陳 福, 張曉紅, 趙 剛, 王山虎

(中航工業(yè)西安航空 計算技術研究所, 西安 710065)

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飛機機電綜合管理平臺應用任務調度方法研究

陳 福, 張曉紅, 趙 剛, 王山虎

(中航工業(yè)西安航空 計算技術研究所, 西安 710065)

針對飛機機電綜合管理平臺應用任務多、實時性強、安全性高的特點，通過研究ARINC653標準中的分區(qū)、進程兩級任務調度機制和機載機電系統應用軟件特點，設計了飛機機電綜合管理平臺應用任務分區(qū)劃分、分區(qū)時間調度規(guī)劃和分區(qū)內任務調度的具體方法；該方法可實現不同安全級別應用任務安全、實時共享機電綜合管理平臺資源；仿真實驗結果表明，該方法能確定性保證飛機機電綜合管理平臺全部任務的可調度性，提高了系統安全性和硬件資源利用率，降低了系統開銷。

飛機；機電綜合管理；分區(qū)劃分；兩級調度

0 引言

飛機機載機電系統是保障飛機正常、安全飛行及完成特定任務的液壓、氣壓、機械和電氣系統的總稱，是飛行控制系統、火控系統、航空電子系統、顯示系統和機載武器投放系統的安全保障系統，與航空電子系統、飛控系統和推進系統共同構成飛機關鍵子系統。其中，飛機機電系統主要包括燃油系統、環(huán)控系統、液壓系統、供電系統、前輪轉彎系統、起落架系統、剎車系統、氣動系統、艙門系統、除冰系統、照明系統等公共設備。隨著機電一體化技術的發(fā)展，這些機載公共設備被視為一個整體，并采用數據總線連接起來，實現飛機機電系統設備的高度綜合，由機電綜合管理平臺實行統一管理。飛機機電綜合不僅有利于減輕飛機重量、體積和連線的復雜性，而且有利于增加系統的容錯能力、故障檢測能力和升級維護能力。目前，世界上投入運營的大型民用飛機中，波音777、波音787、空客A380，均采用了機電綜合管理技術。

但同時，高度綜合化給機電軟件的研發(fā)也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。綜合化的飛機機電管理平臺，計算、網絡、存儲等物理資源高度共享，應用軟件種類多、規(guī)模龐大，應用任務成百上千，交互關系錯綜復雜。其中，大量的數據采集、數據處理、數據輸出或上報等任務對實時性、可靠性要求非常高。一個應用任務能否及時響應，并在規(guī)定的周期時限內完成所有既定動作，直接影響到后續(xù)任務的完成，關系到整個機電綜合管理平臺功能性能的實現。因此，對飛機機電綜合管理平臺應用任務實時調度機制的研究，具有很大的現實意義。本文針對飛機機電綜合管理平臺應用任務的特點，研究了ARINC653標準中的分區(qū)、進程兩級任務調度機制，提出了機電綜合管理平臺應用分區(qū)劃分、分區(qū)調度規(guī)劃及分區(qū)內任務調度的具體方法，保證所有應用任務都得到實時調度，使系統性能達到最佳。

1 基本概念

1.1 兩級調度模型

綜合模塊化的航空電子系統軟件標準ARINC653標準中提出了分區(qū)的概念，對運行在核心模塊上的多個應用軟件按功能可劃分為多個分區(qū)，一個分區(qū)由一個或多個并發(fā)執(zhí)行的進程組成，分區(qū)內所有進程共享分區(qū)所占有的系統資源。操作系統對分區(qū)所占有的時間、內存及其它系統資源具有控制權，從而使得模塊中各分區(qū)相對獨立。兩級調度即分區(qū)級調度和進程級調度。分區(qū)級調度是指操作系統根據預先定義的分區(qū)調度配置表在規(guī)定的時間窗口內調度對應的分區(qū)運行；進程級調度是指在單個分區(qū)范圍內按照既定的調度算法對各個進程進行調度。兩級調度模型如圖1所示。

圖1 兩級調度模型

1.2 分區(qū)級調度模型

根據ARINC653標準，核心操作系統采用時間片輪轉調度的方式激活每一個分區(qū)。分區(qū)之間相互獨立，每一個分區(qū)內部的進程只能在所屬分區(qū)處于激活狀態(tài)才有可能被執(zhí)行。

分區(qū)級調度的主要特征有：

1) 以分區(qū)作為調度單元，系統中可包含多個分區(qū)，分區(qū)無優(yōu)先級；

2) 分區(qū)之間在運行時間和物理空間上都相互隔離；

3) 分區(qū)只能在其擁有的時間窗口中被調度；

4) 分區(qū)調度采用靜態(tài)配置的方法，由系統集成者在分區(qū)調度表里預先確定，系統按照分區(qū)調度表進行周期性地循環(huán)調度[1]；

