李昕穎， 李佳妮， 熊華鋼

(1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191; 2.中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412000)

0 引言

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，航空電子系統(tǒng)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)已打破了傳統(tǒng)各分系統(tǒng)的界限，通過按功能分區(qū)將整個(gè)航空電子系統(tǒng)劃分為一個(gè)核心處理區(qū)和幾個(gè)相應(yīng)的綜合區(qū)［1］。其中核心處理區(qū)可以說是新一代航空電子系統(tǒng)的大腦，它完成雷達(dá)、電子戰(zhàn)、光電等傳感器的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理，并完成數(shù)據(jù)融合、導(dǎo)航計(jì)算、火控計(jì)算、顯示控制管理等任務(wù)處理功能［2］。如何用合理有效的方法對(duì)綜合核心處理系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)施階段所關(guān)注的重要問題。

本文首先建立處理器模型、任務(wù)模型和雙層調(diào)度模型，然后建立了基于離散事件仿真方法的系統(tǒng)仿真模型［3］，并使用 VC++設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)“評(píng)價(jià)工具”，最后用“評(píng)價(jià)工具”對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià);在整個(gè)過程中，ICD文件提供了系統(tǒng)仿真所需要的任務(wù)流及消息流的特征參數(shù)。

1 系統(tǒng)模型

1.1 處理器模型

處理器接收到ICD文件輸入的任務(wù)流之后，由全局調(diào)度器統(tǒng)一進(jìn)行任務(wù)分配，并劃分好相應(yīng)的分區(qū)時(shí)間執(zhí)行窗口。分配到同一分區(qū)中的任務(wù)，由本地調(diào)度器按某種調(diào)度策略，對(duì)任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。任務(wù)之間的通信，可以通過消息發(fā)布器或消息訂購器來完成［4］。處理器模型如圖1所示。

圖1 處理器模型Fig.1 Model of the processor

1.2 任務(wù)模型

假設(shè)有 n 個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)，分別用 τ1，τ2，…，τn表示，它們組成一個(gè)任務(wù)集合 Γ，即 Γ ={τ1，τ2，…，τn}。任務(wù)特征定義:1)任務(wù)最壞情形執(zhí)行時(shí)間Ci，表示第i個(gè)任務(wù)在最壞情況下無中斷執(zhí)行所需的處理器時(shí)間;2)任務(wù)的周期Ti，表示第i個(gè)任務(wù)的產(chǎn)生周期，對(duì)于非周期任務(wù)，則表示任務(wù)產(chǎn)生的最小時(shí)間間隔;3)任務(wù)的截止期限可以小于或者等于任務(wù)的周期，即Di≤Ti;4)任務(wù)之間相互獨(dú)立(不存在因共享資源而導(dǎo)致阻塞)。

任務(wù)在處理器上交替運(yùn)行，其狀態(tài)也在不斷地發(fā)生變化，任務(wù)的五態(tài)模型如圖2所示。

圖2 任務(wù)五態(tài)模型Fig.2 Model of task

執(zhí)行狀態(tài):當(dāng)一個(gè)任務(wù)作業(yè)在處理器上運(yùn)行時(shí)，則作業(yè)處于執(zhí)行狀態(tài)。就緒狀態(tài):一個(gè)任務(wù)作業(yè)獲得了除處理器外的一切所需資源，一旦得到處理器即可運(yùn)行，則作業(yè)處于就緒狀態(tài)。處于就緒狀態(tài)的作業(yè)獲得CPU后，將轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行狀態(tài);而處于執(zhí)行狀態(tài)的作業(yè)，若CPU被搶占，則轉(zhuǎn)變?yōu)榫途w狀態(tài)等待CPU。阻塞狀態(tài):也稱等待狀態(tài)，一個(gè)任務(wù)作業(yè)正在等待某一事件發(fā)生而暫時(shí)停止運(yùn)行，則該作業(yè)處于阻塞狀態(tài)。釋放狀態(tài):作業(yè)剛剛釋放時(shí)，等待系統(tǒng)創(chuàng)建作業(yè)所需的必要信息，對(duì)于周期任務(wù)，任務(wù)的作業(yè)按周期釋放。

1.3 調(diào)度模型

ASAAC［5］和 ARINC 653［6－7］中都提出了分層分區(qū)的體系結(jié)構(gòu)，分區(qū)架構(gòu)作為一種安全關(guān)鍵性的保障機(jī)制被引入。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高度的容錯(cuò)能力，航空電子系統(tǒng)通過分區(qū)的方式，將系統(tǒng)中不同的功能應(yīng)用限制在其活動(dòng)范圍內(nèi)，從而不對(duì)其他功能應(yīng)用產(chǎn)生影響。在ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)中，特別強(qiáng)調(diào)分區(qū)管理的概念。多個(gè)航電應(yīng)用軟件劃分成一個(gè)單元，即分區(qū)。雙層分區(qū)的調(diào)度模型如圖3所示。

