時(shí)間觸發(fā)航空電子系統(tǒng)的軟件架構(gòu)分析

王彥慶 陳芳明 王晨

[摘 ? ?要]基于航空電子系統(tǒng)，根據(jù)其所具備的諸多特點(diǎn)，例如數(shù)據(jù)量多、穩(wěn)定性要求苛刻、任務(wù)并不簡(jiǎn)單等，闡述了以往軟件架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)以及不足，結(jié)合具體的運(yùn)行流程，把任務(wù)進(jìn)行劃分，以產(chǎn)生多個(gè)階段，如數(shù)據(jù)輸入以及解算，按照時(shí)間片對(duì)任務(wù)全部階段開(kāi)展調(diào)度，保證了系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)于航空電子系統(tǒng)，對(duì)其運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行了分析，并且設(shè)置了軟件架構(gòu)的模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再結(jié)合理論分析顯示，與傳統(tǒng)軟件架構(gòu)進(jìn)行比較，通過(guò)時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)，無(wú)論是可靠性還是穩(wěn)定性，均能夠得到顯著的提升。

[關(guān)鍵詞]軟件架構(gòu);航空電子系統(tǒng);時(shí)間片調(diào)度;數(shù)據(jù)通信;TimeBase

[中圖分類(lèi)號(hào)]V243 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]Based on the avionics system， according to its many characteristics， such as large amount of data， demanding stability， task is not simple， etc.， the advantages and disadvantages of the previous software architecture are explained， combined with the specific operation process， the task is carried out Divided to produce multiple stages， such as data input and solution， according to time slices， all stages of the task are scheduled to ensure the reliability of the system. Aiming at the avionics system， its operating mechanism is analyzed， and a software architecture model is set up. Through experimental data， combined with theoretical analysis， it is shown that compared with traditional software architecture， through time-triggered architecture， both reliability and stability can be significantly improved.

[Keywords]software architecture; avionics system; time slice scheduling; data communication; TimeBase

在機(jī)載方面，對(duì)于資源集成度來(lái)講，與飛機(jī)的負(fù)載以及散熱息息相關(guān)，而且和系統(tǒng)也有著聯(lián)系。就航空電子系統(tǒng)而言，其中存在著多項(xiàng)資源，例如計(jì)算，具備一系列的功能（如數(shù)據(jù)保存以及通信）。結(jié)合單處理節(jié)點(diǎn)來(lái)分析，有著諸多的存儲(chǔ)資源，如較為常見(jiàn)的FLASH。每項(xiàng)任務(wù)的完成，均要借助多項(xiàng)資源，如計(jì)算資源。對(duì)于任務(wù)流程來(lái)說(shuō)，結(jié)束一個(gè)階段之后，直接進(jìn)到下一環(huán)節(jié)，不存在時(shí)間間隔。伴隨系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，任務(wù)實(shí)施時(shí)間隨之改變，因此確定性并不高。以這樣的軟件架構(gòu)來(lái)分析，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，在數(shù)據(jù)量不多的情況下，是能夠接受的，不然的話，會(huì)提高系統(tǒng)不確定性，極有可能因?yàn)楣收嫌绊懀瑥亩械K于別的階段的實(shí)施，最終致使故障蔓延?；谠撓到y(tǒng)的特征，本文設(shè)置了一種軟件結(jié)構(gòu)，確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)故障的情況。

1 以往航空電子系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，每分區(qū)能夠存在數(shù)個(gè)任務(wù)，對(duì)于分區(qū)來(lái)講，是根據(jù)時(shí)間片開(kāi)展調(diào)度的，而就進(jìn)程而言，是根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)調(diào)度的。結(jié)合此種軟件架構(gòu)來(lái)分析，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，而且對(duì)于開(kāi)發(fā)人員，所提出的要求并不苛刻，不過(guò)也有著一定的不足，通?？审w現(xiàn)于以下幾點(diǎn)：對(duì)于任務(wù)運(yùn)行時(shí)刻來(lái)講，僅可對(duì)時(shí)間范圍進(jìn)行明確，而難以實(shí)際明確時(shí)間;對(duì)于實(shí)施時(shí)間長(zhǎng)度，也難以得到明確，基于運(yùn)行時(shí)間范圍，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行時(shí)刻的確定，不過(guò)也難以具體明確時(shí)間[1];在進(jìn)程出現(xiàn)阻塞的情況下，會(huì)對(duì)別的任務(wù)的實(shí)施造成影響;任務(wù)中的某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，則直接影響到整體的運(yùn)行。

2 時(shí)間觸發(fā)軟件架構(gòu)

根據(jù)分區(qū)時(shí)間片調(diào)度，促使任務(wù)的所有環(huán)節(jié)運(yùn)行，獨(dú)自占有相應(yīng)的時(shí)間片，當(dāng)實(shí)施時(shí)間到來(lái)時(shí)，切換至下環(huán)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上，確保調(diào)度的精準(zhǔn)以及可靠。