5) 系統可包含多張分區(qū)調度表，每個分區(qū)至少被其中一張分區(qū)調度表調度一次；

6) 在一張分區(qū)調度表中，分區(qū)可以被多次調度。

假定某系統共有n個分區(qū)，分別用P1,P2, ... ,Pn表示。其中，分區(qū)Pk(1≤k≤n)表示第k個分區(qū)。定義Pk=(TPk,CPkj,OPk)，其中，TPk為分區(qū)Pk獲取系統時間片的周期；CPkj為一個主時間框架內分區(qū)Pk第j次被調度所獲取時間片的長度；OPk為分區(qū)Pk第一次獲取時間片的系統時鐘偏移量。假設系統當前所執(zhí)行分區(qū)調度表的主時間框架周期為TA，在每一個輪轉周期內，分區(qū)Pk總的時間片長度為，在其它TA-時間段內，分區(qū)Pk處于阻塞狀態(tài)，分區(qū)內的任務無法運行。分區(qū)調度模型如圖2所示。

圖2 分區(qū)調度模型

1.3 進程級調度模型

分區(qū)由一個或多個進程組成，每個進程隸屬于特定的分區(qū)。一個進程等同于一個任務，因此本文中的進程級調度即任務級調度。

任務級調度的主要特征有：

1) 以任務作為調度單元，任務具有優(yōu)先級高低之分[2]，任何任務在任何時刻都可以被更高優(yōu)先級的任務搶占資源；

2) 在分區(qū)激活時刻，處于就緒態(tài)的最高優(yōu)先級任務得到執(zhí)行；

3) 分區(qū)中所有任務共享系統分配給分區(qū)的資源；

4) 支持周期任務調度和非周期任務調度；

5) 分區(qū)中的任務集在各自分區(qū)所獲得的時間窗口內按照既定的調度算法調度執(zhí)行，任務集在執(zhí)行過程中遇到分區(qū)時間窗口結束時，暫停執(zhí)行過程，等待該分區(qū)下一個時間窗口的到達。

假定某系統共有n個分區(qū)，分別用P1,P2,...,Pn表示。其中，第k個分區(qū)Pk(1≤k≤n)由m個任務組成，分別用tk1、tk2、tk3、…、tkm表示，tki(1≤k≤n，1≤i≤m)表示第k個分區(qū)的第i個任務。定義任務由tki=(Ctki、Ttki、Dtki、Stki)表示。任務特征定義如下：

1) 任務tki的執(zhí)行時間Ctki：表示第k個分區(qū)第i個任務在無中斷情況下執(zhí)行所需要的時間；

2) 任務tki的周期Ttki：表示第k個分區(qū)第i個任務的周期；

3) 任務tki的截止時間Dtki：用于確定任務是否在規(guī)定的時間內完成[3]；

4) 任務tki的當前狀態(tài)Stki：任務在調度過程中可能為以下狀態(tài)中的一種：休眠態(tài)(DORMANT)，就緒態(tài)(READY)，運行態(tài)(RUNNING)，等待態(tài)(WAITTING)。

分區(qū)內任務由進程調度器依據優(yōu)先級或其它改進型任務調度算法，在所屬分區(qū)的分區(qū)窗口時間范圍內進行調度[4]。分區(qū)內任務調度模型如圖3所示。

圖3 分區(qū)內任務調度模型

2 機電綜合管理平臺應用任務兩級調度

2.1 機電綜合管理平臺應用任務分析

機電管理系統通過AFDX等總線與航電系統交聯，通過離散量、模擬量、串行通訊接口等途徑與機上電源、液壓和燃油等機電系統交聯。機電管理系統監(jiān)控機上燃油、液壓、環(huán)控、起落架、電源等十多個機電系統的工作狀態(tài)，把采集的信號進行處理后，經總線傳送至航電系統進行告警、顯示或記錄；發(fā)送燃油油量、發(fā)動機及電源等關鍵參數給機電參數顯示器顯示；同時將采集的數據傳輸給飛行參數記錄系統進行記錄。

為建立一個通用的機電綜合管理平臺應用任務兩級調度仿真模型，本文設計的飛機機電綜合處理平臺能夠完成多總線(AFDX、ARINC825、ARINC429、GJB289A等)數據采集和輸出，完成燃油系統、液壓系統、起落架系統、艙門系統、環(huán)境防護系統、防除冰系統、剎車系統、氧氣系統、氣動系統、防火系統、液冷系統、供電系統、照明系統的監(jiān)測與控制、綜合故障信息處理、告警信息處理和維護管理等功能。其中，應用任務全部為周期任務，最小任務周期為100 ms，最大任務周期為400 ms。

