ARINC 653分区实时系统的主时间框架设计

综合模块化航空电子系统中的ARINC 653标准规定系统采用分区内调度和分区间调度双层调度机制。根据标准,分区内的调度由分区设计者指定,分区之间则按照静态的主时间框架进行调度。如何基于多个分区应用设计用于分区间调度的主时间框架是系统集成阶段需要解决的问题。首先利用可调度分析导出了分区的有界延迟模型参数,进一步将该参数转化为分区的调度参数用于分区间调度。然后进行分区间调度生成主时间框架,提出了最少窗口数目匹配-最佳匹配（MFBF）算法用于减少分区窗口的切换次数。提出的从分区参数推导到分区间调度流程能够基于若干分区应用生成ARINC 653系统的主时间框架。实验结果表明:时间窗口优化算法能有效减少分区窗口切换次数。      

航空电子双层任务分区调度设计

针对严格实时的航空电子分区调度问题,建立了操作系统采用轮转调度策略,分区里采用动态优先级调度策略的双层任务调度模型.针对可调度性分析问题,利用轮转调度周期和分区任务执行系数作为关键参数,在任务时间需求函数的基础上,计算系统消耗时间,得出了系统可调度性的判定定理;同时考察存在释放抖动的时候可调度情况,提出了可调度性的计算边界;通过考察任务周期和轮转调度长度的关系,得出了分区可调度情况下任务负载的理论上限.针对分区设计问题,通过考察关键时刻点,给出了分区调度关键参数的解析模型,在此基础上提出了分区可设计的判定定理,最后给出实例进行具体说明.      

航空电子环境下FC网络的建模与仿真

机载网络是航空电子系统的重要部分.从航电系统对数据传输的需求出发,研究了光纤通道(FC,Fibre Channel)网络复杂混合拓扑的建模与仿真.在协议分析的基础上,将不同拓扑结构的网络抽象成终端与交换机模型的组合,并分别建模.基于离散事件系统仿真方法构建了适合航空电子环境的FC网络仿真平台,并提供网络吞吐量、延迟和实时性等性能指标的评价方法.仿真结果与实测数据相对比,误差小于10％,验证了模型的有效性.使用仿真模型进行案例分析,对机载FC网络做出性能评价.      

航空电子WDM网络多信道强实时调度设计

对航空电子强实时网络,提出了一种广播选择型和波长路由型混合波分复用体系结构和其调度结构模型.针对航电多信道强实时消息,提出了多信道负载比例轮转调度方法,以消息的负载比例在多信道上分配权值.分析了子系统内部消息和子系统外部消息在体系结构中调度模式的不同,推导了经过单次调度的子系统内部消息和经多次调度的子系统外部消息的多信道强实时调度约束条件,从而满足了航电系统所有消息的端对端的实时传输.针对航电实际系统,从系统资源和稳定性等角度提出了关键性参数的设计优化方法.最后用一个航电消息集实例进行具体说明.     

航空电子WDM网络的实时性能分析

对航空电子波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)网络实时性评估问题,采用网络演算理论,提出了一种周期消息在WDM复杂虚拓扑上多跳端对端最大延迟的计算方法.建立了波长路由器WDM网络模型,分析了消息流端对端延迟的组成部分.针对网络演算理论下的WDM网络通信模型,推导了消息经单节点和多节点波长路由器的最大延迟的计算公式.并结合实际航空电子系统对公式进行了修正,解决了突发度过大的问题.最终得到最大延迟的紧密上限.最后在OPNET仿真环境下验证了计算分析方法的有效性.     

基于动态优先级的核心处理安全分区优化设计

在分区管理模型应用于航空电子核心处理系统的研究中,合理的分区参数设计是保障航空电子系统任务关键和安全关键的一个重要因素.在标准模型的基础上,建立了上层调度器采用动态优先级调度策略的分区管理模型;通过对处理器忙周期进行考察,提出了给定请求时间长度下分区最大抢占影响的计算算法,能从微观的角度解释动态优先级下原子时间抢占行为的影响;通过对分区内任务集的计算负载进行计算,并考虑到计算负载在分区最后一次执行时间内的请求执行时间长度带来的抢占影响,得到了下层调度器采用固定优先级和动态优先级策略下的分区安全设计方法;通过计算仿真评估,结果表明提出的安全分区设计方法比基于虚拟处理资源方法具有更优的设计结果.      

航空电子WDM光网络可靠性建模

为了构建先进综合化航空电子系统的统一网络,提出了基于WDM （Wave-length Division Multiplexing）光网络的航电骨干网与外接边缘网互连方式的航电统一网络,并采用多跳ShuffleNet网络作为航电光骨干网的模型.针对综合化航电网络的可靠性问题,建立了基于航电任务与任务路径的可靠性建模方法,给出了保证任务执行成功的可靠度计算公式.以ShuffleNet航电光骨干网作为建模实例,通过对航电任务可靠度的分析计算,得到了系统任务的执行时间、网络规模、任务路径的跳数对系统可靠度影响最大,而同等条件下光纤链路的复用波长数对任务可靠度影响不明显的结论.仿真结果显示,基于任务的可靠性建模与计算方法可以为航电系统的可靠性分析提供理论基础.     

