(biāo)準(zhǔn)接口——APEX（Application/Executive）接口進(jìn)行了定義，使應(yīng)用軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化。

2 TPS調(diào)度算法及不足

ARINC653定義了時(shí)間分區(qū)的概念，系統(tǒng)中必須至少定義一個(gè)時(shí)間調(diào)度表，時(shí)間調(diào)度表定義了系統(tǒng)中分區(qū)的執(zhí)行順序、頻率以及每次執(zhí)行的持續(xù)時(shí)間。操作系統(tǒng)嚴(yán)格按照時(shí)間調(diào)度表的順序循環(huán)調(diào)度分區(qū)，時(shí)間調(diào)度表的一次循環(huán)稱為一個(gè)主時(shí)間框架，基于時(shí)間調(diào)度表的分區(qū)調(diào)度如圖2所示。

但是這種嚴(yán)格確定的調(diào)度機(jī)制也帶來了兩方面的不足：

一方面，由于在為分區(qū)分配時(shí)間窗口時(shí)，通常需要考慮該分區(qū)內(nèi)的應(yīng)用軟件在最壞情況下的執(zhí)行時(shí)間，并增加適當(dāng)?shù)臅r(shí)間余量，因此當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)度表中的時(shí)間窗口可能會存在大量的空閑時(shí)間，但ARINC653標(biāo)準(zhǔn)又不允許一個(gè)分區(qū)時(shí)間窗口的空閑時(shí)間被其他分區(qū)占用，也不允許一個(gè)分區(qū)占用其他分區(qū)時(shí)間窗口的空閑時(shí)間或者空閑窗口的時(shí)間，因此導(dǎo)致了處理器時(shí)間的浪費(fèi)。

另一方面，若應(yīng)用軟件中包括FTP服務(wù)器等此類服務(wù)器應(yīng)用，為避免客戶端在請求服務(wù)時(shí)等待時(shí)間過長，通常需要在時(shí)間調(diào)度表中為服務(wù)器類應(yīng)用分區(qū)分配更多的時(shí)間窗口，以增加該分區(qū)的調(diào)度頻率。這就帶來了為復(fù)雜IMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間調(diào)度表時(shí)難度的提高。

3 基于時(shí)間調(diào)度表的優(yōu)先級輔助分區(qū)調(diào)度

3.1 調(diào)度原則

3.1.1 基本原則

TAPPS調(diào)度機(jī)制的調(diào)度原則：

（1）時(shí)間調(diào)度表中的空閑時(shí)間（包括空閑時(shí)間窗口以及分區(qū)窗口中的空閑時(shí)間）允許其他分區(qū)搶占；

（2）多個(gè)分區(qū)搶占時(shí)間調(diào)度表中的空閑時(shí)間時(shí)采用優(yōu)先級排隊(duì)策略。

3.1.2 安全性原則

為了不違反ARINC653規(guī)范定義的時(shí)間調(diào)度表分區(qū)調(diào)度機(jī)制，TAPPS調(diào)度機(jī)制需能夠?qū)?yōu)先級輔助分區(qū)調(diào)度機(jī)制進(jìn)行限制，避免因此帶來的和不確定性影響。

（1）分區(qū)有權(quán)限決定其時(shí)間窗口的空閑時(shí)間是否允許其他分區(qū)搶占；

（2）分區(qū)有權(quán)限決定其是否參與搶占時(shí)間調(diào)度表中的空閑時(shí)間。

3.2 調(diào)度機(jī)制

TAPPS調(diào)度機(jī)制以TPS調(diào)度機(jī)制為基礎(chǔ)，系統(tǒng)首先對各分區(qū)進(jìn)行TPS調(diào)度，當(dāng)TPS調(diào)度中的時(shí)間調(diào)度表時(shí)間窗口存在空閑時(shí)間且允許其他分區(qū)搶占時(shí)，則在空閑時(shí)間間隔內(nèi)對參與空閑時(shí)間優(yōu)先級搶占的各分區(qū)進(jìn)行優(yōu)先級搶占調(diào)度（Priority-preemptive Partition Schedule，PPS），若TPS調(diào)度中的時(shí)間調(diào)度表時(shí)間窗口不存在空閑時(shí)間，或者沒有分區(qū)參與空閑時(shí)間優(yōu)先級搶占，則系統(tǒng)依然嚴(yán)格執(zhí)行TPS調(diào)度。

3.2.1 保證系統(tǒng)安全性對TAPPS的限制

TAPPS通過配置的方式對PPS機(jī)制進(jìn)行限制。首先系統(tǒng)允許每個(gè)分區(qū)對其窗口空閑時(shí)間是否允許其他分區(qū)搶占進(jìn)行配置，當(dāng)某分區(qū)不允許其窗口空閑時(shí)間被其他分區(qū)搶占時(shí)，則該分區(qū)窗口空閑時(shí)間仍然被其自身占用。其次，系統(tǒng)允許每個(gè)分區(qū)對其是否參與搶占時(shí)間調(diào)度表中的空閑時(shí)間進(jìn)行配置，當(dāng)某分區(qū)不允許參與搶占時(shí)間調(diào)度表中的空閑時(shí)間時(shí)，其依然被嚴(yán)格按照時(shí)間調(diào)度表進(jìn)行調(diào)度。