2.2 分區(qū)級調度設計

2.2.1 分區(qū)劃分

分區(qū)劃分是將機電綜合管理平臺中的應用軟件劃分到若干個應用分區(qū)。分區(qū)劃分主要考慮以下幾個因素(劃分的原則是從功能獨立性到任務速率)。

1) 功能獨立性：功能相對獨立的應用任務劃分到不同分區(qū)；

2) 任務安全級別：不同安全級別的應用任務劃分到不同分區(qū)；

3) 任務耦合度：耦合度高的應用任務劃分到同一分區(qū)；

4) 任務速率：周期相同的應用任務劃分到同一分區(qū)。

綜合以上因素，本文將AFDX總線、ARINC825總線、ARINC429總線和GJB289A總線數據接收和發(fā)送、離散量模擬量輸入輸出等IO類任務劃分到一個分區(qū)，命名為IO分區(qū)；為燃油、環(huán)控、液壓、起落架等機電子系統分別劃分一個應用分區(qū)，管理該子系統下的所有應用任務，并以子系統名命分區(qū)名，分別為起落架分區(qū)、艙門分區(qū)、燃油分區(qū)、防火分區(qū)、電氣分區(qū)、液壓分區(qū)、環(huán)控分區(qū)。平臺健康監(jiān)控、故障記錄、故障上報等系統管理功能，納入維護分區(qū)，共計9個分區(qū)。

2.2.2 分區(qū)時間調度表設計

分區(qū)時間調度表的配置項主要包括分區(qū)名、起始運行時刻和分區(qū)執(zhí)行時間。分區(qū)時間調度表規(guī)劃了分區(qū)的調度順序以及分區(qū)窗口持續(xù)時間。一般采用主時間框架對分區(qū)時間進行配置，主時間框架為每一個分區(qū)分配一個或者多個時間窗口。在系統的運行過程中，該框架周而復始地循環(huán)執(zhí)行。

主時間框架的大小通過各個分區(qū)的周期計算得到，而分區(qū)的周期的確定需要通過分區(qū)內的進程來決定，包括周期進程和非周期進程，既要保證分區(qū)內周期進程的截至時間，又要保證非周期進程的響應時間。

本文中，IO分區(qū)包含有AFDX總線消息收發(fā)周期任務(周期為100 ms)、ARINC825總線消息收發(fā)周期任務(周期為100ms)、ARINC429總線消息收發(fā)周期任務(周期為100 ms)、GJB289A總線消息收發(fā)周期任務(周期為100 ms)，因此IO分區(qū)的調度時間間隔不能超過100 ms；起落架分區(qū)有4個周期任務，周期均為100 ms；艙門分區(qū)有9個周期任務，其中包含6個100 ms周期任務，1個200ms周期任務和2個400 ms周期任務；燃油分區(qū)有6個周期任務，其中包含2個100 ms周期任務，4個200 ms周期任務；防火分區(qū)有6個周期任務，其中包含2個100 ms周期任務，1個200 ms周期任務和3個400 ms周期任務；電氣分區(qū)有5個周期任務，其中包含3個200 ms周期任務，2個400 ms周期任務；液壓分區(qū)有3個周期任務，周期均為400 ms；環(huán)控分區(qū)有8個周期任務，周期均為100 ms；維護分區(qū)有6個周期任務，周期均為200 ms。飛機機電綜合管理平臺應用軟件分區(qū)及時間框架設計如表1所示，主時間框架為100 ms。

表1 應用軟件分區(qū)及時間框架設計

2.3 任務級調度設計

針對飛機機電綜合管理平臺應用分區(qū)任務特點，采用優(yōu)先級調度算法進行任務調度。首先，采用速率單調調度算法(rate monotonic scheduling, RMS)確定分區(qū)內任務的優(yōu)先級。RMS算法是一種靜態(tài)分配優(yōu)先級實時調度算法[5]，它根據任務的周期來分配優(yōu)先級，任務周期越小，其優(yōu)先級越高。由于采取搶占式策略，高優(yōu)先級任務就緒后可立即搶占低優(yōu)先級任務資源[6]。實驗證明，在任務的截至時間等于其周期的條件下，RMS算法是最優(yōu)的靜態(tài)調度算法。以包含有6個100 ms周期任務，1個200 ms周期任務和2個400 ms周期任務的艙門分區(qū)為例，根據RMS算法，100 ms周期任務優(yōu)先級最高，200 ms周期任務優(yōu)先級次之，400 ms周期任務優(yōu)先級最低。

