VxWorks平台内核态ARINC653分区实时调度算法设计与实现

集成模块化航空电子架构(integrated modular avionic,IMA)已成为主流航空电子系统;ARINC 653作为航空电子设备IMA架构的标准应用接口,成为研究航空电子软件编程方法的入口;最新研究表明,VxWorks能够为航空电子分区管理提供最优化的平台;然而,基于VxWorks的ARINC 653高效分区调度算法依然是研究的“盲区”;由此,设计了VxWorks内核态分层ARINC 653分区实时调度算法,提高了分区调度效率,为VxWorks内核ARINC 653完整性的研究提供非常有价值的参考;实验数据说明,相较于传统用户态分区管理模型,该调度算法使分区释放开销和分区释放抖动两项指标均显著降低.     

IMA系统中基于时间调度表的优先级辅助分区调度机制研究

为弥补ARINC653调度机制存在的处理器时间资源浪费及为复杂IMA系统设计时间调度表时难度较大的不足,以ARINC653规范中定义的时间调度表分区调度机制为研究基础,对ARINC653规范中定义的时间调度表分区调度机制进行改进,以适应复杂综合模块化航空电子系统的要求,在不违反ARINC653规范的前提下,兼顾安全性原则,提出了基于时间调度表的优先级辅助分区调度机制,允许多个分区以优先级的方式抢占调度表中的空闲时间,提高了分区调度的灵活性,降低了设计分区调度时的难度。     

ARINC653实时任务可调度性验证方法

针对综合模块化航空电子系统(Integrated Modular Avionics,IMA)存在周期任务和非周期任务,以及任务间依赖关系,传统方法不能准确验证其实时任务可调度性的问题,本文提出了一种基于Stopwatch时间自动机的ARINC653实时任务可调度性验证方法,利用模型检验工具UPPAAL对IMA系统进行建模仿真,并结合统计模型检验(Statistical Model Checking,SMC)与符号模型检验(Symbolic Model Checking,MC)来验证其可调度性。实验结果表明,该方法不仅快速验证了IMA系统的可调度性,而且能够准确定位不可调度任务。     

综合模块化航空电子系统的可靠性设计

ASAAC软件体系结构侧重于整个系统的模块化、可扩展性,其节点使用普通操作系统导致系统可靠性不够。针对该问题,将符合ARINC653标准的高可靠性分区操作系统作为ASAAC软件体系结构的节点操作系统,设计新的ASAAC通用系统管理并将其植入ARINC653的核心软件层,使两者充分融合以提高综合模块化航空电子系统的可靠性。     

多核平台上针对seL4的分区机制研究

在航空电子等嵌入式领域中,多核时代已经来临,如何充分利用多核成为了现在系统领域的研究热点。同时由于系统集成度越来越高,一个硬件平台可能需要同时运行不同安全级别的任务,这就需要操作系统为应用提供隔离与保护。为了解决这两个问题,文中在目前只支持单核的seL4的基础上分别加入多核和分区隔离的支持,之后又提出多核和分区机制相结合的方案,实现了带分区机制的多核seL4。最终将其运行在qemu模拟器上,分区机制的实现符合ARINC653标准的语义。     

一种分区操作系统固化映像启动配置策略

符合ARINC653标准的分区操作系统被广泛使用在航空电子系统中,分区操作系统的资源都需要提前通过静态配置表配置好,设计了一种适合分区操作系统固化映像启动配置策略,同时结合多核硬件的使用场景分析了多核下固化映像的启动考虑要点,从而能够满足符合标准的分区操作系统在多核平台下的启动配置策略.     

基于动态任务调度的STDS算法设计研究

任务调度是计算机多核处理器系统获得高性能的关键,而现有的多核任务调度算法研究,大多侧重于静态调度下的算法优化和负载均衡,对动态调度及动态负载均衡研究较少。针对动态调度,并结合异构多核的特点,提出一种基于核负载均衡的动态任务调度算法STDS。算法通过合理设定调度粒度,降低调度频率,从而减少调度消耗时间;根据异构多核处理器各核处理性能的差异,设置内核负载上下限值,控制内核负载保持在同一水平,以达到负载均衡效果。算法依据等待时间长短、任务间通信大小和内核负载轻重因素对任务进行实时调度,并可通过实时因子、负载因子等参数设置3种因素的影响比重,以满足系统的不同需求。仿真实验显示,在内核数目较多的系统中,STDS算法更加高效,在保证任务处理速度的同时有较好负载均衡。     

安全关键系统的蓝图设计与生成

安全关键系统是指系统功能一旦失效将引起生命、财产等重大损失以及环境可能遭到严重破坏的系统.航空电子系统就是一个典型的安全关键系统,最新航空电子系统的目标是综合模块化航空电子IMA系统.为保证IMA系统的安全可靠,必须做到系统运行可确定、故障可自愈、以及可以处理IMA综合化所带来的问题.该问题的解决方法是在系统设计阶段用"蓝图"来描述系统.针对国内航电系统的实际需求,设计并实现面向安全关键系统的蓝图,介绍华东计算技术研究所自主研发的高可靠实时嵌入式操作系统ReWorks653、开发平台ReDe653及其蓝图的实现.     

