综合模块化航电系统的驻留应用开发平台设计

面向综合模块化航电系统的驻留应用开发平台设计
摘要:综合模块化航电系统采用时间和空间分区技术隔离不同
的应用程序,驻留在分区中应用程序的开发依赖于符合arinc 653
及相关接口和通信规范的开发平台。

通过移植传统操作系统的板级支持包和开发驱动程序,使得商业单板计算机c2k支持符合arinc 653规范的vxworks 653分区操作系统并提供afdx网络接口,首次实现了基于商业单板计算机c2k的驻留应用开发平台,其主要功能和性能与目前主流的大型客机综合模块化航电系统相当,可用来支持驻留应用的开发和调试,大幅度降低了成本。

关键词:综合模块化航空电子系统;驻留应用;单板计算机;开发平台;arinc 653;afdx接口
design of development platform for
hosted applications in integrated module avionics system
wang yun sheng 1,2 * , lei hang 1
(
1. school of computer science and engineering, university of electronic science and technology of china, chengdu sichuan 611731, china ;
2.china electronic technology avionics company limited,
chengdu sichuan 611731, china
)
abstract:
the common computing resources in the integrated modular avionics (ima) system provide the hosted applications with temporal and spatial partitioning platform. the platform for applications development should comply with the arinc 653 specification which defines the application executive interfaces for partitioning operation system. by porting and developing the board support package (bsp) and afdx network driver, for the first time, an ima platform solution for hosted application development was achieved based on the c2k, a commercial off the shelf (cots) single board computer. the functionality and performance of the cots based platform are similar to the popular common computing resources in ima of modern civil transportation aircraft, offering a development platform for hosted applications development and debug at a pretty lower costs.
key words:
integrated modular avionics (ima) system; hosted application; single board computer; development platform;
arinc 653; afdx interface
0 引言
综合模块化航空电子(integrated modular avionics, ima)系统
可以看作是嵌入式系统环境下的集中式分时共用系统,各种驻留功
能应用(hosted applications, ha)运行在公共计算资源(common computing resources, ccr)板卡上,其基本特点表现为高性能公共处理资源、高速通用数据网络和开放式的软硬件体系结构 [1] 。

ima体系架构改变了以往以传感器为中心的设计方式,通过驻留在通用处理资源上驻留的功能软件实现不同的功能应用,减少了设
备和模块种类,提高了系统的可靠性和稳定性,同时便于升级维护,
降低了航电系统全生命周期的成本,已经在现代航空电子系统中得
到了广泛的应用。

ima的广泛应用与良好的工业标准密不可分。

与ima相关的业界标准包括除了航空领域的安全性设计规范、适航认证标准以外,还有
定义系统开放性的航空无线电公司(aeronautical radio inc., arinc)标准和工业标准,例如arinc 653规定了分区技术(partitioning)环境下的应用程序的执行(application executive, apex)接口标准 [2] 、arinc 664第7部分规定了全双工的机
载以太网(avionics full duplex switched ethernet, afdx)接口以及硬件接口标准 [3] 。

目前主流的民用航空电子系统体系
结构都遵循arinc 653和arinc 664规范,包括我国正在研制的c919大型客机 [4] 。

这也构成了面向ima的驻留应用开发平台的设计要素。

1 分区技术及开发平台
随着处理器能力的不断提高以及软件技术的发展,将多个功能应用集成到一个处理器板卡上运行成为必然的趋势。

这种情况下首先要解决的是容错(fault containment)问题,即在一个处理器板卡上的某个应用发生的错误时,一定不能影响到其他的应用。

分区技术就是通过时间和空间上的隔离,将多个应用程序限制在属于该应用自身的有限的处理器时间和空间资源中,避免相互之间的干扰,从而方便系统的验证、确认和认证工作。

采用分区技术得到的处理器资源的单元就是分区(partition),每个分区就是一个独立的程序运行环境,有自己的数据、上下文环境、配置属性等。

在arinc 653中,明确规定了分区环境下在硬件平台上驻留应用的机制及应用程序执行接口 [5] 。

如图1所示,图中各个组成部分的说明如下:
1)驻留应用是各种与航电功能相关的软件部分。

这些软件都由特定的应用功能供应商按照其功能需求和适航要求开发,这些程序都在时间和空间分区环境中运行,只能够调用arinc 653规定的接口访问系统和硬件资源。

2)o/s内核提供的api接口函数和分区功能及服务。

即apex接口,为应用程序提供标准的和公共的运行环境,包括设备驱动和自检等硬件接口。

3)系统分区需要的apex接口标准以外的接口。

这些接口仍然受到时间和空间分区的限制。

这些分区需要完成例如管理硬件通信或者故障管理,这些分区是可选的,依赖于模块及操作系统的实现。

4)特定系统功能。

包括特定的硬件接口,例如设备驱动(例如afdx 接口)、软件加载、调试接口及自检功能等。

目前,支持arinc 653接口的分区操作系统商业产品包括了windriver的vxworks653、lynxworks的lynxos 178、greenhill 的integrity 178、ddc i的deos等。

此外,thales有自己开发的符合arinc 653规范的非商业产品macs2 os,国内电子科技大学等研究机构也研制了部分符合arinc653规范的操作系统。

由于出口限制、市场策略、客户支持等方面的原因,国内主要使用的是windriver的vxworks 653分区操作系统。

对于ima中的驻留应用的开发,首先应该具备满足arinc 653接口要求并具有afdx网络接口的分区应用开发平台。

但是,由于vxworks 653的使用范围仅限于航空电子等高安全性要求的应用(国外有高铁、电力、医疗等方面的应用案例)、客户群体有限,通常需要定制板卡和板级支持包以支持vxworks 653操作系统,市面上只有少数板卡支持vxworks 653操作系统,且售价昂贵。

符合arinc 653应
用程序接口规范并具有afdx网络接口计算机板卡更是凤毛麟角。

这样的局面造成用户对特定产品供应商的过分依赖,需要支付高昂的开发平台费用以及维护成本,无形之中提高了分区技术的应用门槛,限制了分区技术和系统的推广应用。