3.2.2 系統(tǒng)開銷對TAPPS的限制

為了解決時(shí)間窗口空閑時(shí)間不足而導(dǎo)致的系統(tǒng)開銷增大問題，TAPPS調(diào)度機(jī)制還提供了調(diào)度機(jī)制激活的門限控制機(jī)制。假設(shè)分區(qū)P1在時(shí)間調(diào)度表中某一時(shí)間窗口W的某次空閑開始時(shí)間為Ts，預(yù)期結(jié)束時(shí)間為Te，則此次空閑的預(yù)期持續(xù)時(shí)間T=Te-Ts，考慮到系統(tǒng)的分區(qū)切換存在時(shí)間開銷t，當(dāng)T

3.2.3 PPS未激活的TAPPS機(jī)制

當(dāng)PPS未激活時(shí)，TAPPS機(jī)制仍然執(zhí)行時(shí)間調(diào)度表調(diào)度，如圖3，此情況下TAPPS與TPS相同。

PPS未激活的情形列舉如下：

（1）時(shí)間窗口空閑時(shí)間小于系統(tǒng)設(shè)置的PPS激活門限；

（2）空閑時(shí)間窗口對應(yīng)的分區(qū)不允許其他分區(qū)搶占其空閑時(shí)間；

（3）系統(tǒng)中沒有配置使能了PPS調(diào)度的分區(qū)。

3.2.4 PPS激活的TAPPS機(jī)制

圖4描述了PPS激活的TAPPS機(jī)制，在PPS調(diào)度過程中，其他分區(qū)以優(yōu)先級搶占的方式搶占用分區(qū)P1的空閑時(shí)間窗口執(zhí)行。

3.2.5 PPS激活時(shí)分區(qū)對系統(tǒng)緊急事件的處理

在IMA系統(tǒng)中，允許分區(qū)對系統(tǒng)緊急事件進(jìn)行即時(shí)響應(yīng)。

當(dāng)系統(tǒng)實(shí)行TPS調(diào)度時(shí)，分區(qū)P1只在其時(shí)間窗口中響應(yīng)核心操作系統(tǒng)發(fā)送給該分區(qū)的緊急事件。

當(dāng)系統(tǒng)實(shí)行TAPPS調(diào)度時(shí)，在分區(qū)P1時(shí)間窗口的空閑時(shí)間內(nèi)，假如系統(tǒng)激活PPS調(diào)度分區(qū)P2運(yùn)行，如果此時(shí)核心操作系統(tǒng)向分區(qū)P1發(fā)送緊急時(shí)間，則系統(tǒng)恢復(fù)TPS調(diào)度，分區(qū)P1恢復(fù)運(yùn)行。圖5描述了PPS激活時(shí)分區(qū)對緊急時(shí)間的處理機(jī)制。

4 結(jié)束語

本文研究了ARINC653的分區(qū)調(diào)度機(jī)制，在其基礎(chǔ)上提出了IMA系統(tǒng)中基于時(shí)間調(diào)度表的優(yōu)先級輔助分區(qū)調(diào)度機(jī)制（TAPPS），在不違反ARINC653規(guī)范的所定義的系統(tǒng)安全性及確定性要求的前提下，彌補(bǔ)了TPS機(jī)制存在的處理器時(shí)間資源浪費(fèi)及為復(fù)雜IMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間調(diào)度表時(shí)難度較大的不足。該機(jī)制已在自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)載嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]褚文奎，張鳳鳴，樊曉光.綜合模塊化航空電子系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)綜述[J].航空學(xué)報(bào)，2009（10）：1912-1916.

[2]Avionics Application Software Standard Interface，PART1 Required Service[S].USA.Aeronautical Radio，Inc，2006.

[3]Avionics Application Software Standard Interface，PART2 Extended Service[S].USA.Aeronautical Radio，Inc，2007.

[4]王麗杰，熊光澤，羅蕾.嵌入式RTOS安全保護(hù)機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（05）：650-653.

[5]何鋒，熊華鋼，宋麗茹.航空電子分區(qū)調(diào)度研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008（20）：522-525.

[6]湯小明，張新國.基于分區(qū)的安全關(guān)鍵軟件體系及其時(shí)間分析研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013（07）：1704-1709.

作者簡介：陳曉磊（1981-），男，陜西西安人，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：“機(jī)載嵌入式操作系統(tǒng)。

作者單位：中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710065