ARINC653分区调度算法的研究与改进

基于ARINC653标准的嵌入式实时操作系统对实时性的要求很高。为此,针对ARINC653分区调度算法中存在的空闲时间问题,提出一种改进的分区调度模型,采用优先级位图算法和二级调度机制设计空闲时间分区共享调度算法。理论分析表明,该算法能够缩短任务的平均响应时间。     

面向IMA的实时操作系统的安全机制

当前新一代航空电子呈现出向综合模块化方向发展的趋势。这一变化对航电设备中使用的机载实时操作系统提出了新的要求。机载实时操作系统需要将各类机载软件融合到同一个CPU上,实现综合化;同时又要保证各类机载软件独立运行,不相互影响,实现模块化。这就需要操作系统改变管理软硬件资源的机制,支持对于各类机载软件实施分区调度,并保证分区的独立与安全。ARINC 653标准介绍了分区的概念,对面向综合模块化航空电子设备(IMA)的实时操作系统的安全机制提出了具体要求。     

综合模块化航电软件系统测试方法研究综述

现代飞行器系统中开始广泛采用综合模块化航电IMA(Integrated Modular Avionics)体系架构,IMA中软件系统的高质量要求对传统的航电软件测试方法提出了新的挑战。对目前基于ARINC653的IMA软件的系统级测试中的基本测试方法进行了综述分析,主要内容包括:首先给出了基于ARINC653的IMA体系结构描述,并对其架构中最重要的系统可配置性进行了分析;然后阐述了总的系统测试策略,以及不同级别的IMA软件系统测试过程;最后简要说明了IMA系统测试环境的通用要求。     

基于IMA平台的嵌入式软件设计模型仿真及实时性分析方法

如何确保机载软件满足其实时性需求一直是一个引人关注的研究问题。根据工业界的报告结果,缺陷发现得越早,用于修复缺陷以提高机载软件不超时的可能性的代价就越小。对于运行在由ARINC653标准所描述的综合模块化航电系统(IMA)上的机载软件可采用以下方法:将机载软件的设计模型(UML模型)转化成仿真模型(Simulink模型),通过在Simulink平台上运行仿真模型来发现潜在的实时性问题。由于机载软件可能与IMA平台之间具有大量的交互(例如接口层和操作系统层)用来申请使用资源或者与其它的应用程序进行通讯,因此设计了一个仿真内核来仿真IMA平台的行为。最后,使用一个工业案例来论证上述方法的有效性。     

基于分区的航电系统调度分析工具实现

针对仅含纯周期任务集合、符合ARINC653多分区构架航电系统两级调度模型的可调度性判定问题,提出一种基于分区的航电系统调度分析工具。通过设定时钟变量模拟航电系统各分区中任务集调度过程,依据纯周期任务集及分区航电系统时间片分派特性确定仿真区间,设计优化的调度分析算法,判定航电系统分区级时间片分派的正确性及各分区中任务集的可调度性。测试及实例分析结果表明,该工具能自动、准确、快速地判定航电系统分区以及任务级调度模型的可调度性,并能以甘特图的方式绘制系统调度过程,较现有工具更为直观、高效。     

民机航电系统综合核心处理机平台软件技术研究

针对大型民用客机综合模块化航电核心处理机驻留功能应用数量多、安全级别不同、需独立认证等特点,提出了一种基于ARINC653规范的平台软件架构,设计并实现了平台软件,包括平台基础软件和10项平台驻留应用,研究了相关关键技术,为国产大型民用客机综合模块化航电系统的研制提供了技术支撑。     

同步语言Signal在综合航电系统建模仿真中的应用

为了辅助航空电子系统进行综合设计,提出了用Signal语言对新一代综合航电系统进行建模仿真和性能评估的方法。Signal语言是一种同步语言,它通过时钟推理机制来反映复杂系统的确定性、安全性、有界性等问题,能够直观地表示系统元素之间的约束关系及特性,通过构造同步实时评估模型来反映系统的实时性。基于ARINC653标准,对新一代模块化综合航电系统进行了建模仿真。     

基于ICP的机载FC网络性能评测

综合核心处理机(ICP)作为航空电子系统的核心处理单元,其网络性能直接影响整个航空电子系统的综合性能.为了改进ICP软硬件设计,提高ICP系统的整体性能,解决分布式计算机系统通信效率问题,针对某型飞机ICP的统一FC网络的性能展开测评,在确定了平均传输率和平均传输时延的前提下,搭建测试环境,在单接口测试的基础上提出了广播式传输测试和有负载的多对并发测试,采用优先级队列调度和加权轮询调度算法相结合的调度算法.通过在拓扑模型上进行实验,模拟ICP工作环境下FC网络的性能,并对测试结果进行了分析,给出了ICP互联网络综合评价方法,为IMA航空电子系统的整体性能改进提供了帮助.     

面向综合模块化航电系统的驻留应用开发平台设计

综合模块化航电系统采用时间和空间分区技术隔离不同的应用程序,驻留在分区中应用程序的开发依赖于符合ARINC 653及相关接口和通信规范的开发平台。通过移植传统操作系统的板级支持包和开发驱动程序,使得商业单板计算机C2K支持符合ARINC 653规范的VxWorks 653分区操作系统并提供AFDX网络接口,首次实现了基于商业单板计算机C2K的驻留应用开发平台,其主要功能和性能与目前主流的大型客机综合模块化航电系统相当,可用来支持驻留应用的开发和调试,大幅度降低了成本。