IMA通信系統中的層次化軟件架構研究及改進

陳朋瑞，李雪源，葉上華

（中國航空工業集團 西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

綜合航電處理平臺（Intergrated Modular Arionics，IMA）是飛機上的1個分布式實時通信網絡，包含多個計算處理模塊及接口，每個計算模塊都能駐留多個不同安全級別的應用程序，不同類型的數據均可接入IMA通信網絡[1]。

其中，通用處理模塊（General Processing Module，GPM）提供IMA平臺所需的基礎功能，支持數據傳輸、數據處理和數據轉換等數據通信功能。GPM允許分區應用駐留并運行，并且提供基礎服務。交換機，包括內置交換機（ARINC 664 Cabinet Switch，ACS）和遠程交換機（ARINC 664 Remote Switch，ARS），提供IMA通信網絡中各設備之間的數據傳輸功能。遠程數據接口單元（Remote Data Interface Unit，RDIU）提供IMA通信網絡中的數據轉換功能。傳感器等非IMA平臺設備產生不同的數據，RDIU可將這些信號轉換為ARINC 664數據

1 IMA通信系統層次化軟件架構

隨著科技的發展，經歷了相對傳統的獨立式、聯合式IMA系統，IMA通信系統已經發展至高度模塊化和綜合化[2]。主要體現在以下4點：一是設備大部分為外場可更換模塊，二是生命周期成本降低，任務執行能力提高；三是對健壯性、實時性的要求更高；四是系統健康診斷能力提高，系統容錯能力提高。

對于IMA通信系統中的軟件結構，可將分層的軟件架構理念應用于IMA通信系統上。在層次化的軟件架構里，為了保證每層之間的獨立性，每層之間利用標準接口進行層次間的通信。

IMA通信系統的軟件架構自上而下由應用層（Application Layer，AL）、操作系統層（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 應用層

應用層位于IMA通信系統軟件架構中的最頂層，包含與飛機相關且與硬件無關的各種應用軟件[3]。軟件分為兩種：功能應用軟件，用于完成各項任務的軟件；應用管理軟件，用于實現任務管理的基礎服務軟件。在應用層中，每個應用程序都被設計用來完成通信過程中的不同任務，對于每個功能應用程序，需從整體功能實現上進行規劃，同時要兼顧通信網絡接口、時間要求、處理要求等。

1.2 操作系統層

IMA通信系統軟件架構的中間層為操作系統層，支持應用軟件的運行并提供管理系統。操作系統為軟件層中應用程序的功能執行提供平臺，按照重要順序及優先級調度和切換各個分區中的應用軟件，并且支持完成軟件間的通信。操作系統層的功能可分為兩類：一是實時資源管理，支持軟件應用實時執行并提供相應的資源管理；二是通用系統管理，適用于所有層次的資源管理，并提供健康監控、構型管理、故障管理以及安全管理等功能。

1.3 模塊支持層

IMA通信系統軟件架構中的最底層為模塊支持層，是軟件和硬件之間的橋梁，主要作用是內存管理及處理設備的訪問。當操作系統層在執行任務時，模塊支持層執行底層資源的存取操作，并為操作系統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 各層軟件之間的標準通信接口

應用層/操作系統層（Application layer/Operating system layer，APOS）是應用層與操作系統層之間的通信接口。這一接口將與飛機有關系的應用軟件和與飛機沒有關系的應用軟件分離，其給應用層提供了1種與操作系統無關的標準化接口。

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

2 改進的操作系統層結構

為了增加IMA通信系統軟件結構的可升級性，使網絡通信更加實時高效，對操作系統層進行改進。操作系統層改進劃分為核心操作系統、分區操作系統和可配置組件。其中，核心操作系統主要負責整個分區的資源調度、資源管理和資源分配等。分區操作系統主要管理所屬分區內部的資源，同時管理分區內的進程調度。可配置組件是使用者可以配置的，用于對所需要的功能進行擴充。改進的IMA通信系統層次化軟件架構如圖1所示。

圖1 改進的IMA通信系統層次化軟件架構

（1）分區操作系統。分區操作系統存在于每一個應用分區內，每個應用分區的調度順序由核心操作系統管理，當分區被調用運行時，當前分區的分區操作系統執行任務。分區之間隔離開來，分區操作系統之間的資源不會相互影響。分區操作系統管理著分區內的資源、調度進程，包括分區的進程管理、存儲管理、時間管理等。

（2）核心操作系統。核心操作系統對所有分區資源及通信進行管理，不僅管理單個平臺的資源，還管理存儲和信號；核心操作系統將應用隔離到不同的分區中，通過調度表配置每個應用分區的執行順序和執行時間；核心操作系統管理著平臺內所有資源，可執行多種功能，通過管理，要確保在分區切換后，分區內所需的所有資源可用；操作系統通過配置通信通道，可以支持分區間或者分區域輸入輸出（Input/Output，I/O）設備的通信。

（3）可配置組件。通過可配置組件，操作系統可以對功能組件進行擴展，包括Bit管理、文件系統管理、運行時庫支持和調試以及通信代理。

改進的操作系統層結構如圖2所示。

圖2 改進的操作系統層結構

3 軟件架構與IMA通信系統的關系

3.1 硬件模塊加載軟件映射

具有IMA通信系統層次化軟件架構的應用在運行時會加載映射至硬件模塊。每個模塊包括執行不同功能的任務處理單元，如模塊支持單元、數據處理單元、路由單元、電源供給單元以及網絡接口單元[4]。在模塊初始化時，層次化軟件架構將加載至數據處理單元。

數據處理單元中包含若干個微處理器，是由多個微處理器組成的數據處理系統。其中，電源供給單元主要對設備進行供電。信號處理單元包括信號處理單元和圖像處理單元[5]。

3.2 層次化軟件架構與IMA通信系統的關系

軟件架構與整個IMA通信系統的關系如圖3所示。由圖3可以看出，通用處理模塊（General Processing Module，GPM）、遠程數據接口單元（Remote Data Interface Unit，RDIU）、交換機及網絡構成了整個IMA通信系統，具有改進的層次化軟件架構的應用駐留于GPM上，用于處理飛機的各類數據。交換機、

圖3 層次化軟件架構與IMA通信系統的關系

RDIU和通信網絡用于數據傳輸。

4 結 論

IMA通信系統由GPM、RDIU、交換機及網絡組成。GPM模塊是IMA中主要進行通信網絡各類數據處理的模塊，為使通信更加高效，駐留于GPM上的應用使用層次化的軟件架構，包括應用層、操作系統層和模塊支持層。通過對軟件架構中操作系統層做進一步改進，將其細分為核心操作系統、分區操作系統和可配置組件，使得軟件的可升級性增強，模塊之間的通信更具邏輯性。