مروری بر استاندارد ARINC 653

امروزه با رقابت تنگاتنگ در بازار اویونیک و صنعت هوافضا، تولیدکنندگان تجهیزات هوایی سعی در ارائه محصولات پیچیده با حداقل هزینه و در بازه زمانی کوتاه را دارند. این تجهیزات بیشتر با هدف اشغال فضای کمتر و کاهش وزن و توان مصرفی تولید می‌شوند. از طرفی به دلیل تاثیر قابل توجه اویونیک در صنعت هوایی، دستگاه‌ها و تجهیزات ارائه شده باید قابل اعتماد، با دوام و از نظر ایمنی قابل تایید باشند. در گذشته، بیشتر تجهیزات اویونیک از نوع سیستم‌های مجزای وابسته به هم بودند. در این نوع از سیستم‌ها برای هر برنامه کاربردی به صورت جداگانه یک ریزپردازنده اختصاصی و یک محل اختصاصی روی هواپیما در نظر گرفته می‌شد. با رویکرد بهینه‌سازی اندازه، وزن و توان مصرفی در دستگاه‌ها و تجهیزات اویونیک، مهندسان نیز به فکر ارائه پلتفرم‌های سخت‌افزاری مشترک برای توسعه برنامه‌های کاربردی افتادند. بنابراین در رقابت به وجود آمده، طراحان سیستم‌های اویونیک مدرن دیگر مجاز به ارائه پلتفرم‌های مجزا نیستند و هدف آن‌ها تولید پلتفرم یکپارچه جدیدی است که امکان اجرای انواع برنامه‌های کاربردی را روی خود داشته باشد.

به دنبال حل این مساله، معماری اویونیک ماژولار یکپارچه (IMA) ارائه شد تا تعداد زیادی از عملیات‌های اویونیکی بتوانند به صورت یکپارچه و با استفاده از منابع اشتراکی اجرا شوند. این معماری را می‌توان به نوعی در مقابل معماری مجزای وابسته برای سیستم‌های اویونیکی در نظر گرفت که در آن رویکرد «یک عملیات=یک کامپیوتر» اساس طراحی است.

صنعت اویونیک به منظور اجرای برنامه‌های کاربردی در معماری اویونیک ماژولار یکپارچه، رابط نرم‌افزاری استاندارد ARINC 653 را ارائه کرد. این استاندارد الزامات نرم‌افزار را برای بخش‌بندی زمان و فضا در سیستم عامل‌های بلادرنگ اویونیکی که در آن‌ها ایمنی اهمیت بالایی دارد مشخص می‌کند. استاندارد ARINC 653 همچنین به طراحان اجازه اجرای همزمان چند برنامه کاربردی در سطوح مختلف نرم‌افزاری را روی یک سخت‌افزار مشترک می‌دهد. سیستم عامل‌های بلادرنگ هسته اصلی بسیاری از سیستم‌های اویونیک را شکل می‌دهند. این سیستم‌عامل‌ها نه تنها قابلیت بلادرنگ و بازدهی سیستم‌های اویونیک را افزایش می‌دهند، بلکه لازمه صدور گواهینامه برای سیستم‌های هوایی تجاری مطابق با الزامات ایمنی DO-178C و ED-12B/C Level A هستند.

بنابراین یک رابط استاندارد پذیرفته شده بین‌المللی این امکان را برای تامین کنندگان و فروشندگان تجهیزات اویونیک فراهم می‌کند تا بتوانند برنامه‌های کاربردی متعدد و ایمن را تنها روی یک پلتفرم سخت‌افزاری توسعه دهند. نتیجه استفاده از این رویکرد تولید سیستم‌هایی مطابق با استانداردهای ایمنی اویونیک همچون DO-178B/C، DO-254 و DO-297 است.

حدود 2 سال پیش شرکت WindRiver کاملترین محصول ARINC 653 را که از نظر ایمنی و قابلیت اطمینان کاملا سازگار با معماری IMA سیستم‌های اویونیک است، ارائه کرد. پلتفرم VxWorks 653 محصول ارائه شده توسط ویندریور است که کاملا با مشخصات ARINC 653 سازگاری دارد. این پلتفرم به منظور کاهش خطا در بخش‌بندی زمان و فضا بر اساس معماری IMA و نیازمندی‌های ARINC 653 ارائه شده است. همچنین این پلتفرم از نظر ایمنی در سطح A از استاندارد DO-178C قرار دارد. در واقع برآورده‌سازی الزامات نرم‌افزاری در سیستم‌های هوایی و صدور گواهینامه تجهیزات از طریق این پلتفرم قابل انجام است.

به دلیل پیاده‌سازی توابع عملیاتی در سطوح ایمنی متفاوت روی معماری اویونیک ماژولار یکپارچه و قابلیت اشتراک گذاری پلتفرم‌های سخت‌افزاری، فضای کلی سیستم، وزن، توان مصرفی و هزینه زیر بخش‌ها و تعداد قطعات مورد نیاز (BOM[1]) کاهش می‌یابد.

