綜合模塊化航電（IMA）系統設計方法研究

高凌嵐　杜曉鵬

摘 要：IMA系統是民用大型客機航電系統架構設計的核心，它能夠為綜合化航電、非航電系統提供運算、通信以及輸入輸出（I/O）資源。該文對IMA平臺架構進行了分析，并針對分布式IMA平臺設計方法進行了研究，希望對IMA系統設計有指導意義。

關鍵詞：處理機柜 通用處理模塊 綜合模塊化航電

中圖分類號：V24.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（a）-0021-02

Abstract：Integrated Module Avionics System is core in the development of large civil airplane avionics system， it will provide the calculation， transmission， and I/O resource to avionics and non-avionics system. This paper analyzes the architecture of the IMA platform， and research the design method of distributed IMA platform which can guide the design of IMA system.

Key Words：Computing resource cabinet； General process module； IMA

IMA系統是民用大型客機航電系統架構設計的核心，它能夠為綜合化航電、非航電子系統提供運算、通信以及輸入輸出（I/O）資源。IMA能夠為各種駐留軟件提供一個開放的資源平臺，它們遵循統一的行業規范標準，這些重要的開放標準主要包括ARINC653、ARINC664、ARINC665、ARINC429以及ARINC825等。

IMA的開放式架構設計在很大程度上降低了LRU的數量，這樣就使飛機在重量、能耗以及成本上有了很大的節省，同時增加了系統的可靠度。IMA平臺為駐留在它上面的實時嵌入式系統提夠運算、數據傳輸，以及數據I/O接口的功能。各種駐留系統分別集成在不同的分區操縱系統下，分別占用獨立的IMA處理資源，從而互相之間不會影響。IMA平臺為高度集成的實時系統提供所必需的核心資源框架。IMA平臺中的各種模塊為關鍵的駐留功能提供了一種高度集成，容錯的運行環境。

1 IMA平臺架構分析

1.1 單LRU形式的IMA架構

該架構的關鍵特性是：

（1）駐留多個應用，執行不同飛機功能；

（2）提供分區功能；

（3）在LRU中共享處理、存儲器和I/O，以及共享網絡；

（4）平臺的配置數據和數據加載；

（5）在平臺和駐留應用之間定義的應用程序接口（API）。

1.2 分布式的IMA平臺

該架構是一種為實時應用提供服務，具有容錯性和分布式的平臺。其工作原理基于通信網絡資源的魯棒性分區。這種平臺基于一種嚴格時分多模訪問（TDMA）模式，既能在LRU之間提供魯棒性分區，也能在LRM之間（在機柜內的背板總線上）提供相應分區。即使在任何應用內部或通信網絡自身出現軟件或硬件單點故障的情況下，這種平臺也能給駐留應用提供魯棒性分區的通信服務。

分布式架構體現的IMA關鍵特性有：

（1）資源的共享，魯棒性分區；

（2）駐留多個應用；

（3）平臺與應用之間的API接口；

（4）平臺配置數據；

（5）故障管理，健康監控。

2 分布式IMA平臺設計

2.1 硬件設計

IMA通用處理平臺由互為備份的兩個處理機柜（Computing Resource Cabinet）構成。每個CRC的處理資源由安裝在其內部的多個通用處理模塊（GPM）提供。每個GPM都是一個獨立的處理模塊，并采用Vxworks 653作為GPM的駐留操作系統，在這種結構下可以使多種不同的應用同時駐留在處理模塊的實時分區操作系統上，操作系統為不同駐留應用提供必要的基礎類的服務，以滿足IMA通用處理平臺的應用需求。每臺CRC內置的2個數字交換模塊（ACS）為處理機柜中的系統處理模塊（GPM）提供雙余度、全雙工、符合ARINC664 p7總線要求的數據交換功能。CRC為整個IMA通用處理平臺提供主要的數據處理資源和信息交換資源。兩個CRC機柜之間通過100 M全雙工、雙余度ARINC664總線實現數據的交換。CRC在正常工作狀態，無需人為介入。