圖3 雙層調(diào)度模型Fig.3 Two-level scheduling model

操作系統(tǒng)層根據(jù)ARINC 653標(biāo)準(zhǔn)，采用輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方式激活每個(gè)分區(qū)。在區(qū)間層，各個(gè)分區(qū)分配指定的內(nèi)存空間和CPU時(shí)間槽，在時(shí)間上和空間上互不影響，互相隔離［8］。因此，系統(tǒng)內(nèi)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的故障或異常會(huì)被限制在一個(gè)分區(qū)內(nèi)，不會(huì)蔓延到整個(gè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)具有良好的錯(cuò)誤隔離能力。

分區(qū)調(diào)度在時(shí)間上具有嚴(yán)格的確定性。分區(qū)調(diào)度主要按照固定的、基于周期的時(shí)間序列進(jìn)行CPU資源分配，每個(gè)分區(qū)只有在分配給它的分區(qū)窗口被激活時(shí)才能被調(diào)度執(zhí)行。

在ARINC 653中，分區(qū)調(diào)度原則是:

1)調(diào)度單元是分區(qū);

2)分區(qū)沒有優(yōu)先級(jí);

3)分區(qū)調(diào)度算法預(yù)先確定，并按照固定周期重復(fù)執(zhí)行，在每個(gè)周期內(nèi)至少為每個(gè)分區(qū)分配一個(gè)分區(qū)窗口。

假定分區(qū)PΩ由NΩ個(gè)任務(wù)組成，可表示為:ΓΩ={τΩi(Ci，Ti)，i=1，2，…，NΩ}。其中 τΩi的下標(biāo)表示第 Ω個(gè)分區(qū)中的第i個(gè)任務(wù)。分區(qū)調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 分區(qū)內(nèi)任務(wù)執(zhí)行模型Fig.4 Partition task execution model

分區(qū)函數(shù)定義為Π(t)，它的取值為{0，1}，如果在時(shí)間t，分區(qū)允許執(zhí)行，則Π(t)=1，否則Π(t)=0。在系統(tǒng)層，采用周期性的輪轉(zhuǎn)調(diào)度激活分區(qū)PΩ，我們定義輪轉(zhuǎn)周期時(shí)長為TRL，則

在每一個(gè)輪轉(zhuǎn)周期內(nèi)，TΩ表示分區(qū)PΩ的執(zhí)行時(shí)間，在其余TRL－TΩ時(shí)間段內(nèi)，分區(qū)PΩ處于阻塞狀態(tài)。如果被激活的分區(qū)在某個(gè)時(shí)刻沒有任務(wù)可以執(zhí)行，則處理器空閑，也不運(yùn)行其他分區(qū)中可以執(zhí)行的任務(wù)。定義?Ω為分區(qū)PΩ的執(zhí)行能力，即每一次輪轉(zhuǎn)周期內(nèi)分區(qū)PΩ的執(zhí)行時(shí)間與輪轉(zhuǎn)周期時(shí)長之比，則

1.4 仿真模型

按照雙層分區(qū)的調(diào)度機(jī)理，圖5所示為仿真模型。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

在操作系統(tǒng)層，任務(wù)根據(jù)其安全關(guān)鍵性劃分到不同的分區(qū)。一旦確定了?Ω，則每個(gè)分區(qū)的執(zhí)行時(shí)間都是固定的，發(fā)生分區(qū)切換的時(shí)刻ti為

式中，n為分區(qū)輪轉(zhuǎn)的次數(shù)。

這樣定時(shí)器在每一個(gè)分區(qū)切換時(shí)刻會(huì)請(qǐng)求一個(gè)中斷，一旦在ti時(shí)刻收到一個(gè)定時(shí)器中斷，系統(tǒng)調(diào)度器將切換分區(qū)，即將當(dāng)前分區(qū)掛起而激活下一個(gè)分區(qū)，同時(shí)再次設(shè)置定時(shí)器在ti+1時(shí)刻切換分區(qū)。

在每一個(gè)分區(qū)內(nèi)部，使用單調(diào)速率(RM)或者最早時(shí)限優(yōu)先(EDF)等調(diào)度算法，執(zhí)行任務(wù)五態(tài)的轉(zhuǎn)換。仿真開始后，首先檢測是否有作業(yè)釋放，釋放的作業(yè)進(jìn)入就緒作業(yè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，優(yōu)先級(jí)排隊(duì)后，從就緒隊(duì)列中選擇優(yōu)先級(jí)最高的作業(yè)，進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)。在作業(yè)的執(zhí)行過程中，若有高優(yōu)先級(jí)的作業(yè)釋放，則進(jìn)行作業(yè)搶占，否則作業(yè)執(zhí)行完成。

