机载计算机系统课程内容整合及实践研究

彭寒 曹国震 王晓银

摘要：为了培养面向航空产业的计算机人才，使学生具备解决机载系统领域的计算机软件和硬件方面的问题的能力，本文将航空领域知识与计算机专业知识有机结合，采用跨学科的方法对机载计算机技术的理论和实践教学开展了有益的研究，设计了机载计算机系统课程的理论教学和实践内容。

关键词：机载计算机技术；课程内容整合；跨学科方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）41-0145-02

一、引言

航空科技是我国当前及未来的重要发展方向，我国通用航空投资将持续保持迅速的增长趋势，通用航空产能将更加快速地集聚。机载计算机系统作为当前各种民用及軍用飞机的控制中心和核心系统，其重要性日益提升，开发和研制成本愈加高昂。随着机载计算机系统及机载软件向着更大规模发展，机载计算机系统知识必将成为航空类高校的必修课程，机载计算机专业人才也将成为当前航空企业及院所的紧缺资源。针对这一趋势，国内机载计算机系统方面的专家和学者在本学科的理论材料收集和整理方面做了很多的前期工作，如2013年，中航工业西安航空计算技术研究所编写出版了《机载计算机技术》，明确地将机载计算机从航空电子系统中分离出来，成为一门独立的学科。而西北工业大学计算机学院则于2014年开设了《机载软件开发导论》课程，重点介绍当前国内外最先进的软件开发技术在机载系统软件开发中的应用。然而，当前机载计算机系统课程建设还存在以下问题：

1.在机载计算机系统课程建设方面，所讲授的专业及课程仅限于航空电子系统方向、机载电子设备方向，缺乏系统讲授机载计算机体系结构、机载操作系统以及机载总线技术的课程。

2.在教材方面，缺乏完整地、深入地讲解机载计算机系统的教学用书。目前出版的教材很少从计算机科学的视角来研究机载计算机系统，没有将机载计算机系统视为一个信息处理系统。某些高水平的著作，由于内容过于庞杂，理论性较强，也不适合作为本科生的教材。

3.在教师队伍方面，缺乏机载计算机方向的教学团队。机载计算机系统这门学科是以计算机专业知识为主，综合了微电子技术、通信技术等学科知识的交叉学科；主要研究高性能、高可靠性、强实时的安全关键系统，因此本学科的教师不仅要具备扎实的计算机理论基础，还需要广泛了解航空领域的相关知识。

二、机载计算机系统课程理论教学内容设计

1.教学内容总体设计。机载计算机系统课程理论教学内容的设计如图1所示。作为面向计算机专业的课程，其教学内容的设计必须与计算机专业基础课紧密结合。课程内容按照通用计算机课程的教学体系展开，并有所延伸。首先，在电路分析技术、数字电路、模拟电路以及计算机原理等课程的基础上，介绍机载计算机体系结构，着重介绍当前先进的综合模块化机载计算机体系结构；其次，在操作系统和嵌入式操作系统课程的基础上，引入机载操作系统的概念和原理，主要介绍当前国际通用的ARINC653规范的内容；再次，在计算机网络知识的基础上，安排机载总线技术，即机载网络技术的教学内容，重点介绍ARINC664总线规范、MIL-STD-1553B总线和ARINC429总线；然后，在软件工程课程的基础上，介绍机载应用程序开发技术，主要注重多任务、多线程的实时编程，其中穿插介绍了机载显示控制系统的开发及测试技术；最后，在数据库系统原理以及软件测试课程的基础上，安排机载计算机系统仿真测试系统。整个教学内容与计算机专业课程紧密衔接，逐层深入，形成一条平滑的学习曲线，降低了学习难度，提升了学习效率。