根據RMS調度算法、任務周期以及任務間的關聯性，艙門分區(qū)任務優(yōu)先級設計如表2所示。

表2 艙門分區(qū)任務優(yōu)先級設計

3 仿真實驗

使用System Viewer仿真工具對機電綜合管理平臺各個應用分區(qū)的任務調度進行仿真。分區(qū)級調度仿真結果如圖4所示。

圖4 分區(qū)級調度仿真

圖4隨機選擇了一段機電綜合管理平臺應用運行時間作為分析對象，第575 ms到第775 ms，覆蓋了兩個主時間框架。圖4右邊部分的9條橫向虛線，從上往下分別代表IO分區(qū)、燃油分區(qū)、液壓分區(qū)、環(huán)控分區(qū)、艙門分區(qū)、電氣分區(qū)、起落架分區(qū)、防火分區(qū)和維護分區(qū)的時間窗口調度情況，橫向虛線上的實線段代表該分區(qū)此刻正在被調度。從圖4可以看出，9個分區(qū)嚴格按照分區(qū)調度表預先配置的先后順序及分區(qū)時間窗口調度，每100 ms的主時間框架里，所有分區(qū)都依次執(zhí)行一遍，分區(qū)之間在時間上相互隔離。

分區(qū)內任務級調度，按照優(yōu)先級搶占策略進行。以艙門分區(qū)為例，任務級調度仿真結果如圖5和圖6所示。圖5右邊部分縱向標線上的白點代表其左側對應的周期任務正在被執(zhí)行。從圖5可以看出，每隔100 ms，艙門分區(qū)的艙門數據采集、艙門狀態(tài)判斷任務、登機門控制、艙門告警發(fā)送、艙門數據處理和異常處理這6個周期為100 ms的任務被執(zhí)行完一次；每隔200 ms，艙門分區(qū)的飛行參數處理任務被執(zhí)行完一次；每隔400 ms，艙門分區(qū)的簡圖頁發(fā)送、故障記錄任務被執(zhí)行完一次。9個周期任務均無超時現象。

圖5 艙門分區(qū)內任務周期性調度情況

圖6給出了一個艙門分區(qū)調度時間窗口內，9個應用任務按照優(yōu)先級搶占策略調度的情況。6個優(yōu)先級為150的應用任務先得到執(zhí)行，然后執(zhí)行優(yōu)先級為140的應用任務，最后執(zhí)行優(yōu)先級為120的兩個應用任務。根據分區(qū)調度表中對艙門分區(qū)的時間窗口配置，9個應用任務都執(zhí)行完畢后，艙門分區(qū)時間窗口仍有少量剩余，此時艙門分區(qū)進入空閑狀態(tài)，等待艙門分區(qū)時間窗口結束，方可切換至下一分區(qū)。

圖6 艙門分區(qū)內任務優(yōu)先級搶占調度情況

4 結論

本文參照ARINC653標準提出的分區(qū)、進程兩級任務調度機制，并結合飛機機電綜合管理平臺應用任務特點，詳細闡述了飛機機電綜合管理平臺應用任務分區(qū)劃分、分區(qū)時間調度配置、分區(qū)內任務調度的具體方法，并通過仿真試驗證明了該方法的可行性和有效性。該方法對解決飛機機電綜合管理平臺大量應用任務的實時調度問題具有很高的實用價值，目前已在多個飛機型號上完成試飛驗證。下一步將研究任務動態(tài)調度算法在強實時分區(qū)中的應用及其安全性評估方法。

[1] 李昕穎，顧 健，何 鋒，等. 強實時系統在強分區(qū)約束下的雙層分區(qū)調度[J]. 計算機學報，2010,33(6):1032-1039.

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Research on Application Task Scheduling Method for Aircraft Electro-Mechanical Integrated Management Platform

Chen Fu, Zhang Xiaohong, Zhao Gang, Wang Shanhu

(Aeronautics Computing Technique Research Institute, Xi’an 710065, China)

In view of the aircraft electro-mechanical integrated management platform application tasks, real-time, high security features, by researching ARINC653 standard and the characteristics of the application tasks of the electro-mechanical integrated management platform, proposes application tasks partition dividing method、partition scheduling strategy and tasks scheduling algorithm within partition. The method can achieve that different security levels of real-time application tasks can be implemented to share the same processor resources. The simulation results show that the method can guarantee the performance of all the tasks of the electro-mechanical integrated management platform of aircraft, and also improve the system security and hardware resource utilization, and reduce the system overhead.

aircraft; electro-mechanical integrated management; partition divide; two level scheduling

2015-10-12；

2015-11-06。

國家重大專項資助項目(2012ZX01041-006)。

陳 福(1984-)，男，重慶人，碩士，工程師，主要從事嵌入式實時操作系統、機載嵌入式軟件方向的研究。

1671-4598(2016)03-0255-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.070

TP315

A