根據(jù)階段來(lái)分解任務(wù)，結(jié)合時(shí)間片開(kāi)展相應(yīng)的調(diào)度。把系統(tǒng)任務(wù)分成多個(gè)階段，例如數(shù)據(jù)輸入以及解算，根據(jù)時(shí)間片調(diào)度，進(jìn)一步來(lái)開(kāi)展所有階段。基于某一時(shí)間片內(nèi)，僅存在1個(gè)任務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)，功能實(shí)施結(jié)束之后，系統(tǒng)為空閑狀況;當(dāng)下一個(gè)時(shí)間片來(lái)臨時(shí)，不管有沒(méi)有執(zhí)行完成，均切換至下一環(huán)節(jié);只有下一時(shí)間片出現(xiàn)時(shí)，才能換至下一環(huán)節(jié)[2]。在執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候，因?yàn)闀?huì)借助多項(xiàng)資源，所以按照不一樣的資源，針對(duì)于數(shù)據(jù)輸入以及存取等，進(jìn)一步分成相應(yīng)的小階段。為了便于對(duì)資源進(jìn)行訪問(wèn)，創(chuàng)造充足的時(shí)間窗口。因?yàn)榘l(fā)生資源故障，從而難以順利實(shí)施時(shí)，會(huì)換至下一資源訪問(wèn)，達(dá)到隔離的目的，與此同時(shí)，防止故障持續(xù)蔓延。

3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)置，本文主要從時(shí)間觸發(fā)調(diào)度設(shè)置、各階段數(shù)據(jù)通信等方面進(jìn)行探究。

（1）調(diào)度設(shè)計(jì)。按照資源的種類(lèi)，針對(duì)于數(shù)據(jù)輸入以及存取等，分成一系列小階段。在軟件結(jié)構(gòu)中，通過(guò)對(duì)調(diào)度器的使用，來(lái)完成對(duì)所有階段的調(diào)度。對(duì)于時(shí)間片調(diào)度來(lái)講，主要基于兩點(diǎn)來(lái)達(dá)到的，即調(diào)度器與任務(wù)信息表。而就任務(wù)階段調(diào)度器而言，與定時(shí)器中斷息息相關(guān)，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，會(huì)定時(shí)形成中斷，通過(guò)中斷服務(wù)程序，進(jìn)一步來(lái)對(duì)執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行判斷，結(jié)束階段的切換。對(duì)于時(shí)間片調(diào)度準(zhǔn)確度來(lái)說(shuō)，與間隔時(shí)間有著很大的聯(lián)系，誤差處于時(shí)間范圍[3]。間隔時(shí)間越少，則表明調(diào)度精度越為理想。當(dāng)處于初始化的時(shí)候，借助于系統(tǒng)的窗口，來(lái)創(chuàng)建相應(yīng)的任務(wù);當(dāng)進(jìn)行調(diào)度時(shí)，按照任務(wù)句柄復(fù)位。以下為進(jìn)程流程：初始化;實(shí)施功能;掛起進(jìn)程;切換至第二步，即功能執(zhí)行。基于調(diào)度任務(wù)環(huán)節(jié)，復(fù)位這一環(huán)節(jié)的進(jìn)程，由第一步開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，功能實(shí)施之后，若時(shí)間片沒(méi)有到來(lái)，則掛起當(dāng)前進(jìn)程，這個(gè)時(shí)候，系統(tǒng)為空閑狀況;若時(shí)間片到來(lái)，進(jìn)程還處于第一階段或第二階段，則掛起進(jìn)程，復(fù)位下一進(jìn)程，實(shí)施下一環(huán)節(jié)進(jìn)程。

（2）各階段數(shù)據(jù)通信。對(duì)于數(shù)據(jù)通信來(lái)講，屬于單向的。計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)利用到兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)，即輸入以及預(yù)存取階段，在結(jié)束計(jì)算之后，基于I/O階段，進(jìn)一步對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行輸出。通過(guò)借助緩沖池的作用，達(dá)到數(shù)據(jù)交互的目的，把數(shù)據(jù)放進(jìn)緩沖池內(nèi);當(dāng)處于計(jì)算環(huán)節(jié)，可以基于緩沖池，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到計(jì)算的目的;當(dāng)處于結(jié)果存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，也是借助于緩沖池，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以記錄于存儲(chǔ)介質(zhì);同樣在處于輸出階段，也基于緩沖池獲得有關(guān)數(shù)據(jù)，借助設(shè)備輸出。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證及探析

為對(duì)架構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)置了測(cè)試用例，依次在兩種軟件架構(gòu)中運(yùn)轉(zhuǎn)，全面比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行理論分析，進(jìn)一步來(lái)表明架構(gòu)的有效性以及穩(wěn)定性。