IMA采用開放式架構設計，為降低CRC機架中LRM的種類，同時為保證整個CRC工作的可靠性，對整個機架的供電電源和LRM間網絡通信鏈路采用雙余度設計。在CRC內部，兩塊PCM獨立工作互為備份，任何一塊PCM均有能力獨立承擔整個機架內用電設備的供電需求。在其中一塊PCM停止工作時，由另外一塊PCM承擔起全部負載，且在整個切換過程對系統工作無影響。機架中的6塊GPM都是獨立的處理模塊，可以有多種不同的應用同時駐留在處理模塊的實時分區操作系統上，操作系統為不同駐留應用提供必要的基礎類的服務。IMA內部網絡系統采用全雙工、雙余度、符合ARINC664 p7規范要求的星型網絡結構，滿足機架中各端系統（GPM模塊）之間和機架外各端系統進行數據交換的需要[1]。

2.2 軟件設計

IMA系統通用處理平臺仿真件軟件主要由應用軟件、系統軟件及集成開發環境3部分組成，其軟件組成結構圖如圖1所示[2]。

駐留應用軟件：面向綜合航電系統各種功能操作的應用的軟件，軟件范圍可以包含飛行管理軟件（FMS），綜合顯示功能軟件，維護管理軟件（CMS）等。

系統軟件：為綜合模塊化航電系統（IMA）平臺提供管理、運行軟件平臺，可以包括模塊操作系統（MOS）、系統共享庫（SSL）、基礎應用軟件等。

軟件集成開發環境：包括基本集成開發環境和專用開發工具。集成開發環境為應用軟件研制人員使用的應用程序的開發和調試環境。專用開發工具包括數據加卸載工具和IMA系統資源配置分析工具。

IMA系統通用處理平臺試驗仿真件軟件設計具備如下特性。

（1）采用分層結構，保持各層的相對獨立性，為各層獨立發展提供可能，可有效提高系統的可移植性、可靠性和降低系統升級費用，包括開發、綜合和測試的成本；

（2）應用軟件層和操作系統層間的接口標準化，確保軟件系統的開放性，保證各層的適用性和可移植性；

（3）各層軟件采用模塊化設計，有利于系統各層的可配置和可擴展能力；

（4）應用任務的占用時間和訪問空間進行靜態配置，確保系統的實時性、確定性和可預知性；

（5）操作系統實現時間和空間的分區管理，使各應用任務間實現時間和空間隔離，實現對故障的隔離，有效防止故障在系統中蔓延，大大得提高了系統的可靠性；

（6）系統資源的靜態配置的動態管理能力，支持綜合核心處理區的系統重構。

因此該系統軟件架構采用三層架構，即將整個軟件系統分為只依賴于具體硬件的模塊支持層、與應用和硬件完全獨立的操作系統層和只依賴于具體應用的應用層[3]。

隨著綜合化航電系統功能強大，機載數據處理平臺的軟件規模日益強大和復雜，從而對系統可靠性和安全性影響也越來越大，為此IMA系統通用處理平臺系統軟件設計基于分區管理、隔離保護及資源共享技術，實現多處理機、多任務的調度管理，并保持對應用的透明性。

3 結語

該文首先對IMA系統的架構進行了分析，選取了分布式IMA平臺架構作為研究對象，對IMA平臺的硬件設計和軟件設計做出了研究，得到了可行的IMA平臺軟硬件設計方法，在指導IMA系統設計上有借鑒意義。

參考文獻

[1] 鄭瀾，王運盛.適用于民機IMA的通用機載軟件開發平臺[J].電訊技術，2012（6）：1027-1030.

[2] 褚文奎，張鳳鳴，樊曉光.綜合模塊化航空電子系統軟件體系結構綜述[J].航空學報.2009（10）：1912-1917.

[3] 徐顯亮，張鳳鳴，褚文奎.一種以安全性為中心的IMA軟件體系結構設計方法[J].計算機科學，2012（3）：128-130.