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大型民机IMA系统的应用论文1IMA系统的基本概念IMA系统是指飞机上的一个分布式实时计算机网络,该网络包含若干个计算模块,且每个计算模块能够运行多个不同安全关键级别的应用程序。IMA的核心理念是硬件共享,即多个应用程序共享同一个处理单元,这样就能减少处理器、配线、I/O的成本,此外,还能减小航空电子系统的重量、体积、能耗等[5]。2IMA系统结构一个IMA系统由4个部分构成:机柜(Cabinet)、全局数据总线、与全局数据总线兼容的设备和远端数据集中器(RemoteDataConcentrator,RDC)[8]。IMA系统结构如图1所示。机柜用来提供计算资源,并为其中的应用程序提供必要的接口。机柜由3个部分构成:机柜框架、背板和功能模块[8]。其中,机柜框架为机柜内部的功能模块提供了机械和电气环境。背板为功能模块和外部航电设备提供接口,背板分为3个区域:第一个区域是飞机配线和背板之间的接口;第二个区域为背板总线,用于功能模块之间的信息传递;第三个区域用于电能分配。IMA系统中的功能模块应该被设计成外场可更换模块(LineReplaceableModule,LRM),按照功能可分为多种不同的类型,例如核心处理器、标准I/O、特殊I/O、电能供给模块、总线桥、网关、块存储器等。全局数据总线用于机柜、RDC以及总线上的其他挂载设备之间的通信。ARINCReport651中指明ARINC629为全局数据总线,实际上,IMA系统中的全局数据总线不限于ARINC629总线,例如,波音787和空客A380采用的全局数据总线是符合AR-INC664标准的航空电子全双工交换式以太网(AvionicsFullDuplexSwitchedEthernet,AFDX)。机柜之外的设备,按照与全局数据总线是否兼容可分为两类。如果与全局数据总线兼容,则可以直接接入全局数据总线,与总线上挂载的机柜和其他设备通信。如果与全局数据总线不兼容,则需要先与RDC连接,然后通过RDC接入全局数据总线。RDC可以为许多简单设备服务,其作为数据输入设备时,将数据从模拟、离散或者其他格式转换为与全局数据总线兼容的格式;当其作为一种输出设备时,将全局数据总线传输的数据转换为模拟、离散或者其他格式[8]。RDC还负责管理与之相连的简单设备的健康状态。3IMA系统的特点相对传统的独立式、联合式航空电子系统,IMA系统具有以下特点:(1)对硬件设备进行综合,包括网络、模块和I/O设备;(2)采用分层体系结构,利用标准的编程接口使硬件与应用软件彼此独立;(3)采用分区操作系统来管理同一模块中的多个应用程序,操作系统必须采取保护机制来确保同一硬件模块中的多个应用程序之间不会相互影响,并且能以适当的调度策略对多个不同的应用程序进行调度;(4)模块上的应用程序能够进行静态重构(飞机未使用时)或动态重构(飞机处于飞行阶段时)。大型民用飞机IMA系统典型应用1波音7771995年,波音公司正式推出波音777飞机。Honeywell公司为其提供了飞机信息管理系统(AIMS),该系统采用了综合模块化结构,是IMA系统在商用飞机中的第一个应用实例[1]。AIMS为飞机中的7个子系统提供数据处理能力,包括主显示系统(PDS)、中央维护计算系统(CMCS)、飞机状态监控系统(ACMS)、飞行数据记录器系统(FDRS)、数据通信管理系统(DCMS)、飞行管理计算机系统(FM-CS)和推理管理计算机系统(TMCS),其余子系统仍然采用传统的联合式结构[9]。AIMS安装于两个机柜之中,并通过ARINC629总线、ARINC429总线以及离散I/O通道与飞机其他系统相连接。每个机柜内安插了8个外场可更换模块(LRM),包括4个核心处理模块(CoreProcessorModule,CPM)和4个输入输出模块(InputOutputModule,IOM),此外,考虑到未来功能扩展的需要,还预留了1个CPM和2个IOM的插槽[2]。CPM负责AIMS中各种功能的运算,共有4种类型:CPM/COMM(中央处理/通信模块)、CPM/ACMF(中央处理/飞行状态监控功能模块)、CPM/BASIC(中央处理/基本模块)和CPM/GG(中央处理/图像产生器模块)[10]。所有IOM具有相同的硬件和软件,它们负责传送CPM中的数据到其他机载系统,并从其他机载系统接收传送至CPM的数据。在机柜内部,模块之间的信息传递由高速背板总线SAFEbus提供,这种总线标准之后被发展为ARINC659标准[11]。AIMS机柜的结构如图2所示[12]。每个CPM中均部署了多个不同关键级别应用程序,如表1所示[9]。为了能够对不同关键级别的应用程序进行独立的认证,并且使不同的应用程序之间不相互破坏数据,Honeywell公司开发了Ape