综合多任务高可靠容错计算机设计实现

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摘要:为了满足高性能飞行器安全可靠的需求，容错计算机因其有效的故障处理机制得到了广泛应用。然而，基于传统架构的容错技术由于硬件资源的不合理配置会导致计算机重量和体积的成倍增加。综合化的容错计算机使用ARINC659总线及相关软件进行故障检测、隔离，并将航电分系统和机电分系统综合管理和控制，从而有效解决了故障处理和硬件资源的优化问题，测试结果表明，计算机较好地完成了预期功能。

关键词:容错计算机;ARINC659总线;综合化;多任务

引言

随着飞行器应用日益广泛，功能不断增强，研制生产和使用维护成本不断提高，装载了昂贵任务设备的高性能飞行器有必要使用容错计算机［1］，从而提高电子设备的可靠性。而在航空领域，容错计算机主要的应用背景是飞行控制系统，它无论在商用飞机还是军用飞机上都得到了广泛应用。但是，基于容错计算机的冗余技术需要成倍的硬件资源，随着元器件数量的激增，维修难度和费用会大大增加，为了解决这一问题，传统的飞控系统需要向飞机管理系统发展，使多种功能综合起来，并置于整个系统的管理之下以节约硬件资源［2］。新一代综合化航空电子系统中，在线可更换模块(LRM)之间通过背板总线进行数据通信［3］。为满足航空电子系统可靠性、高故障容忍度、高完整性要求，Honeywell公司在其参与设计开发的波音777项目中，基于已有的工业背板总线定义了ARINC659总线，并被美国航空电子工程师协会(AEEC)采纳成为标准。

1ARINC659总线基本结构

ARINC659总线是基于时间触发架构的容错串行总线［4］，其双-双余度配置支持鲁棒的时间分区和空间分区，是综合化、模块化航空电子系统的关键技术。ARINC659总线作为一种背板数据通信协议，用于机架内LRM之间的数据发送和接收，具有高度的可靠性和故障容错性［5］，其体系结构和连接关系如图1所示。由图1，ARINC659总线上可以挂2个或多个LRM，每个LRM有2个总线接口单元BIUx和BIUy，每个BIU接收4路总线Ax、Ay、Bx、By的数据并进行解码［6］，然后进行交叉验证(Ax=Ay、Bx=By、Ax=By、Ay=Bx)，4个信号对用于差错检测，使得总线的容错优于传统的双-双余度，而复杂性小于传统的4余度。来自同一个BIU的数据具有物理相关性，因此不能比较来自于同一个BIU(Ax和Bx、Ay和By)的数据。ARINC659总线时间和空间的坚固性划分通过表驱动比例访问(TDPA)协议实现，总线时间被划分为一系列的窗口，每个窗口包含一个LRM，在安排给该窗口的时间里发送、接收和忽略总线。操作命令预先存储在表存储器里［7］，总线操作按照预定的时间命令表进行。表命令里定义了每一个窗口的长度、发送的LRM、接收的LRM、同步地址等信息，执行完一条命令后要插入时间间隙再去执行下一条命令，从而降低地址传输过程中的错误率。

2硬件架构设计

容错计算机用于飞行器航电/任务分系统和机电分系统的核心处理，主频不小于200MHz，通过GJB289A总线(单总线双余度)、RS422总线(12路输入，10路输出)、离散量(14路输入，4路输出)、模拟量(7路输入)等接口对航电、机电的各个设备进行管理和控制，具体的交联关系如图2所示。基于图2的交联关系以及可靠性、安全性的工作要求，容错计算机设计为双余度配置，二次电源转换模块、处理器模块、接口模块均为双余度，且双余度通道为主备工作方式，正常工作时由主通道输出，主通道故障时切换到备份通道输出，保证系统的一次故障工作要求。物理功能划分上，容错计算机内部包括3种标准模块:2块通用处理模块(CPM)、2块通用串行总线及接口模块(BIM)、1块电源模块(PSM)，CPM模块主要实现航电/任务管理功能、机电管理功能;BIM模块主要实现外部接口信号的采集、管理、输出控制;PSM模块由2个功能、物理上均独立的电源转换模块组成，用于向功能模块提供所需的输入电压;母板模块由功能模块信号连线区、系统信号接线区及挠性板组成，用于实现容错计算机与外部设备的接口连接、各功能模块之间的ARINC659总线通信，背板总线传输速率可达60Mb/s，具体的功能结构如图3所示。基于上述分析，设计的容错计算机通过共用总线、接口以及机箱来减少体积、重量，完成多任务综合管理功能的同时对双余度的硬件资源进行了合理配置。

