综合模块化航电（IMA）系统设计方法研究

高凌岚　杜晓鹏

摘 要：IMA系统是民用大型客机航电系统架构设计的核心，它能够为综合化航电、非航电系统提供运算、通信以及输入输出（I/O）资源。该文对IMA平台架构进行了分析，并针对分布式IMA平台设计方法进行了研究，希望对IMA系统设计有指导意义。

关键词：处理机柜 通用处理模块 综合模块化航电

中图分类号：V24.3 文献标识码：A 文章编号：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系统是民用大型客机航电系统架构设计的核心，它能够为综合化航电、非航电子系统提供运算、通信以及输入输出（I/O）资源。IMA能够为各种驻留软件提供一个开放的资源平台，它们遵循统一的行业规范标准，这些重要的开放标准主要包括ARINC653、ARINC664、ARINC665、ARINC429以及ARINC825等。

IMA的开放式架构设计在很大程度上降低了LRU的数量，这样就使飞机在重量、能耗以及成本上有了很大的节省，同时增加了系统的可靠度。IMA平台为驻留在它上面的实时嵌入式系统提够运算、数据传输，以及数据I/O接口的功能。各种驻留系统分别集成在不同的分区操纵系统下，分别占用独立的IMA处理资源，从而互相之间不会影响。IMA平台为高度集成的实时系统提供所必需的核心资源框架。IMA平台中的各种模块为关键的驻留功能提供了一种高度集成，容错的运行环境。

1 IMA平台架构分析

1.1 单LRU形式的IMA架构

该架构的关键特性是：

（1）驻留多个应用，执行不同飞机功能；

（2）提供分区功能；

（3）在LRU中共享处理、存储器和I/O，以及共享网络；

（4）平台的配置数据和数据加载；

（5）在平台和驻留应用之间定义的应用程序接口（API）。

1.2 分布式的IMA平台

该架构是一种为实时应用提供服务，具有容错性和分布式的平台。其工作原理基于通信网络资源的鲁棒性分区。这种平台基于一种严格时分多模访问（TDMA）模式，既能在LRU之间提供鲁棒性分区，也能在LRM之间（在机柜内的背板总线上）提供相应分区。即使在任何应用内部或通信网络自身出现软件或硬件单点故障的情况下，这种平台也能给驻留应用提供鲁棒性分区的通信服务。

分布式架构体现的IMA关键特性有：

（1）资源的共享，鲁棒性分区；

（2）驻留多个应用；

（3）平台与应用之间的API接口；

（4）平台配置数据；

（5）故障管理，健康监控。

2 分布式IMA平台设计

2.1 硬件设计

IMA通用处理平台由互为备份的两个处理机柜（Computing Resource Cabinet）构成。每个CRC的处理资源由安装在其内部的多个通用处理模块（GPM）提供。每个GPM都是一个独立的处理模块，并采用Vxworks 653作为GPM的驻留操作系统，在这种结构下可以使多种不同的应用同时驻留在处理模块的实时分区操作系统上，操作系统为不同驻留应用提供必要的基础类的服务，以满足IMA通用处理平台的应用需求。每台CRC内置的2个数字交换模块（ACS）为处理机柜中的系统处理模块（GPM）提供双余度、全双工、符合ARINC664 p7总线要求的数据交换功能。CRC为整个IMA通用处理平台提供主要的数据处理资源和信息交换资源。两个CRC机柜之间通过100 M全双工、双余度ARINC664总线实现数据的交换。CRC在正常工作状态，无需人为介入。

IMA采用开放式架构设计，为降低CRC机架中LRM的种类，同时为保证整个CRC工作的可靠性，对整个机架的供电电源和LRM间网络通信链路采用双余度设计。在CRC内部，两块PCM独立工作互为备份，任何一块PCM均有能力独立承担整个机架内用电设备的供电需求。在其中一块PCM停止工作时，由另外一块PCM承担起全部负载，且在整个切换过程对系统工作无影响。机架中的6块GPM都是独立的处理模块，可以有多种不同的应用同时驻留在处理模块的实时分区操作系统上，操作系统为不同驻留应用提供必要的基础类的服务。IMA内部网络系统采用全双工、双余度、符合ARINC664 p7规范要求的星型网络结构，满足机架中各端系统（GPM模块）之间和机架外各端系统进行数据交换的需要[1]。

2.2 软件设计

IMA系统通用处理平台仿真件软件主要由应用软件、系统软件及集成开发环境3部分组成，其软件组成结构图如图1所示[2]。

驻留应用软件：面向综合航电系统各种功能操作的应用的软件，软件范围可以包含飞行管理软件（FMS），综合显示功能软件，维护管理软件（CMS）等。

系统软件：为综合模块化航电系统（IMA）平台提供管理、运行软件平台，可以包括模块操作系统（MOS）、系统共享库（SSL）、基础应用软件等。

软件集成开发环境：包括基本集成开发环境和专用开发工具。集成开发环境为应用软件研制人员使用的应用程序的开发和调试环境。专用开发工具包括数据加卸载工具和IMA系统资源配置分析工具。

IMA系统通用处理平台试验仿真件软件设计具备如下特性。

（1）采用分层结构，保持各层的相对独立性，为各层独立发展提供可能，可有效提高系统的可移植性、可靠性和降低系统升级费用，包括开发、综合和测试的成本；

（2）应用软件层和操作系统层间的接口标准化，确保软件系统的开放性，保证各层的适用性和可移植性；

（3）各层软件采用模块化设计，有利于系统各层的可配置和可扩展能力；

（4）应用任务的占用时间和访问空间进行静态配置，确保系统的实时性、确定性和可预知性；

（5）操作系统实现时间和空间的分区管理，使各应用任务间实现时间和空间隔离，实现对故障的隔离，有效防止故障在系统中蔓延，大大得提高了系统的可靠性；

（6）系统资源的静态配置的动态管理能力，支持综合核心处理区的系统重构。

因此该系统软件架构采用三层架构，即将整个软件系统分为只依赖于具体硬件的模块支持层、与应用和硬件完全独立的操作系统层和只依赖于具体应用的应用层[3]。

随着综合化航电系统功能强大，机载数据处理平台的软件规模日益强大和复杂，从而对系统可靠性和安全性影响也越来越大，为此IMA系统通用处理平台系统软件设计基于分区管理、隔离保护及资源共享技术，实现多处理机、多任务的调度管理，并保持对应用的透明性。

3 结语

该文首先对IMA系统的架构进行了分析，选取了分布式IMA平台架构作为研究对象，对IMA平台的硬件设计和软件设计做出了研究，得到了可行的IMA平台软硬件设计方法，在指导IMA系统设计上有借鉴意义。

参考文献

[1] 郑澜，王运盛.适用于民机IMA的通用机载软件开发平台[J].电讯技术，2012（6）：1027-1030.

[2] 褚文奎，张凤鸣，樊晓光.综合模块化航空电子系统软件体系结构综述[J].航空学报.2009（10）：1912-1917.

[3] 徐显亮，张凤鸣，褚文奎.一种以安全性为中心的IMA软件体系结构设计方法[J].计算机科学，2012（3）：128-130.