陳朋瑞，李雪源，葉上華

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán) 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

綜合航電處理平臺(tái)（Intergrated Modular Arionics，IMA）是飛機(jī)上的1個(gè)分布式實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，包含多個(gè)計(jì)算處理模塊及接口，每個(gè)計(jì)算模塊都能駐留多個(gè)不同安全級(jí)別的應(yīng)用程序，不同類型的數(shù)據(jù)均可接入IMA通信網(wǎng)絡(luò)[1]。

其中，通用處理模塊（General Processing Module，GPM）提供IMA平臺(tái)所需的基礎(chǔ)功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)通信功能。GPM允許分區(qū)應(yīng)用駐留并運(yùn)行，并且提供基礎(chǔ)服務(wù)。交換機(jī)，包括內(nèi)置交換機(jī)（ARINC 664 Cabinet Switch，ACS）和遠(yuǎn)程交換機(jī)（ARINC 664 Remote Switch，ARS），提供IMA通信網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸功能。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口單元（Remote Data Interface Unit，RDIU）提供IMA通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。傳感器等非IMA平臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)，RDIU可將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為ARINC 664數(shù)據(jù)

1 IMA通信系統(tǒng)層次化軟件架構(gòu)

隨著科技的發(fā)展，經(jīng)歷了相對(duì)傳統(tǒng)的獨(dú)立式、聯(lián)合式IMA系統(tǒng)，IMA通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展至高度模塊化和綜合化[2]。主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)：一是設(shè)備大部分為外場(chǎng)可更換模塊，二是生命周期成本降低，任務(wù)執(zhí)行能力提高；三是對(duì)健壯性、實(shí)時(shí)性的要求更高；四是系統(tǒng)健康診斷能力提高，系統(tǒng)容錯(cuò)能力提高。

對(duì)于IMA通信系統(tǒng)中的軟件結(jié)構(gòu)，可將分層的軟件架構(gòu)理念應(yīng)用于IMA通信系統(tǒng)上。在層次化的軟件架構(gòu)里，為了保證每層之間的獨(dú)立性，每層之間利用標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行層次間的通信。

IMA通信系統(tǒng)的軟件架構(gòu)自上而下由應(yīng)用層（Application Layer，AL）、操作系統(tǒng)層（Operation System Layer，OSL）和模塊支持層（Module Support Layer，MSL）組成，每一層的具體說明如下。

1.1 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于IMA通信系統(tǒng)軟件架構(gòu)中的最頂層，包含與飛機(jī)相關(guān)且與硬件無關(guān)的各種應(yīng)用軟件[3]。軟件分為兩種：功能應(yīng)用軟件，用于完成各項(xiàng)任務(wù)的軟件；應(yīng)用管理軟件，用于實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理的基礎(chǔ)服務(wù)軟件。在應(yīng)用層中，每個(gè)應(yīng)用程序都被設(shè)計(jì)用來完成通信過程中的不同任務(wù)，對(duì)于每個(gè)功能應(yīng)用程序，需從整體功能實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)要兼顧通信網(wǎng)絡(luò)接口、時(shí)間要求、處理要求等。

1.2 操作系統(tǒng)層

IMA通信系統(tǒng)軟件架構(gòu)的中間層為操作系統(tǒng)層，支持應(yīng)用軟件的運(yùn)行并提供管理系統(tǒng)。操作系統(tǒng)為軟件層中應(yīng)用程序的功能執(zhí)行提供平臺(tái)，按照重要順序及優(yōu)先級(jí)調(diào)度和切換各個(gè)分區(qū)中的應(yīng)用軟件，并且支持完成軟件間的通信。操作系統(tǒng)層的功能可分為兩類：一是實(shí)時(shí)資源管理，支持軟件應(yīng)用實(shí)時(shí)執(zhí)行并提供相應(yīng)的資源管理；二是通用系統(tǒng)管理，適用于所有層次的資源管理，并提供健康監(jiān)控、構(gòu)型管理、故障管理以及安全管理等功能。

1.3 模塊支持層

IMA通信系統(tǒng)軟件架構(gòu)中的最底層為模塊支持層，是軟件和硬件之間的橋梁，主要作用是內(nèi)存管理及處理設(shè)備的訪問。當(dāng)操作系統(tǒng)層在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，模塊支持層執(zhí)行底層資源的存取操作，并為操作系統(tǒng)層提供底層資源訪問接口。通用模塊由軟件與硬件組成，硬件部分包括硬件邏輯、軟件通信接口等，模塊支持層則為其軟件部分，二者一起提供了邏輯通信接口和模塊的硬件處理功能。

1.4 各層軟件之間的標(biāo)準(zhǔn)通信接口

應(yīng)用層/操作系統(tǒng)層（Application layer/Operating system layer，APOS）是應(yīng)用層與操作系統(tǒng)層之間的通信接口。這一接口將與飛機(jī)有關(guān)系的應(yīng)用軟件和與飛機(jī)沒有關(guān)系的應(yīng)用軟件分離，其給應(yīng)用層提供了1種與操作系統(tǒng)無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化接口。

模塊支持層/操作系統(tǒng)層（Module support layer/Operating system layer，MOS）是模塊支持層與操作系統(tǒng)層之間的通信接口。這一接口將操作系統(tǒng)層與硬件有關(guān)系的軟件分離，為操作系統(tǒng)提供了1種與硬件無關(guān)的接口。