3软件配置

容错计算机软件配合硬件完成航电分系统、机电分系统控制与管理的基本功能，根据硬件双余度结构和软件功能，将计算机软件划分为4个配置项:总线接口模块(BIM)软件、通用处理模块(CPM)系统软件、任务管理(MMS)软件、机电管理(UMS)软件，具体的软件配置接口关系如图4所示。其中，BIM软件和CPM系统软件的物理接口为659总线存储器，CPM系统软件选用VxWorks操作系统，并与MMS软件、UMS软件通过应用接口函数实现融合，容错计算机的软件功能与4个配置项的关系为:1)启动:完成系统初始化等功能，由BIM软件中的初始化功能、CPM系统软件中的初始化功能实现。2)接口管理:完成整个系统的输入输出，由BIM软件中的数据输入输出、GJB289A总线管理、659总线接收发送功能和CPM系统软件中的数据输入输出功能实现，且BIM软件的数据输出需根据CPM系统软件的命令进行。3)任务控制与管理:完成任务系统的控制与管理，由MMS软件实现。4)机电控制与管理:完成机电系统的控制与管理，由UMS软件实现。5)BIT功能:用于检测硬件单元功能与性能，包括上电BIT(PUBIT)、启动BIT(PBIT)、周期BIT(IF-BIT)、维护BIT(MBIT)，由BIM软件中的测试功能、CPM系统软件中的测试功能实现。6)余度管理:检测系统故障及隔离故障部件，由CPM系统软件实现。

4测试验证

容错计算机使用PC机和测试设备进行功能性能验证，测试软件安装在PC机中，并通过电缆和测试设备进行数据交互，具体的物理连接如图5所示。将各个调试完成的模块组装到整机后，通过相应接口烧写4个软件配置项，在测试环境中对容错计算机的BIT、输入输出接口、航电系统功能、机电系统功能进行测试，结果表明，该综合化的容错计算机较好地完成了预期目标。

5结束语

本文首先对ARINC659总线的基本结构做了简单介绍，然后基于飞行器航电分系统和机电分系统的接口特性设计了综合多任务容错计算机的硬件架构，接下来分析了软件配置项以及完成的功能，最后利用测试设备对设计的容错计算机进行了测试验证，测试结果证明基于ARINC659总线的综合化容错计算机在飞机管理系统中具有较广阔的应用前景。

参考文献:

［1］吕迅竑，姜斌，陈欣，等．无人机容错飞行控制计算机体系结构研究［J］．系统工程与电子技术，2016，38(11):2586－2597．

［2］解文涛，王锐．一种新型飞行器管理计算机的设计与实现［J］．计算机测量与控制，2016，24(7):190－194．

［3］田泽，刘宁宁，郭亮，等．ARINC659底板数据总线及关键技术［J］．计算机应用，2013，33(S2):49－53．

［4］张晓敏．ARINC659总线在IMA架构中的适用性分析［J］．航空计算技术，2017，47(3):115－118．

［5］周勇，俞大磊，王昭．基于ARINC659总线的容错计算机设计与实现［J］．电脑编程技巧与维护，2019(5):12－13．

［6］王宇飞，邹小东，张明．基于FPGA的ARINC659总线同步机制的研究与实现［J］．电子测量技术，2016，39(1):110－113．

［7］李育，安刚，李欣．ARINC659总线多余度容错系统同步技术［J］．航空科学技术，2016，27(12):28－33．

作者：王昭 成书锋 马小博 单位：航空工业西安航空计算技术研究所