綜合模塊化航電（IMA）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

高凌嵐　杜曉鵬

摘 要：IMA系統(tǒng)是民用大型客機(jī)航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，它能夠?yàn)榫C合化航電、非航電系統(tǒng)提供運(yùn)算、通信以及輸入輸出（I/O）資源。該文對(duì)IMA平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行了分析，并針對(duì)分布式IMA平臺(tái)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，希望對(duì)IMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：處理機(jī)柜 通用處理模塊 綜合模塊化航電

中圖分類號(hào)：V24.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（a）-0021-02

Abstract：Integrated Module Avionics System is core in the development of large civil airplane avionics system， it will provide the calculation， transmission， and I/O resource to avionics and non-avionics system. This paper analyzes the architecture of the IMA platform， and research the design method of distributed IMA platform which can guide the design of IMA system.

Key Words：Computing resource cabinet； General process module； IMA

IMA系統(tǒng)是民用大型客機(jī)航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，它能夠?yàn)榫C合化航電、非航電子系統(tǒng)提供運(yùn)算、通信以及輸入輸出（I/O）資源。IMA能夠?yàn)楦鞣N駐留軟件提供一個(gè)開放的資源平臺(tái)，它們遵循統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這些重要的開放標(biāo)準(zhǔn)主要包括ARINC653、ARINC664、ARINC665、ARINC429以及ARINC825等。

IMA的開放式架構(gòu)設(shè)計(jì)在很大程度上降低了LRU的數(shù)量，這樣就使飛機(jī)在重量、能耗以及成本上有了很大的節(jié)省，同時(shí)增加了系統(tǒng)的可靠度。IMA平臺(tái)為駐留在它上面的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)提夠運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸，以及數(shù)據(jù)I/O接口的功能。各種駐留系統(tǒng)分別集成在不同的分區(qū)操縱系統(tǒng)下，分別占用獨(dú)立的IMA處理資源，從而互相之間不會(huì)影響。IMA平臺(tái)為高度集成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)提供所必需的核心資源框架。IMA平臺(tái)中的各種模塊為關(guān)鍵的駐留功能提供了一種高度集成，容錯(cuò)的運(yùn)行環(huán)境。

1 IMA平臺(tái)架構(gòu)分析

1.1 單LRU形式的IMA架構(gòu)

該架構(gòu)的關(guān)鍵特性是：

（1）駐留多個(gè)應(yīng)用，執(zhí)行不同飛機(jī)功能；

（2）提供分區(qū)功能；

（3）在LRU中共享處理、存儲(chǔ)器和I/O，以及共享網(wǎng)絡(luò)；

（4）平臺(tái)的配置數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)加載；

（5）在平臺(tái)和駐留應(yīng)用之間定義的應(yīng)用程序接口（API）。

1.2 分布式的IMA平臺(tái)

該架構(gòu)是一種為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供服務(wù)，具有容錯(cuò)性和分布式的平臺(tái)。其工作原理基于通信網(wǎng)絡(luò)資源的魯棒性分區(qū)。這種平臺(tái)基于一種嚴(yán)格時(shí)分多模訪問(wèn)（TDMA）模式，既能在LRU之間提供魯棒性分區(qū)，也能在LRM之間（在機(jī)柜內(nèi)的背板總線上）提供相應(yīng)分區(qū)。即使在任何應(yīng)用內(nèi)部或通信網(wǎng)絡(luò)自身出現(xiàn)軟件或硬件單點(diǎn)故障的情況下，這種平臺(tái)也能給駐留應(yīng)用提供魯棒性分區(qū)的通信服務(wù)。

分布式架構(gòu)體現(xiàn)的IMA關(guān)鍵特性有：

（1）資源的共享，魯棒性分區(qū)；

（2）駐留多個(gè)應(yīng)用；

（3）平臺(tái)與應(yīng)用之間的API接口；

（4）平臺(tái)配置數(shù)據(jù)；

（5）故障管理，健康監(jiān)控。

2 分布式IMA平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

IMA通用處理平臺(tái)由互為備份的兩個(gè)處理機(jī)柜（Computing Resource Cabinet）構(gòu)成。每個(gè)CRC的處理資源由安裝在其內(nèi)部的多個(gè)通用處理模塊（GPM）提供。每個(gè)GPM都是一個(gè)獨(dú)立的處理模塊，并采用Vxworks 653作為GPM的駐留操作系統(tǒng)，在這種結(jié)構(gòu)下可以使多種不同的應(yīng)用同時(shí)駐留在處理模塊的實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)上，操作系統(tǒng)為不同駐留應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)類的服務(wù)，以滿足IMA通用處理平臺(tái)的應(yīng)用需求。每臺(tái)CRC內(nèi)置的2個(gè)數(shù)字交換模塊（ACS）為處理機(jī)柜中的系統(tǒng)處理模塊（GPM）提供雙余度、全雙工、符合ARINC664 p7總線要求的數(shù)據(jù)交換功能。CRC為整個(gè)IMA通用處理平臺(tái)提供主要的數(shù)據(jù)處理資源和信息交換資源。兩個(gè)CRC機(jī)柜之間通過(guò)100 M全雙工、雙余度ARINC664總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。CRC在正常工作狀態(tài)，無(wú)需人為介入。

