機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程內(nèi)容整合及實(shí)踐研究

彭寒 曹國(guó)震 王曉銀

摘要：為了培養(yǎng)面向航空產(chǎn)業(yè)的計(jì)算機(jī)人才，使學(xué)生具備解決機(jī)載系統(tǒng)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)軟件和硬件方面的問題的能力，本文將航空領(lǐng)域知識(shí)與計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)有機(jī)結(jié)合，采用跨學(xué)科的方法對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)的理論和實(shí)踐教學(xué)開展了有益的研究，設(shè)計(jì)了機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程的理論教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)；課程內(nèi)容整合；跨學(xué)科方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）41-0145-02

一、引言

航空科技是我國(guó)當(dāng)前及未來的重要發(fā)展方向，我國(guó)通用航空投資將持續(xù)保持迅速的增長(zhǎng)趨勢(shì)，通用航空產(chǎn)能將更加快速地集聚。機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為當(dāng)前各種民用及軍用飛機(jī)的控制中心和核心系統(tǒng)，其重要性日益提升，開發(fā)和研制成本愈加高昂。隨著機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及機(jī)載軟件向著更大規(guī)模發(fā)展，機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)知識(shí)必將成為航空類高校的必修課程，機(jī)載計(jì)算機(jī)專業(yè)人才也將成為當(dāng)前航空企業(yè)及院所的緊缺資源。針對(duì)這一趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方面的專家和學(xué)者在本學(xué)科的理論材料收集和整理方面做了很多的前期工作，如2013年，中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所編寫出版了《機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)》，明確地將機(jī)載計(jì)算機(jī)從航空電子系統(tǒng)中分離出來，成為一門獨(dú)立的學(xué)科。而西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院則于2014年開設(shè)了《機(jī)載軟件開發(fā)導(dǎo)論》課程，重點(diǎn)介紹當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的軟件開發(fā)技術(shù)在機(jī)載系統(tǒng)軟件開發(fā)中的應(yīng)用。然而，當(dāng)前機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程建設(shè)還存在以下問題：

1.在機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程建設(shè)方面，所講授的專業(yè)及課程僅限于航空電子系統(tǒng)方向、機(jī)載電子設(shè)備方向，缺乏系統(tǒng)講授機(jī)載計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、機(jī)載操作系統(tǒng)以及機(jī)載總線技術(shù)的課程。

2.在教材方面，缺乏完整地、深入地講解機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的教學(xué)用書。目前出版的教材很少?gòu)挠?jì)算機(jī)科學(xué)的視角來研究機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，沒有將機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)視為一個(gè)信息處理系統(tǒng)。某些高水平的著作，由于內(nèi)容過于龐雜，理論性較強(qiáng)，也不適合作為本科生的教材。

3.在教師隊(duì)伍方面，缺乏機(jī)載計(jì)算機(jī)方向的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)這門學(xué)科是以計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)為主，綜合了微電子技術(shù)、通信技術(shù)等學(xué)科知識(shí)的交叉學(xué)科；主要研究高性能、高可靠性、強(qiáng)實(shí)時(shí)的安全關(guān)鍵系統(tǒng)，因此本學(xué)科的教師不僅要具備扎實(shí)的計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)，還需要廣泛了解航空領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。

二、機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.教學(xué)內(nèi)容總體設(shè)計(jì)。機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程理論教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)如圖1所示。作為面向計(jì)算機(jī)專業(yè)的課程，其教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)必須與計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課緊密結(jié)合。課程內(nèi)容按照通用計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)體系展開，并有所延伸。首先，在電路分析技術(shù)、數(shù)字電路、模擬電路以及計(jì)算機(jī)原理等課程的基礎(chǔ)上，介紹機(jī)載計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，著重介紹當(dāng)前先進(jìn)的綜合模塊化機(jī)載計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；其次，在操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)課程的基礎(chǔ)上，引入機(jī)載操作系統(tǒng)的概念和原理，主要介紹當(dāng)前國(guó)際通用的ARINC653規(guī)范的內(nèi)容；再次，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的基礎(chǔ)上，安排機(jī)載總線技術(shù)，即機(jī)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)介紹ARINC664總線規(guī)范、MIL-STD-1553B總線和ARINC429總線；然后，在軟件工程課程的基礎(chǔ)上，介紹機(jī)載應(yīng)用程序開發(fā)技術(shù)，主要注重多任務(wù)、多線程的實(shí)時(shí)編程，其中穿插介紹了機(jī)載顯示控制系統(tǒng)的開發(fā)及測(cè)試技術(shù)；最后，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理以及軟件測(cè)試課程的基礎(chǔ)上，安排機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真測(cè)試系統(tǒng)。整個(gè)教學(xué)內(nèi)容與計(jì)算機(jī)專業(yè)課程緊密銜接，逐層深入，形成一條平滑的學(xué)習(xí)曲線，降低了學(xué)習(xí)難度，提升了學(xué)習(xí)效率。

2.各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)。

第一章概述：簡(jiǎn)介機(jī)載計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)。讓學(xué)生理解機(jī)載計(jì)算機(jī)的定義、應(yīng)用范圍以及典型的機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，明確機(jī)載計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)之間的區(qū)別和聯(lián)系。

