IMA通信系统中的层次化软件架构研究及改进

陈朋瑞，李雪源，叶上华

（中国航空工业集团 西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068）

0 引 言

综合航电处理平台（Intergrated Modular Arionics，IMA）是飞机上的1个分布式实时通信网络，包含多个计算处理模块及接口，每个计算模块都能驻留多个不同安全级别的应用程序，不同类型的数据均可接入IMA通信网络[1]。

其中，通用处理模块（General Processing Module，GPM）提供IMA平台所需的基础功能，支持数据传输、数据处理和数据转换等数据通信功能。GPM允许分区应用驻留并运行，并且提供基础服务。交换机，包括内置交换机（ARINC 664 Cabinet Switch，ACS）和远程交换机（ARINC 664 Remote Switch，ARS），提供IMA通信网络中各设备之间的数据传输功能。远程数据接口单元（Remote Data Interface Unit，RDIU）提供IMA通信网络中的数据转换功能。传感器等非IMA平台设备产生不同的数据，RDIU可将这些信号转换为ARINC 664数据

1 IMA通信系统层次化软件架构

随着科技的发展，经历了相对传统的独立式、联合式IMA系统，IMA通信系统已经发展至高度模块化和综合化[2]。主要体现在以下4点：一是设备大部分为外场可更换模块，二是生命周期成本降低，任务执行能力提高；三是对健壮性、实时性的要求更高；四是系统健康诊断能力提高，系统容错能力提高。

对于IMA通信系统中的软件结构，可将分层的软件架构理念应用于IMA通信系统上。在层次化的软件架构里，为了保证每层之间的独立性，每层之间利用标准接口进行层次间的通信。

IMA通信系统的软件架构自上而下由应用层（Application Layer，AL）、操作系统层（Operation System Layer，OSL）和模块支持层（Module Support Layer，MSL）组成，每一层的具体说明如下。

1.1 应用层

应用层位于IMA通信系统软件架构中的最顶层，包含与飞机相关且与硬件无关的各种应用软件[3]。软件分为两种：功能应用软件，用于完成各项任务的软件；应用管理软件，用于实现任务管理的基础服务软件。在应用层中，每个应用程序都被设计用来完成通信过程中的不同任务，对于每个功能应用程序，需从整体功能实现上进行规划，同时要兼顾通信网络接口、时间要求、处理要求等。

1.2 操作系统层

IMA通信系统软件架构的中间层为操作系统层，支持应用软件的运行并提供管理系统。操作系统为软件层中应用程序的功能执行提供平台，按照重要顺序及优先级调度和切换各个分区中的应用软件，并且支持完成软件间的通信。操作系统层的功能可分为两类：一是实时资源管理，支持软件应用实时执行并提供相应的资源管理；二是通用系统管理，适用于所有层次的资源管理，并提供健康监控、构型管理、故障管理以及安全管理等功能。

1.3 模块支持层

IMA通信系统软件架构中的最底层为模块支持层，是软件和硬件之间的桥梁，主要作用是内存管理及处理设备的访问。当操作系统层在执行任务时，模块支持层执行底层资源的存取操作，并为操作系统层提供底层资源访问接口。通用模块由软件与硬件组成，硬件部分包括硬件逻辑、软件通信接口等，模块支持层则为其软件部分，二者一起提供了逻辑通信接口和模块的硬件处理功能。

1.4 各层软件之间的标准通信接口

应用层/操作系统层（Application layer/Operating system layer，APOS）是应用层与操作系统层之间的通信接口。这一接口将与飞机有关系的应用软件和与飞机没有关系的应用软件分离，其给应用层提供了1种与操作系统无关的标准化接口。

模块支持层/操作系统层（Module support layer/Operating system layer，MOS）是模块支持层与操作系统层之间的通信接口。这一接口将操作系统层与硬件有关系的软件分离，为操作系统提供了1种与硬件无关的接口。

2 改进的操作系统层结构

为了增加IMA通信系统软件结构的可升级性，使网络通信更加实时高效，对操作系统层进行改进。操作系统层改进划分为核心操作系统、分区操作系统和可配置组件。其中，核心操作系统主要负责整个分区的资源调度、资源管理和资源分配等。分区操作系统主要管理所属分区内部的资源，同时管理分区内的进程调度。可配置组件是使用者可以配置的，用于对所需要的功能进行扩充。改进的IMA通信系统层次化软件架构如图1所示。

图1 改进的IMA通信系统层次化软件架构

（1）分区操作系统。分区操作系统存在于每一个应用分区内，每个应用分区的调度顺序由核心操作系统管理，当分区被调用运行时，当前分区的分区操作系统执行任务。分区之间隔离开来，分区操作系统之间的资源不会相互影响。分区操作系统管理着分区内的资源、调度进程，包括分区的进程管理、存储管理、时间管理等。

（2）核心操作系统。核心操作系统对所有分区资源及通信进行管理，不仅管理单个平台的资源，还管理存储和信号；核心操作系统将应用隔离到不同的分区中，通过调度表配置每个应用分区的执行顺序和执行时间；核心操作系统管理着平台内所有资源，可执行多种功能，通过管理，要确保在分区切换后，分区内所需的所有资源可用；操作系统通过配置通信通道，可以支持分区间或者分区域输入输出（Input/Output，I/O）设备的通信。

（3）可配置组件。通过可配置组件，操作系统可以对功能组件进行扩展，包括Bit管理、文件系统管理、运行时库支持和调试以及通信代理。

改进的操作系统层结构如图2所示。

图2 改进的操作系统层结构

3 软件架构与IMA通信系统的关系

3.1 硬件模块加载软件映射

具有IMA通信系统层次化软件架构的应用在运行时会加载映射至硬件模块。每个模块包括执行不同功能的任务处理单元，如模块支持单元、数据处理单元、路由单元、电源供给单元以及网络接口单元[4]。在模块初始化时，层次化软件架构将加载至数据处理单元。

数据处理单元中包含若干个微处理器，是由多个微处理器组成的数据处理系统。其中，电源供给单元主要对设备进行供电。信号处理单元包括信号处理单元和图像处理单元[5]。

3.2 层次化软件架构与IMA通信系统的关系

软件架构与整个IMA通信系统的关系如图3所示。由图3可以看出，通用处理模块（General Processing Module，GPM）、远程数据接口单元（Remote Data Interface Unit，RDIU）、交换机及网络构成了整个IMA通信系统，具有改进的层次化软件架构的应用驻留于GPM上，用于处理飞机的各类数据。交换机、

图3 层次化软件架构与IMA通信系统的关系

RDIU和通信网络用于数据传输。

4 结 论

IMA通信系统由GPM、RDIU、交换机及网络组成。GPM模块是IMA中主要进行通信网络各类数据处理的模块，为使通信更加高效，驻留于GPM上的应用使用层次化的软件架构，包括应用层、操作系统层和模块支持层。通过对软件架构中操作系统层做进一步改进，将其细分为核心操作系统、分区操作系统和可配置组件，使得软件的可升级性增强，模块之间的通信更具逻辑性。