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基于Linux的IMA软件平台的设计与实现

作　者: 何伦
导　师: 胡士强
学　校: 上海交通大学
专　业: 导航制导与控制
关键词: IMA Linux 软件平台虚拟化 ARINC653
分类号: V243
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着航空产业的不断发展,航空电子系统也逐渐发展成为一个规模极为庞大、结构极为复杂的包含众多子系统的大型系统。为了降低制造成本、缩短研发周期,综合化、模块化已经成为航空电子系统发展的一个大趋势。综合模块化航空电子系统(Integrated Modular Avionics, IMA)是将各大子系统放置在统一的硬件平台上,然后对它们进行软件综合。综合化模块化的本质即为硬件软件化,因为软件具有高度的灵活性。在这种全新的架构中,软件平台来接管了全部的硬件设备,各个子系统变成运行于软件平台上的应用软件。这种架构从根本上改变了传统联合式航空电子系统架构的不足,极大地降低了航空电子系统的成本。软件平台是IMA系统的基础。2003年美国ARINC公司制定的ARINC653 Supplement 1已成为航空操作系统的事实标准[1]。以美国风河公司的VxWorks 653 Platform为代表,它就是一款严格遵循ARINC 653标准的嵌入式实时操作系统。但它的价格昂贵,国内售价在30万美元以上,并且其内核技术一直对国内封锁。如果长期采用它作为我国综合模块化航空电子系统的软件平台,则成本昂贵,并且不利用掌握自主知识产权。Linux内核是一款免费开放的操作系统内核,现已被广泛地应用于嵌入式系统领域。但Linux的实时性和安全性欠佳,所以鲜有人将其用于航空电子领域。本文在总结前人工作的基础上,做了如下的工作:第一,利用虚拟化技术完成了对标准Linux内核改进工作;第二,将Linux移植到PowerPC硬件平台;第三,研究了ARINC 653规范;第四,对所设计的软件平台进行了一系列的测试。本文最终的研究成果是以Linux核心的面向IMA系统的软件平台,它运行在基于PowerPC的硬件平台之上。以综合化飞机环境监视系统(Integrated Airplane Environment Surveillance System, IAESS)为测试用例,测试结果表明,该软件平台提供的分区保护功能能够有效地提高安全性,同时它具有良好的实时性,能够保证系统对外部事件的及时响应。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
符号说明  10-11
第1章绪论  11-22
  1.1 研究的背景及意义  11-16
    1.1.1 联合式航空电子系统的不足  11-13
    1.1.2 航空电子系统的发展趋势  13-15
    1.1.3 标准化软件平台是基础  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-19
    1.2.1 VxWorks 653 Platform  16-17
    1.2.2 LynxOS-SE RTOS  17-18
    1.2.3 Linux  18-19
  1.3 本文的研究难点  19-20
  1.4 本文的结构框架  20-22
第2章硬件平台的虚拟化  22-32
  2.1 虚拟化的定义  22-23
  2.2 虚拟化的意义与优势  23-24
  2.3 IMA 系统的硬件虚拟化  24-27
    2.3.1 单一资源的多个逻辑表示  24-25
    2.3.2 多个资源的单一逻辑表示  25-26
    2.3.3 多个资源的多个逻辑表示  26-27
    2.3.4 单个资源的一个逻辑表示  27
  2.4 虚拟硬件层的设计  27-31
    2.4.1 ARINC653 标准软件架构  27-29
    2.4.2 虚拟硬件层软件架构  29-30
    2.4.3 两种架构的对比  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章面向ARINC653 的Linux 区间化  32-46
  3.1 ARINC653 标准的区间管理  32
  3.2 Linux 区间化设计  32-37
    3.2.1 基于MMU 的空间区间化  34-35
    3.2.2 基于时间片的时间区间化  35-37
  3.3 区间通信机制设计  37-44
    3.3.1 通信监控模块  38
    3.3.2 通信协议  38-40
    3.3.3 共享存储区  40-41
    3.3.4 缓冲模式  41-44
  3.4 设计的功能性对比评价  44-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章面向ARINC653 的Linux 实时化  46-62
  4.1 ARINC653 标准的时间管理  46-47
  4.2 实时系统  47-48
  4.3 标准Linux 的实时性分析  48-51
    4.3.1 内核不可抢占  48-49
    4.3.2 锁机制  49
    4.3.3 中断策略  49-50
    4.3.4 任务调度算法  50
    4.3.5 时钟机制  50-51
  4.4 现有Linux 实时技术  51-54
    4.4.1 独立内核方案  51-52
    4.4.2 双内核方案  52-53
    4.4.3 修改内核方案  53-54
  4.5 基于虚拟中断的Linux 实时化  54-58
    4.5.1 中断管线  54-56
    4.5.2 系统事件  56
    4.5.3 最优中断保护  56-57
    4.5.4 小结  57-58
  4.6 基于改进Linux 的IAESS 构架  58-60
  4.7 设计的功能性对比评价  60-61
  4.8 本章小结  61-62
第5章 IMA 软件平台的构建与测试  62-80
  5.1 硬件平台  62-63
  5.2 开发环境的搭建  63-65
    5.2.1 安装环境  64
    5.2.2 安装命令  64
    5.2.3 安装流程  64-65
  5.3 Linux 内核移植  65-67
    5.3.1 准备安装包  65
    5.3.2 设置环境变量  65-66
    5.3.3 解压源代码包  66
    5.3.4 创建软链接  66
    5.3.5 修改Makefile  66
    5.3.6 配置并编译Linux 内核  66-67
  5.4 系统引导和启动  67-71
    5.4.1 安装TFTP 服务  67-68
    5.4.2 设定环境变量  68
    5.4.3 导出根文件系统  68-70
    5.4.4 启动tftp daemon  70
    5.4.5 拷贝内核映像  70
    5.4.6 设置u-boot 的参数  70
    5.4.7 通过NFS 方式引导  70-71
    5.4.8 小结  71
  5.5 基于IAESS 数字仿真系统的测试  71-78
    5.5.1 IAESS 区间崩溃影响测试  71-72
    5.5.2 IAESS 任务优先级抢占测试  72-74
    5.5.3 IASEE 任务响应延迟测试  74-76
    5.5.4 IAESS 任务时基抖动测试  76-78
  5.6 本章小结  78-80
第6章总结与展望  80-82
  6.1 研究总结  80-81
  6.2 研究展望  81-82
参考文献  82-84
致谢  84-85
攻读硕士学位期间发表学术论文及参与科研情况  85-87

基于Linux的IMA软件平台的设计与实现

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