2.各章节教学内容设计。

第一章概述：简介机载计算机的基础知识。让学生理解机载计算机的定义、应用范围以及典型的机载计算机系统，明确机载计算机和通用计算机之间的区别和联系。

第二章机载计算机体系结构：简介机载计算机体系结构的发展历程，介绍机载计算机硬件系统的特征以及高可靠性、高安全性的要求，并简介当前国际国内通用的机载计算机硬件架构的标准和规范，为学生开展进一步的学习提供指南。

第三章机载操作系统：介绍机载操作系统的强实时性、可预测性、可调度性等特点，并以典型的机载实时操作系统VxWorks以及机载分区操作系统规范ARINC653为例，详述机载操作系统的架构和内核对象，为机载应用程序的开发提供基础。

第四章机载总线技术：介绍机载数据总线的作用和发展历程，并详细介绍当前航空数据网络标准ARINC664，ARINC429以及MIL-STD-1553B。对各种总线的物理特性、电器特性、传输特性以及应用协议进行讲解。让学生彻底理解机载网络的本质。

第五章机载应用程序开发：介绍机载应用程序的开发环境，并以典型的飞行管理系统和显示综合系统为例，介绍机载应用程序的原理和开发过程，为学生开发机载应用程序提供理论基础。

第六章机载计算机测试技术：详细介绍机载嵌入式软件测试技术以及数字化机载系统仿真测试环境的搭建方法。介绍了机载嵌入式软件测试与通用软件测试技术之间的区别和联系，并分类介绍各种测试方法；同时，介绍了机载硬件仿真、机载操作系统仿真、机载通信环境仿真以及数字化机载仿真测试平台等技术，为机载嵌入式软件测试提供测试平台。

三、机载计算机技术实践教学内容设计

实践教学的基础目标是让学生能够掌握机载操作系统的使用和系统级编程，学会基本机载计算机应用程序的开发和测试，高阶目标是让学生有能力搭建机载软件仿真测试系统。针对第三章至第五章，安排实验内容如下：

1.机载操作系统实验：安排了机载操作系统Vxworks命令学习实验、Vxworks系统编译烧录实验、Vxworks内核配置实验、机载操作系统仿真技术实验；主要培养学生实际使用、剪裁机载操作系统的能力，更加深入地理解操作系统的设计原理。

2.机载总线技术实验：安排了AFDX航空总线驱动程序编写实验、ARINC429总线驱动程序编写实验、机载通信系统仿真实验；重点培养学生的驱动程序编写能力，为实际开发机载总线程序提供基础。

3.机载应用程序开发实验：安排了导航程序开发实验、显示控制界面开发实验；培养学生在多任务、多线程环境中完成高可靠、强实时程序开发的能力。

4.机载计算机测试技术实验：安排了机载总线监控与测试实验、机载系统仿真环境搭建实验。培养学生的总体设计能力，提升其对大型仿真系统的认识和理解。

根据长期在机载计算机领域的开发经验，面向航空企业及院所的实际需求，设计了以上实验内容。力求让学生具备解决实际问题的能力，缩短就业培训时间。

四、结论

我国航空工业的飞速发展对机载计算机技术人员提出了迫切的需求，但当前国内鲜有将机载计算机系统作为本科课程来专门讲授的先例。本文把航空领域知识与计算机专业知识有机结合，形成机载计算机课程的内容，是航空类院校开展面向领域的计算机专业人才培养的一次有益探索。当然，机载计算机技术是一个不断发展的交叉学科，因此本文的研究还有待于继续深入和完善。

参考文献：

[1]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，2009，30（10）：1912-1917.

[2]刘冬，聂同攀，王承惠.基于ARINC653标准机载电子设备健康监控体系设计[J].航空科学技术，2014，（6）：38-42.

[3]牛文生.机载计算机技术[M].北京：航空工业出版社，2013.

[4]冯晓旺，蓝海文.新一代航空航天总线技术[J].航空制造技术，2012，399（3）：98-99.

[5]汤小明，苏罗辉，宋科璞.飞行管理系统AADL建模与分析[J].计算机技术与发展，2010，20（3）：191-194.