（1）測(cè)試用例設(shè)計(jì)。建立兩個(gè)任務(wù)，用A、B來(lái)表示。對(duì)于第一個(gè)任務(wù)來(lái)講，其周期是25 ms，對(duì)RS422數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并記錄于文件系統(tǒng)，通過(guò)一定的格式轉(zhuǎn)換之后，記錄于電子盤(pán)，完成計(jì)算的同時(shí)保存結(jié)果，接下來(lái)，由FC總線來(lái)輸出;對(duì)于第一個(gè)任務(wù)（即B任務(wù)）來(lái)講，周期也是25 ms，對(duì)NBI數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并記錄于文件系統(tǒng)，通過(guò)一定的格式轉(zhuǎn)換之后，記錄于電子盤(pán)，接下來(lái)，也借助FC總線來(lái)輸出。在持續(xù)時(shí)間這一方面，A任務(wù)的為18 ms，B任務(wù)的為7 ms。對(duì)于外部設(shè)備來(lái)講，其輸入周期是25 ms[4]。間隔時(shí)間是1 ms，階段分配時(shí)間片見(jiàn)表1。針對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采取以下的方法來(lái)開(kāi)展統(tǒng)計(jì)以及分析。①借助系統(tǒng)中的TimeBase，來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試：當(dāng)處于起始的地方，通過(guò)TimeBase來(lái)對(duì)間隔時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，與此同時(shí)，對(duì)誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。②借助FC設(shè)備，進(jìn)一步來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試：利用FC監(jiān)控設(shè)備，進(jìn)一步來(lái)對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行監(jiān)控，與此同時(shí)，針對(duì)于間隔時(shí)間以及周期，對(duì)兩者的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（2）測(cè)試結(jié)果。①TimeBase測(cè)試數(shù)據(jù)。針對(duì)于測(cè)試用例，依次在兩種軟件架構(gòu)中，運(yùn)轉(zhuǎn)一萬(wàn)個(gè)周期，借助TimeBase對(duì)B任務(wù)間隔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。誤差介于0至正負(fù)1 ms，對(duì)于以往程序架構(gòu)來(lái)講，大約達(dá)到68%，而對(duì)于時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)而言，可以達(dá)到100%。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，相比之下，時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)有著較好的可靠性。②FC總線測(cè)試數(shù)據(jù)。針對(duì)于測(cè)試用例，依次在兩種軟件架構(gòu)中，運(yùn)轉(zhuǎn)一萬(wàn)個(gè)周期，通過(guò)借助FC監(jiān)控設(shè)備，來(lái)對(duì)A任務(wù)間隔時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。誤差介于0至正負(fù)1 ms，對(duì)于以往程序架構(gòu)來(lái)講，大約達(dá)到67%，而對(duì)于時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)而言，可以達(dá)到100%[5]。結(jié)合試實(shí)數(shù)據(jù)可以得知，相比之下，時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)有著較好的穩(wěn)定性。

（3）分析以及結(jié)論。把這兩種軟件架構(gòu)分析比較，根據(jù)理論分析，再加上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的探究，能夠獲取下述的結(jié)論。根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，基于0 ms至正負(fù)1 ms的范圍，以往軟件架構(gòu)誤差大概達(dá)到67%，相比之下，時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)可以達(dá)到100%。當(dāng)調(diào)度器中斷時(shí)，因?yàn)闀r(shí)間間隔是1 ms，所以在誤差低于1 ms的情況下，時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)有著更為理想的穩(wěn)定性。結(jié)合時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)來(lái)分析，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障之后，不會(huì)對(duì)下一環(huán)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響;相比之下，就以往軟件架構(gòu)而言，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障之后，會(huì)對(duì)下一環(huán)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響，致使故障進(jìn)一步蔓延。顯而易見(jiàn)，時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)有著更為理想的可靠性?；跁r(shí)間觸發(fā)架構(gòu)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解處理，以便能夠形成多個(gè)階段，與此同時(shí)，對(duì)于有關(guān)的開(kāi)發(fā)人員來(lái)講，需要充分把控任務(wù)實(shí)施所需時(shí)間，以對(duì)時(shí)間進(jìn)行科學(xué)的配置。相比之下，就以往軟件架構(gòu)而言，需要把控總的實(shí)施時(shí)間，不用對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)以往軟件架構(gòu)開(kāi)展分析，設(shè)置一種時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)。在任務(wù)調(diào)度這一方面，將vx-works操作系統(tǒng)作為平臺(tái)，設(shè)計(jì)可靠且穩(wěn)定的系統(tǒng)，以有效完成時(shí)間調(diào)度任務(wù)?；诤侠砬矣行У臏y(cè)試驗(yàn)證，再加上有關(guān)的理論分析，得出這樣的結(jié)論：與以往軟件架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，就時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)而言，其有著更為理想的可靠性以及穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 段海軍，郭勇，孫志穎，等.時(shí)間觸發(fā)航空電子系統(tǒng)的軟件架構(gòu)研究[J].航空計(jì)算技術(shù)，2021，51（2）：88-92.

[2] 汪帥，安一純.新型航空電子系統(tǒng)總線互連技術(shù)發(fā)展探討[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2019，4（5）：102-104.

[3] 馮冰清，任艷.基于時(shí)間觸發(fā)的航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)調(diào)度方法研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專(zhuān)業(yè)版），2019（2）：6-9.

[4] 張英靜，熊華鋼，劉志丹，等.可用于航空電子系統(tǒng)的時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)[J].電光與控制，2018，22（5）：49-53.

[5] 蔣社稷，盧海濤，史志釗，等.時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電光與控制，2017，22（5）：84-88.