下一代機(jī)載軟件環(huán)境架構(gòu)概述

拜斌

摘 要：參考美國海軍預(yù)備在政府實驗室建立基于下一代機(jī)載軟件環(huán)境2.0（Future Airborne Capability Environment，F(xiàn)ACE）標(biāo)準(zhǔn)的未來開放式航電架構(gòu)原型。由Open Group發(fā)布的FACE標(biāo)準(zhǔn)定義了通用的操作環(huán)境，采用模塊化的開發(fā)方式，實現(xiàn)了航空軟件功能模塊在不同平臺間的移植插入和重用，從而縮減了開發(fā)成本，節(jié)省了開發(fā)時間。FACE 2.0標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步增強(qiáng)了軟件模塊間數(shù)據(jù)接口的要求，更好地提升了平臺間的互操作性和可移植性。文中同時對FACE 2.0標(biāo)準(zhǔn)提出的FACE架構(gòu)進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：可移植性 ；軟件架構(gòu)；數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)；平臺服務(wù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

FACE軟件架構(gòu)是建立在操作系統(tǒng)上的一個三維架構(gòu)，如圖1所示，該架構(gòu)由操作系統(tǒng)、I/O服務(wù)、特定的平臺服務(wù)（PSS）、傳輸服務(wù)（TSS）、可移植組件五部分組成[1]。該軟件架構(gòu)能夠更好的將關(guān)注點分離，軟件功能能夠重用，旨在實現(xiàn)FACE的目標(biāo)——降低研發(fā)和集成的成本。

1 可移植性組件層

可移植性組件層主要有兩種比較常見的可移植性組件：FACE應(yīng)用和公共服務(wù)。FACE應(yīng)用主要包括一些能夠提供具體性能或功能的軟件組件，例如移動地圖應(yīng)用程序，利用圖形表示具體的位置，這個位置能夠通過公共服務(wù)提供給移動地圖應(yīng)用。公共服務(wù)由能夠支持FACE復(fù)雜應(yīng)用的功能性軟件組件組成。

可移植性組件層所有數(shù)據(jù)可通過傳輸服務(wù)層（TSS）進(jìn)行路由分發(fā)，將路由功能分為三部分傳輸：數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）、公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)（CORBA）和Web服務(wù)。采用適配器設(shè)計模式為路由功能提供一致性的數(shù)據(jù)接口。

PSS層的大部分組件可模擬物理硬件設(shè)備，并對其接口控制文件（ICD）打包。圖中實例包括GPS、嵌入式GPS/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（EGI）、雷達(dá)高度計以及通往未指定OFP設(shè)備的入口等[2]。除了這些特殊的組件外，也有一些公共的平臺設(shè)備服務(wù)，如狀況監(jiān)測/故障管理（HMFM）、配置服務(wù)。還提供了圖像服務(wù)，將圖像輸出到特定平臺的顯示設(shè)備上。

I/O服務(wù)層將軟件組件與設(shè)備驅(qū)動之間的輸入輸出提取出來，采用的也是適配器設(shè)計模式，不僅能夠縮減時間和成本，而且供應(yīng)商在不增加其它FACE接口的條件下能夠創(chuàng)建、修改和替換他們的設(shè)備驅(qū)動程序。

2 FACE架構(gòu)的組成

2.1 操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)支持并控制FACE計算機(jī)平臺的其他部分，提供執(zhí)行多功能的軟件應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和一系列的軟件服務(wù)。操作系統(tǒng)的應(yīng)用（如適用性）、處理器控制機(jī)制（如存儲管理單元）以及注冊限制著FACE對計算機(jī)平臺資源和操作能力的需求。

操作系統(tǒng)層也包括I/O API（如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，文件系統(tǒng)），為了滿足平臺接口的需求，這些API包括已發(fā)布的基于標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)接口、運行時接口和框架接口。

2.2 I/O服務(wù)層

I/O服務(wù)層是操作系統(tǒng)設(shè)備與特定平臺服務(wù)（PSS）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，例如GPS服務(wù)，通過I/O接口（如MIL-STD-1553總線）與操作系統(tǒng)設(shè)備連接[3]。I/O服務(wù)層以及基于報文的I/O服務(wù)API提供了標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制，用于PSS層與航電I/O硬件的連接。I/O服務(wù)層具有三大功能：

（1）I/O管理：提供I/O設(shè)備的初始化和配置功能，確保I/O設(shè)備在配置之前已經(jīng)進(jìn)行了初始化設(shè)置，且配置完成之前禁止I/O報文的傳輸；

（2）數(shù)據(jù)傳輸：使用定義的邏輯端口使得數(shù)據(jù)在I/O設(shè)備和PSS層傳輸。使用全球唯一標(biāo)識符（GUID）確保密級數(shù)據(jù)的安全；

（3）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備驅(qū)動適配功能：提供適配器讀寫非FACE供應(yīng)商提供的I/O設(shè)備及指定接口的數(shù)據(jù)。

2.3 特定平臺服務(wù)層

PSS為飛機(jī)平臺創(chuàng)建特定的基礎(chǔ)設(shè)施，提供設(shè)備數(shù)據(jù)給移植性組件層的可移植性應(yīng)用程序。PSS的組件具有可移植性和重用性，平臺之間可以共享相應(yīng)的平臺設(shè)備。PSS層可以分成三個子層：