2 改進(jìn)的操作系統(tǒng)層結(jié)構(gòu)

為了增加IMA通信系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的可升級(jí)性，使網(wǎng)絡(luò)通信更加實(shí)時(shí)高效，對(duì)操作系統(tǒng)層進(jìn)行改進(jìn)。操作系統(tǒng)層改進(jìn)劃分為核心操作系統(tǒng)、分區(qū)操作系統(tǒng)和可配置組件。其中，核心操作系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個(gè)分區(qū)的資源調(diào)度、資源管理和資源分配等。分區(qū)操作系統(tǒng)主要管理所屬分區(qū)內(nèi)部的資源，同時(shí)管理分區(qū)內(nèi)的進(jìn)程調(diào)度?？膳渲媒M件是使用者可以配置的，用于對(duì)所需要的功能進(jìn)行擴(kuò)充。改進(jìn)的IMA通信系統(tǒng)層次化軟件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的IMA通信系統(tǒng)層次化軟件架構(gòu)

（1）分區(qū)操作系統(tǒng)。分區(qū)操作系統(tǒng)存在于每一個(gè)應(yīng)用分區(qū)內(nèi)，每個(gè)應(yīng)用分區(qū)的調(diào)度順序由核心操作系統(tǒng)管理，當(dāng)分區(qū)被調(diào)用運(yùn)行時(shí)，當(dāng)前分區(qū)的分區(qū)操作系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)。分區(qū)之間隔離開來，分區(qū)操作系統(tǒng)之間的資源不會(huì)相互影響。分區(qū)操作系統(tǒng)管理著分區(qū)內(nèi)的資源、調(diào)度進(jìn)程，包括分區(qū)的進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、時(shí)間管理等。

（2）核心操作系統(tǒng)。核心操作系統(tǒng)對(duì)所有分區(qū)資源及通信進(jìn)行管理，不僅管理單個(gè)平臺(tái)的資源，還管理存儲(chǔ)和信號(hào)；核心操作系統(tǒng)將應(yīng)用隔離到不同的分區(qū)中，通過調(diào)度表配置每個(gè)應(yīng)用分區(qū)的執(zhí)行順序和執(zhí)行時(shí)間；核心操作系統(tǒng)管理著平臺(tái)內(nèi)所有資源，可執(zhí)行多種功能，通過管理，要確保在分區(qū)切換后，分區(qū)內(nèi)所需的所有資源可用；操作系統(tǒng)通過配置通信通道，可以支持分區(qū)間或者分區(qū)域輸入輸出（Input/Output，I/O）設(shè)備的通信。

（3）可配置組件。通過可配置組件，操作系統(tǒng)可以對(duì)功能組件進(jìn)行擴(kuò)展，包括Bit管理、文件系統(tǒng)管理、運(yùn)行時(shí)庫(kù)支持和調(diào)試以及通信代理。

改進(jìn)的操作系統(tǒng)層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的操作系統(tǒng)層結(jié)構(gòu)

3 軟件架構(gòu)與IMA通信系統(tǒng)的關(guān)系

3.1 硬件模塊加載軟件映射

具有IMA通信系統(tǒng)層次化軟件架構(gòu)的應(yīng)用在運(yùn)行時(shí)會(huì)加載映射至硬件模塊。每個(gè)模塊包括執(zhí)行不同功能的任務(wù)處理單元，如模塊支持單元、數(shù)據(jù)處理單元、路由單元、電源供給單元以及網(wǎng)絡(luò)接口單元[4]。在模塊初始化時(shí)，層次化軟件架構(gòu)將加載至數(shù)據(jù)處理單元。

數(shù)據(jù)處理單元中包含若干個(gè)微處理器，是由多個(gè)微處理器組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中，電源供給單元主要對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電。信號(hào)處理單元包括信號(hào)處理單元和圖像處理單元[5]。

3.2 層次化軟件架構(gòu)與IMA通信系統(tǒng)的關(guān)系

軟件架構(gòu)與整個(gè)IMA通信系統(tǒng)的關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，通用處理模塊（General Processing Module，GPM）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口單元（Remote Data Interface Unit，RDIU）、交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了整個(gè)IMA通信系統(tǒng)，具有改進(jìn)的層次化軟件架構(gòu)的應(yīng)用駐留于GPM上，用于處理飛機(jī)的各類數(shù)據(jù)。交換機(jī)、

圖3 層次化軟件架構(gòu)與IMA通信系統(tǒng)的關(guān)系

RDIU和通信網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié) 論

IMA通信系統(tǒng)由GPM、RDIU、交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)組成。GPM模塊是IMA中主要進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)各類數(shù)據(jù)處理的模塊，為使通信更加高效，駐留于GPM上的應(yīng)用使用層次化的軟件架構(gòu)，包括應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層和模塊支持層。通過對(duì)軟件架構(gòu)中操作系統(tǒng)層做進(jìn)一步改進(jìn)，將其細(xì)分為核心操作系統(tǒng)、分區(qū)操作系統(tǒng)和可配置組件，使得軟件的可升級(jí)性增強(qiáng)，模塊之間的通信更具邏輯性。