機載計算機系統課程內容整合及實踐研究

彭寒 曹國震 王曉銀

摘要：為了培養面向航空產業的計算機人才，使學生具備解決機載系統領域的計算機軟件和硬件方面的問題的能力，本文將航空領域知識與計算機專業知識有機結合，采用跨學科的方法對機載計算機技術的理論和實踐教學開展了有益的研究，設計了機載計算機系統課程的理論教學和實踐內容。

關鍵詞：機載計算機技術；課程內容整合；跨學科方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）41-0145-02

一、引言

航空科技是我國當前及未來的重要發展方向，我國通用航空投資將持續保持迅速的增長趨勢，通用航空產能將更加快速地集聚。機載計算機系統作為當前各種民用及軍用飛機的控制中心和核心系統，其重要性日益提升，開發和研制成本愈加高昂。隨著機載計算機系統及機載軟件向著更大規模發展，機載計算機系統知識必將成為航空類高校的必修課程，機載計算機專業人才也將成為當前航空企業及院所的緊缺資源。針對這一趨勢，國內機載計算機系統方面的專家和學者在本學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，中航工業西安航空計算技術研究所編寫出版了《機載計算機技術》，明確地將機載計算機從航空電子系統中分離出來，成為一門獨立的學科。而西北工業大學計算機學院則于2014年開設了《機載軟件開發導論》課程，重點介紹當前國內外最先進的軟件開發技術在機載系統軟件開發中的應用。然而，當前機載計算機系統課程建設還存在以下問題：

1.在機載計算機系統課程建設方面，所講授的專業及課程僅限于航空電子系統方向、機載電子設備方向，缺乏系統講授機載計算機體系結構、機載操作系統以及機載總線技術的課程。

2.在教材方面，缺乏完整地、深入地講解機載計算機系統的教學用書。目前出版的教材很少從計算機科學的視角來研究機載計算機系統，沒有將機載計算機系統視為一個信息處理系統。某些高水平的著作，由于內容過于龐雜，理論性較強，也不適合作為本科生的教材。

3.在教師隊伍方面，缺乏機載計算機方向的教學團隊。機載計算機系統這門學科是以計算機專業知識為主，綜合了微電子技術、通信技術等學科知識的交叉學科；主要研究高性能、高可靠性、強實時的安全關鍵系統，因此本學科的教師不僅要具備扎實的計算機理論基礎，還需要廣泛了解航空領域的相關知識。

二、機載計算機系統課程理論教學內容設計

1.教學內容總體設計。機載計算機系統課程理論教學內容的設計如圖1所示。作為面向計算機專業的課程，其教學內容的設計必須與計算機專業基礎課緊密結合。課程內容按照通用計算機課程的教學體系展開，并有所延伸。首先，在電路分析技術、數字電路、模擬電路以及計算機原理等課程的基礎上，介紹機載計算機體系結構，著重介紹當前先進的綜合模塊化機載計算機體系結構；其次，在操作系統和嵌入式操作系統課程的基礎上，引入機載操作系統的概念和原理，主要介紹當前國際通用的ARINC653規范的內容；再次，在計算機網絡知識的基礎上，安排機載總線技術，即機載網絡技術的教學內容，重點介紹ARINC664總線規范、MIL-STD-1553B總線和ARINC429總線；然后，在軟件工程課程的基礎上，介紹機載應用程序開發技術，主要注重多任務、多線程的實時編程，其中穿插介紹了機載顯示控制系統的開發及測試技術；最后，在數據庫系統原理以及軟件測試課程的基礎上，安排機載計算機系統仿真測試系統。整個教學內容與計算機專業課程緊密銜接，逐層深入，形成一條平滑的學習曲線，降低了學習難度，提升了學習效率。

2.各章節教學內容設計。

第一章概述：簡介機載計算機的基礎知識。讓學生理解機載計算機的定義、應用范圍以及典型的機載計算機系統，明確機載計算機和通用計算機之間的區別和聯系。

第二章機載計算機體系結構：簡介機載計算機體系結構的發展歷程，介紹機載計算機硬件系統的特征以及高可靠性、高安全性的要求，并簡介當前國際國內通用的機載計算機硬件架構的標準和規范，為學生開展進一步的學習提供指南。

第三章機載操作系統：介紹機載操作系統的強實時性、可預測性、可調度性等特點，并以典型的機載實時操作系統VxWorks以及機載分區操作系統規范ARINC653為例，詳述機載操作系統的架構和內核對象，為機載應用程序的開發提供基礎。

第四章機載總線技術：介紹機載數據總線的作用和發展歷程，并詳細介紹當前航空數據網絡標準ARINC664，ARINC429以及MIL-STD-1553B。對各種總線的物理特性、電器特性、傳輸特性以及應用協議進行講解。讓學生徹底理解機載網絡的本質。

第五章機載應用程序開發：介紹機載應用程序的開發環境，并以典型的飛行管理系統和顯示綜合系統為例，介紹機載應用程序的原理和開發過程，為學生開發機載應用程序提供理論基礎。

第六章機載計算機測試技術：詳細介紹機載嵌入式軟件測試技術以及數字化機載系統仿真測試環境的搭建方法。介紹了機載嵌入式軟件測試與通用軟件測試技術之間的區別和聯系，并分類介紹各種測試方法；同時，介紹了機載硬件仿真、機載操作系統仿真、機載通信環境仿真以及數字化機載仿真測試平臺等技術，為機載嵌入式軟件測試提供測試平臺。

三、機載計算機技術實踐教學內容設計

實踐教學的基礎目標是讓學生能夠掌握機載操作系統的使用和系統級編程，學會基本機載計算機應用程序的開發和測試，高階目標是讓學生有能力搭建機載軟件仿真測試系統。針對第三章至第五章，安排實驗內容如下：

1.機載操作系統實驗：安排了機載操作系統Vxworks命令學習實驗、Vxworks系統編譯燒錄實驗、Vxworks內核配置實驗、機載操作系統仿真技術實驗；主要培養學生實際使用、剪裁機載操作系統的能力，更加深入地理解操作系統的設計原理。

2.機載總線技術實驗：安排了AFDX航空總線驅動程序編寫實驗、ARINC429總線驅動程序編寫實驗、機載通信系統仿真實驗；重點培養學生的驅動程序編寫能力，為實際開發機載總線程序提供基礎。

3.機載應用程序開發實驗：安排了導航程序開發實驗、顯示控制界面開發實驗；培養學生在多任務、多線程環境中完成高可靠、強實時程序開發的能力。

4.機載計算機測試技術實驗：安排了機載總線監控與測試實驗、機載系統仿真環境搭建實驗。培養學生的總體設計能力，提升其對大型仿真系統的認識和理解。

根據長期在機載計算機領域的開發經驗，面向航空企業及院所的實際需求，設計了以上實驗內容。力求讓學生具備解決實際問題的能力，縮短就業培訓時間。

四、結論

我國航空工業的飛速發展對機載計算機技術人員提出了迫切的需求，但當前國內鮮有將機載計算機系統作為本科課程來專門講授的先例。本文把航空領域知識與計算機專業知識有機結合，形成機載計算機課程的內容，是航空類院校開展面向領域的計算機專業人才培養的一次有益探索。當然，機載計算機技術是一個不斷發展的交叉學科，因此本文的研究還有待于繼續深入和完善。

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