第二章機(jī)載計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：簡(jiǎn)介機(jī)載計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，介紹機(jī)載計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的特征以及高可靠性、高安全性的要求，并簡(jiǎn)介當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)通用的機(jī)載計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為學(xué)生開展進(jìn)一步的學(xué)習(xí)提供指南。

第三章機(jī)載操作系統(tǒng)：介紹機(jī)載操作系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性、可預(yù)測(cè)性、可調(diào)度性等特點(diǎn)，并以典型的機(jī)載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks以及機(jī)載分區(qū)操作系統(tǒng)規(guī)范ARINC653為例，詳述機(jī)載操作系統(tǒng)的架構(gòu)和內(nèi)核對(duì)象，為機(jī)載應(yīng)用程序的開發(fā)提供基礎(chǔ)。

第四章機(jī)載總線技術(shù)：介紹機(jī)載數(shù)據(jù)總線的作用和發(fā)展歷程，并詳細(xì)介紹當(dāng)前航空數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)ARINC664，ARINC429以及MIL-STD-1553B。對(duì)各種總線的物理特性、電器特性、傳輸特性以及應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行講解。讓學(xué)生徹底理解機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)。

第五章機(jī)載應(yīng)用程序開發(fā)：介紹機(jī)載應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境，并以典型的飛行管理系統(tǒng)和顯示綜合系統(tǒng)為例，介紹機(jī)載應(yīng)用程序的原理和開發(fā)過程，為學(xué)生開發(fā)機(jī)載應(yīng)用程序提供理論基礎(chǔ)。

第六章機(jī)載計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)：詳細(xì)介紹機(jī)載嵌入式軟件測(cè)試技術(shù)以及數(shù)字化機(jī)載系統(tǒng)仿真測(cè)試環(huán)境的搭建方法。介紹了機(jī)載嵌入式軟件測(cè)試與通用軟件測(cè)試技術(shù)之間的區(qū)別和聯(lián)系，并分類介紹各種測(cè)試方法；同時(shí)，介紹了機(jī)載硬件仿真、機(jī)載操作系統(tǒng)仿真、機(jī)載通信環(huán)境仿真以及數(shù)字化機(jī)載仿真測(cè)試平臺(tái)等技術(shù)，為機(jī)載嵌入式軟件測(cè)試提供測(cè)試平臺(tái)。

三、機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)目標(biāo)是讓學(xué)生能夠掌握機(jī)載操作系統(tǒng)的使用和系統(tǒng)級(jí)編程，學(xué)會(huì)基本機(jī)載計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)和測(cè)試，高階目標(biāo)是讓學(xué)生有能力搭建機(jī)載軟件仿真測(cè)試系統(tǒng)。針對(duì)第三章至第五章，安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

1.機(jī)載操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：安排了機(jī)載操作系統(tǒng)Vxworks命令學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)、Vxworks系統(tǒng)編譯燒錄實(shí)驗(yàn)、Vxworks內(nèi)核配置實(shí)驗(yàn)、機(jī)載操作系統(tǒng)仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)；主要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際使用、剪裁機(jī)載操作系統(tǒng)的能力，更加深入地理解操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。

2.機(jī)載總線技術(shù)實(shí)驗(yàn)：安排了AFDX航空總線驅(qū)動(dòng)程序編寫實(shí)驗(yàn)、ARINC429總線驅(qū)動(dòng)程序編寫實(shí)驗(yàn)、機(jī)載通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)；重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的驅(qū)動(dòng)程序編寫能力，為實(shí)際開發(fā)機(jī)載總線程序提供基礎(chǔ)。

3.機(jī)載應(yīng)用程序開發(fā)實(shí)驗(yàn)：安排了導(dǎo)航程序開發(fā)實(shí)驗(yàn)、顯示控制界面開發(fā)實(shí)驗(yàn)；培養(yǎng)學(xué)生在多任務(wù)、多線程環(huán)境中完成高可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)程序開發(fā)的能力。

4.機(jī)載計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)：安排了機(jī)載總線監(jiān)控與測(cè)試實(shí)驗(yàn)、機(jī)載系統(tǒng)仿真環(huán)境搭建實(shí)驗(yàn)。培養(yǎng)學(xué)生的總體設(shè)計(jì)能力，提升其對(duì)大型仿真系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解。

根據(jù)長(zhǎng)期在機(jī)載計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，面向航空企業(yè)及院所的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。力求讓學(xué)生具備解決實(shí)際問題的能力，縮短就業(yè)培訓(xùn)時(shí)間。

四、結(jié)論

我國(guó)航空工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)人員提出了迫切的需求，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)鮮有將機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為本科課程來專門講授的先例。本文把航空領(lǐng)域知識(shí)與計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)有機(jī)結(jié)合，形成機(jī)載計(jì)算機(jī)課程的內(nèi)容，是航空類院校開展面向領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的一次有益探索。當(dāng)然，機(jī)載計(jì)算機(jī)技術(shù)是一個(gè)不斷發(fā)展的交叉學(xué)科，因此本文的研究還有待于繼續(xù)深入和完善。

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