2 仿真實(shí)現(xiàn)

在仿真模型的基礎(chǔ)上，圖6給出了仿真程序的結(jié)構(gòu)框架。其中，仿真環(huán)境建立部分用于仿真參數(shù)的設(shè)置和仿真程序的初始化，調(diào)度機(jī)理仿真部分實(shí)現(xiàn)仿真模型，性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)用于對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

圖6 仿真流程圖Fig.6 Flow chart of simulation

考慮到仿真程序的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了如圖7所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖7 仿真程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.7 Data structure design of the simulation system

圖7中，用鏈表來實(shí)現(xiàn)分區(qū)對(duì)處理器資源的占用，同時(shí)每個(gè)分區(qū)的任務(wù)隊(duì)列也采用鏈表的結(jié)構(gòu)，并給出了分區(qū)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式。

3 實(shí)例分析

依據(jù)ICD接口控制文件抽取了相應(yīng)的任務(wù)流參數(shù)，假設(shè)航電系統(tǒng)包括兩個(gè)分區(qū)，分區(qū)所涉及任務(wù)的參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)任務(wù)Table 1 System task

系統(tǒng)層采用固定周期調(diào)度，分區(qū)內(nèi)各任務(wù)采用單調(diào)速率調(diào)度算法調(diào)度，各分區(qū)及其任務(wù)的調(diào)度順序如圖8所示。通過該圖可以分析系統(tǒng)調(diào)度流程以及任務(wù)調(diào)度效率。

圖8 任務(wù)調(diào)度圖Fig.8 Task scheduling

在航空電子系統(tǒng)工程中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性是評(píng)價(jià)和分析系統(tǒng)性能的關(guān)鍵［9］。實(shí)驗(yàn)中，把任務(wù)延遲時(shí)間率作為衡量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的指標(biāo)，任務(wù)延遲時(shí)間率定義為任務(wù)的實(shí)際執(zhí)行延遲時(shí)間與任務(wù)的截止期限的比率。最大延遲時(shí)間率、最小延遲時(shí)間率和平均延遲時(shí)間率分別表示任務(wù)執(zhí)行的最大延遲時(shí)間、最小延遲時(shí)間和平均延遲時(shí)間與任務(wù)截止期限的比率［10］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，在本例中，沒有任務(wù)實(shí)際執(zhí)行延遲時(shí)間超過其截止時(shí)限，最大延遲時(shí)間率76.923%，超過截止時(shí)限的周期任務(wù)數(shù)為0。

圖9 任務(wù)延遲時(shí)間率結(jié)果Fig.9 Results of task delay percentage

4 結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)對(duì)綜合模塊化航電系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析具有重要意義。從評(píng)價(jià)工具得到的結(jié)果是進(jìn)行航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，為細(xì)致深入地研究新一代航電系統(tǒng)性能提供了一種有效途徑。此外，系統(tǒng)仿真軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化ICD文件設(shè)計(jì)，從而提高了設(shè)計(jì)階段的可靠性和工作效率，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)。

［1］ 熊華鋼.先進(jìn)綜合航空電子技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［2］ 袁曉晗.航空電子綜合核心處理技術(shù)研究［J］.航空電子技術(shù)，2004，35(3):6-10.

［3］ CASSANDRAS C G，LAFORTUNE S.Introduction to discrete event systems［M］.2nd ed.Springer，2008.

［4］ LI Xinying，XIONG Huagang.Modelling and simulation of intergated modular avionics［C］//Proceedings of 28th Digital Avionics Systems Conference，2009:1-8.

［5］ ASSAC phase II stage 2 second draft of proposed standards for architecture［Z］.UK Defence Procurement Agency，2004.

［6］ Airlines electronic engineering committee，avionics application software standard interface［Z］.ARINC Specification 653，Aeronautical Radio Inc.，Annapolis，MD，1997.

［7］ Airlines electronic engineering committee，avionics application software standard interface［Z］.ARINC Specification 653-1-2003，Aeronautical Radio Inc.，Annapolis，MD，2003.

［8］ 張鳳鳴，褚文奎，樊曉光，等.綜合模塊化航空電子體系結(jié)構(gòu)研究［J］.電光與控制，2009，16(10):47-51.

［9］ 宋麗茹，何鋒，熊華鋼.航空電子藍(lán)圖系統(tǒng)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2010，17(6):5-8.

［10］ 李昕穎，顧健，何峰，等.硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)在強(qiáng)分區(qū)約束下的雙層分區(qū)調(diào)度［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2010，33(6):1-8.