（1）特定的平臺設(shè)備服務(wù)；

（2）特定的平臺公共服務(wù)；

（3）特定的平臺圖形服務(wù)。

從移植性組件層分離出來的特殊平臺設(shè)備組成了特定的平臺設(shè)備服務(wù)。這些設(shè)備充當(dāng)平臺硬件設(shè)備的抽象化軟件角色，控制并提供數(shù)據(jù)給可移植性組件。

特定的平臺公共服務(wù)定義了一系列的服務(wù)組件，包括配置服務(wù)、平臺日志、設(shè)備協(xié)議中介（DPM）服務(wù)、流媒體服務(wù)和系統(tǒng)健壯性監(jiān)控。

特定的平臺圖像服務(wù)為移植性組件段提供一系列的圖形服務(wù)。這些圖形服務(wù)隨著平臺要求的改變而變化。

2.4 傳輸服務(wù)層（TSS）

傳輸服務(wù)層的目的是為TSS軟件庫提供標(biāo)準(zhǔn)化的、透明的接口，促進(jìn)移植性航電應(yīng)用程序與其他架構(gòu)及航電平臺的集成[4]。TSS還為可移植組件層及PSS層的應(yīng)用組件提供了標(biāo)準(zhǔn)化接口機(jī)制，處理航電應(yīng)用數(shù)據(jù)的分布、路由、優(yōu)先級、聯(lián)系、抽象和轉(zhuǎn)換等問題。

2.5 可移植組件層

當(dāng)應(yīng)用程序能夠部署在不同的計算機(jī)硬件或FACE軟件平臺，且應(yīng)用程序不需要重新編譯和連接時，這種應(yīng)用被稱為可移植[5]。圖2所示是可移植性組件圖例。

可移植組件層是用來描述一系列FACE交付產(chǎn)品的架構(gòu)概念。

軟件組件成為可移植組件的一部分需要具有以下屬性：

（1）該組件能夠提供任務(wù)層的功能或公共服務(wù)；

（2）該組件在不同的FACE計算機(jī)硬件裝備和軟件環(huán)境下能夠執(zhí)行不同的實例；

（3）該組件的外部接口通過傳輸服務(wù)接口與FACE其他組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；

（4）該組件不使用I/O接口；

（5）組件直接使用圖形服務(wù)。

3 應(yīng) 用

FACE是開放式、模塊化、獨立計算環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，具有通用的操作系統(tǒng)環(huán)境、快速部署軟件、易于升級維護(hù)等優(yōu)點。洛克希德·馬丁公司已經(jīng)開始使用該開放式航電標(biāo)準(zhǔn)，并且美國海軍在C-130T項目中采用基于FACE的軟件，貫穿整個生產(chǎn)線。羅克韋爾·柯斯林公司也將利用這個開放架構(gòu)發(fā)展下一代項目，例如UH-60L。美國陸軍在JMR（“聯(lián)合多用途旋翼機(jī)”）/FVL（“未來垂直起降飛機(jī)”）計劃中也提出未來航電系統(tǒng)驗證子項目的目標(biāo)是構(gòu)筑強(qiáng)健、持久、靈活和公開的系統(tǒng)架構(gòu)即聯(lián)合共同體結(jié)構(gòu)（JCA） [6]。JCA是基于下一代機(jī)載軟件環(huán)境（FACE）標(biāo)準(zhǔn)而制造的便攜式可重復(fù)使用軟件，并且兩家研發(fā)團(tuán)隊還需要建造與FACE兼容的聯(lián)合共同結(jié)構(gòu)實驗系統(tǒng)，其第三方軟件模塊能獨立運行，以滿足未來垂直起降飛機(jī)項目的要求。

4 結(jié) 語

FACE是一套開放式、模塊化、獨立計算環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，具有通用的操作系統(tǒng)環(huán)境，可快速部署軟件、易于升級維護(hù)。其第三方軟件模塊能獨立運行，可以滿足未來垂直起降飛機(jī)項目的要求。希望通過本文可以讓讀者對該架構(gòu)有更深刻的認(rèn)識，也希望該架構(gòu)能在未來被不斷完善，更多的應(yīng)用于飛機(jī)起降行業(yè)中。

參考文獻(xiàn)

[1] 涂澤中，雷迅，胡蓉.對新一代綜合航電系統(tǒng)發(fā)展的探討[J].航空電子技術(shù)，2001，32（4）：11-18.

[2] 陳宗基，孔繁峨，李衛(wèi)琪，等.先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的飛行控制計算機(jī)系統(tǒng)研究[J].航空學(xué)報，2007，28（4）：935-942.

[3] 韋崗，季飛，傅娟.通信系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] R.C Shah，Alvise Bonivento，D. Petrovic， et al.Joint optimization of a protocol stack for sensor networks[Z].in IEEE Military Communications Comumunications Conference.MILCOM 2004， 1：480-486.

[5] Konstantin Kondak， Markus Bernard ， Nicolas Meyer，et al.Autonomously flying vtol-robots：Modeling andcontrol[Z].in IEEE International Conference on Robotics and Automation，2007：736-741.

[6] 駱光明，楊斌，邱致和，等.數(shù)據(jù)鏈—信息系統(tǒng)連接武器系統(tǒng)的捷徑[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.