航空电子高速交换式网络的服务质量保证方法

以保证航空电子高速交换式网络的实时性和高带宽为目的,提出光纤通道(FC,Fibre Channel)通信协议承载于波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)传输机制之上的架构.采用适用于实时交换的周期性数据流模型,提出了基于负载匹配的输出轮询(LOR,Load-matching Output Round)调度算法.该算法仅使用一次仲裁即可达到输入/输出的最大匹配(100%).给出LOR算法的核心代码,时间复杂度仅为O(1),易于在硬件中实现.最后通过将LOR算法嵌入到网络处理器中,注入时间敏感的负载流量,以服务质量特性(延迟、吞吐和超时消息数)为性能衡量指标进行实验,结果表明LOR算法在轻负载(30%)下,服务质量特性与经典算法(iSLIP, DRR, EDRR)基本持平;在重负载(70%)下,仅LOR算法能满足延迟的实时性要求,且LOR吞吐率高于经典算法近10个百分点,超时消息数比经典算法少了100个以上.      

网络分区中混合消息集传输模式的精确配置

针对分布式综合模块化航空电子网络分区方法,指出其对消息传输模式配置存在不确定性;通过形式化描述将问题转化为包括实时性约束、带宽约束、缓存约束的最优化问题;提出了基于遗传模拟退火的传输模式配置算法,以系统的消息端到端延迟均衡为优化目标.通过给出两个具体算例对算法有效性进行了验证,同时比较了本算法与传统遗传算法的性能.对比结果表明,本算法能够解决传输模式的配置问题,尽管计算时间较传统遗传算法高出18.1%,但所得到的适应度值高出28.7%.本算法为网络分区在实际航电系统中的应用提供了参考.     

航空电子AFDX与AVB传输实时性抗干扰对比

为满足未来航电系统音视频信息传输的需求,考虑车载嵌入式系统的候选实时多媒体网络AVB在航电环境中的应用,并对AVB与AFDX的传输进行了对比研究。首先构建AVB与AFDX标准对比;其次提出基于网络演算的AVB和AFDX端到端延迟计算方法;然后通过定义不同的消息传输场景,采用理论方法分析消息传输实时性的干扰要素;最后利用仿真方法予以验证。在典型1 000条虚拟链路的组网规模下,结果显示:AFDX高优先级流量的端到端延迟优于AVB,对于低优先级流量端到端延迟,则AVB和AFDX各有优劣;但受突发的流量影响,在增加50条各0.22 Mbit/s带宽的低优先级流量干扰情况下,高优先级流量平均端到端延迟的变化率在AVB中为0.25%,在AFDX中为0.38%;在增加50条各0.22 Mbit/s带宽的高优先级流量干扰情况下,低优先级流量平均端到端延迟的变化率在AVB中为5.17%,在AFDX中为10.25%。结果表明:时间敏感消息在AVB网络中传输实时性的抗干扰能力优于AFDX。     

航电系统SCI环型互连的可靠性建模研究

研究了SCI(可扩展一致性接口)环型互连的可靠性建模问题.结合SCI协议及航电系统ICD(接口控制文件)设计文件,提出了基于消息流的源-目的可靠度概念,建立SCI环型互连系统的可靠性模型,并针对3种环型拓扑进行了可靠性的建模分析,指出该可靠度指标对消息流的制定及航电系统任务的可靠度分配具有重要指导意义.      

虚拟化技术在综合化航电系统中的应用

将虚拟化技术应用于航空电子系统的设计,利用虚拟机系统来实现硬件资源的共享管理和软件子系统的划分,并符合ARINC 653规范的要求——模块化、可靠性、隔离性与开放性.构建由硬件平台、虚拟机监视器(VMM,Virtual Machine Monitor)和分区操作系统、航电应用软件所组成的3层软件架构,可以满足综合模块化航电系统(IMA,Integrated Modular Avionics)的功能要求与接口要求.其中,为实现符合ARINC 653要求的VMM,传统分区操作系统需要进行多项关键性调整,包括处理器特权级和特权指令、中断、内存地址空间分配、设备驱动等方面,从而可以构造基于VMM的综合化航空电子系统.     

保证速率的AFDX交换机实时调度算法

针对AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)网络关键技术——交换机实时调度算法,提出一种保证速率的优先级实时调度算法(PRTRG,Priority Real Time sched-uling algorithm based on Rate-Guaranteed),并运用网络演算理论分析了此调度算法的实时性.在AFDX网络典型配置下,与(FIFO,First In First Out)结果进行分析对比,证明PRTRG算法有效地减少了高优先级数据的端到端延迟上界,同时保证了低优先级数据端到端延迟的确定性,并且阻止了数据流拥塞的扩散,在交换机内部实现了流量隔离.     

基于知识集成模型的产品快速设计

为提升现有CAD(Computer-Aided Design)系统对设计知识的重用能力,提出 了设计知识的分层描述和集成建模方案,并给出了具体实施方法.将设计知识划分到构型层 、设计层和造型层3个抽象层次,基于UG(Unigraphics)平台的知识熔接语言(KFL,Knowl edge Fusion Language)和Open++实现了各层设计知识的描述与集成.构建了知识集成模型 的创建和重用支撑系统框架.作为应用实例,在UG平台上开发了专用减速器快速设计系统.