IMA采用開放式架構(gòu)設(shè)計(jì)，為降低CRC機(jī)架中LRM的種類，同時(shí)為保證整個(gè)CRC工作的可靠性，對(duì)整個(gè)機(jī)架的供電電源和LRM間網(wǎng)絡(luò)通信鏈路采用雙余度設(shè)計(jì)。在CRC內(nèi)部，兩塊PCM獨(dú)立工作互為備份，任何一塊PCM均有能力獨(dú)立承擔(dān)整個(gè)機(jī)架內(nèi)用電設(shè)備的供電需求。在其中一塊PCM停止工作時(shí)，由另外一塊PCM承擔(dān)起全部負(fù)載，且在整個(gè)切換過(guò)程對(duì)系統(tǒng)工作無(wú)影響。機(jī)架中的6塊GPM都是獨(dú)立的處理模塊，可以有多種不同的應(yīng)用同時(shí)駐留在處理模塊的實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)上，操作系統(tǒng)為不同駐留應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)類的服務(wù)。IMA內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用全雙工、雙余度、符合ARINC664 p7規(guī)范要求的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滿足機(jī)架中各端系統(tǒng)（GPM模塊）之間和機(jī)架外各端系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的需要[1]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

IMA系統(tǒng)通用處理平臺(tái)仿真件軟件主要由應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件及集成開發(fā)環(huán)境3部分組成，其軟件組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

駐留應(yīng)用軟件：面向綜合航電系統(tǒng)各種功能操作的應(yīng)用的軟件，軟件范圍可以包含飛行管理軟件（FMS），綜合顯示功能軟件，維護(hù)管理軟件（CMS）等。

系統(tǒng)軟件：為綜合模塊化航電系統(tǒng)（IMA）平臺(tái)提供管理、運(yùn)行軟件平臺(tái)，可以包括模塊操作系統(tǒng)（MOS）、系統(tǒng)共享庫(kù)（SSL）、基礎(chǔ)應(yīng)用軟件等。

軟件集成開發(fā)環(huán)境：包括基本集成開發(fā)環(huán)境和專用開發(fā)工具。集成開發(fā)環(huán)境為應(yīng)用軟件研制人員使用的應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。專用開發(fā)工具包括數(shù)據(jù)加卸載工具和IMA系統(tǒng)資源配置分析工具。

IMA系統(tǒng)通用處理平臺(tái)試驗(yàn)仿真件軟件設(shè)計(jì)具備如下特性。

（1）采用分層結(jié)構(gòu)，保持各層的相對(duì)獨(dú)立性，為各層獨(dú)立發(fā)展提供可能，可有效提高系統(tǒng)的可移植性、可靠性和降低系統(tǒng)升級(jí)費(fèi)用，包括開發(fā)、綜合和測(cè)試的成本；

（2）應(yīng)用軟件層和操作系統(tǒng)層間的接口標(biāo)準(zhǔn)化，確保軟件系統(tǒng)的開放性，保證各層的適用性和可移植性；

（3）各層軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，有利于系統(tǒng)各層的可配置和可擴(kuò)展能力；

（4）應(yīng)用任務(wù)的占用時(shí)間和訪問(wèn)空間進(jìn)行靜態(tài)配置，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、確定性和可預(yù)知性；

（5）操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間的分區(qū)管理，使各應(yīng)用任務(wù)間實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間隔離，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的隔離，有效防止故障在系統(tǒng)中蔓延，大大得提高了系統(tǒng)的可靠性；

（6）系統(tǒng)資源的靜態(tài)配置的動(dòng)態(tài)管理能力，支持綜合核心處理區(qū)的系統(tǒng)重構(gòu)。

因此該系統(tǒng)軟件架構(gòu)采用三層架構(gòu)，即將整個(gè)軟件系統(tǒng)分為只依賴于具體硬件的模塊支持層、與應(yīng)用和硬件完全獨(dú)立的操作系統(tǒng)層和只依賴于具體應(yīng)用的應(yīng)用層[3]。

隨著綜合化航電系統(tǒng)功能強(qiáng)大，機(jī)載數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的軟件規(guī)模日益強(qiáng)大和復(fù)雜，從而對(duì)系統(tǒng)可靠性和安全性影響也越來(lái)越大，為此IMA系統(tǒng)通用處理平臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于分區(qū)管理、隔離保護(hù)及資源共享技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多處理機(jī)、多任務(wù)的調(diào)度管理，并保持對(duì)應(yīng)用的透明性。

3 結(jié)語(yǔ)

該文首先對(duì)IMA系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了分析，選取了分布式IMA平臺(tái)架構(gòu)作為研究對(duì)象，對(duì)IMA平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)做出了研究，得到了可行的IMA平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)方法，在指導(dǎo)IMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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