مزایای پلتفرم VxWorks 653

پلتفرم VxWorks 653 طیف وسیعی از مزایا را برای تیم‌های توسعه سیستم‌های اویونیک به همراه دارد که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

  • بخش‌بندی زمان و فضا کاملا مطابق با استاندارد ARINC 653
  • امکان داشتن تا 255 پارتیشن
  • قابلیت حمل و استفاده مجدد از برنامه‌های کاربردی ARINC 653 و برنامه‌های کاربردی و درایورها با هسته VxWorks
  • سهولت در استفاده از برنامه‌های کاربردی نسخه‌های قدیمی VxWorks
  • ابزار قدرتمند در توسعه برنامه‌ها و اشکال‌‌زدایی
  • امکان اجرای پروژه‌های نرم‌افزاری آسنکرون (غیرهمزمان) و یکپارچه‌سازی سیستم از طریق تیم‌های مستقل
  • سهولت در پیکره‌بندی سیستم و یکپارچه‌سازی نرم افزار، گستردگی ایمنی در بخش‌های مختلف سیستم، کوتاه شدن دوره‌های یکپارچه‌سازی و کاهش خطاهای یکپارچه‌سازی و تلفیق
  • ارائه عملکرد بالا و تاخیر کم به سبب معماری ماشین مجازی دو سطحی
  • پشتیبانی همزمان از سطوح ایمنی متعدد
  • شامل یک مجموعه توسعه مبتنی بر Eclipse با قابلیت پشتیبانی از طیف وسیعی از ابزارهای نرم افزاری صنعتی
  • مهارت و تجربه بالای شرکت ویندریور برای سیستم‌های ایمنی- محور در قالب خدمات حرفه‌ای، آموزش و خدمات پشتیبانی به مشتری

عناصر و اجزای حین اجرا در پلتفرم Vxwork 653

پلتفرم VxWorks 653 شامل عناصر و اجزای حین اجرا[2] است که پایه و اساس بخش‌بندی فضا و زمان را تشکیل می‌دهد. این بخش‌ها قابلیت‌هایی مطابق با ARINC 653 روی سیستم‌های IMA فراهم کرده و ابزاری برای توسعه و یکپارچه‌سازی کارآمد سیستم‌های مبتنی بر این استاندارد است.

ماژول سیستم عامل VxWorks 653 (VxWorks 653 module OS)

پلتفرم VxWorks 653 علاوه بر پشتیبانی از تعداد زیادی از سیستم‌عامل‌ها خود یک سیستم عامل با حالت راهبری[3] ارائه می‌دهد که اجزای برنامه‌های کاربردی حالت کاربر را از نظر فضا و زمان پارتیشن‌بندی می‌کند. با این کار یک ایزولاسیون برای خطای بوجود آمده در پارتیشن معیوب ایجاد می‌شود. پلتفرم VxWorks 653 از تفکیک کامل بین برنامه‌های کاربردی و ماژول سیستم عامل پشتیبانی می‌کند. در نتیجه برنامه‌های کاربردی می‌توانند تنها از طریق ساز و کارهای مشخصی که تحت کنترل سیستم‌عامل است با یکدیگر تعامل و ارتباط داشته باشند. در این پلتفرم برنامه‌های کاربردی به جز شیوه‌ای کنترل شده و از طریق منابعی که ماژول سیستم‌عامل به صراحت به آن‌ها اختصاص می‌دهد،  نمی‌توانند روی عملیات سیستم ARINC 653 تاثیر بگذارند.

طراحی سیستم اویونیک با VXWorks

 

بخش های Run-Time سیستم عامل VxWorks653

 

محیط برنامه‌نویسی

از آنجا که پلتفرم VxWorks 653 از استانداردهای باز پشتیبانی می‌کند، مشتریان برای توسعه برنامه‌های کاربردی خود می‌توانند از رابط‌های برنامه‌نویسی مختلفی استفاده کنند. از جمله مهم‌ترین رابط‌های برنامه‌نویسی برای این پلتفرم می‌توان به ARINC، VxWorks، Ada، Java یا POSIX اشاره کرد. استفاده از استانداردهای باز امکان قابل حمل بودن و جابجایی برنامه‌های کاربردی را برای توسعه دهندگان فراهم می‌کند. بنابراین برنامه‌های کاربردی می‌توانند مستقل از سخت‌افزار موجود روی پلتفرم VxWorks 653 اجرا شوند. در نسخه‌های جدید این پلتفرم، امکان استفاده از رابط برنامه‌نویسی C و C++ نیز برای کاربران فراهم شده است.

سیستم نظارت بر سلامت

در مشخصات ARINC 653، سیستم نظارت بر سلامت مسئولیت نظارت و گزارش خرابی‌ها و شکست‌ها در سخت‌افزار، برنامه‌های کاربردی و سیستم‌عامل را بر عهده دارد. این سیستم با ایزوله کردن خرابی‌ها، از انتشار شکست و خرابی به بخش‌های دیگر سیستم جلوگیری می‌کند. سیستم نظارت بر سلامت VxWorks 653 برای افزایش رسیدگی به رخدادها در یک سیستم از هشدارها استفاده می‌کند. در واقع هشدارها برای اعلام و نمایش خرابی‌های آشکارشده در سیستم به این پلتفرم اضافه شده‌اند.

سیستم نظارت بر سلامت پلتفرم VxWorks 653 نه تنها در محیط برنامه‌نویسی ARINC 653 بلکه در ساختار سلسله مراتبی پلتفرم نیز اجرا می‌شود. علاوه بر این، پلتفرم VxWorks 653 نظارت بر سلامت را در سطوح ماژول، پارتیشن‌بندی و فرآیند فراهم می‌کند. سیستم نظارت بر سلامت علاوه بر ارسال و مخابره رویدادهای عادی این پلتفرم، پیام‌های اطلاعاتی مبنی بر رخداد نظارت بر سلامت را نیز ارسال و در اختیار کاربر قرار می‌دهد. همچنین این سیستم می‌تواند به تاثیر یک رخداد در هر پارتیشن روی پارتیشن‌های دیگر رسیدگی کند.

یکی از قابلیت‌های مهم بخش نظارت بر سلامت این است که پلتفرم VxWorks 653 قابلیت ثبت رویدادها را فراهم می‌کند. بنابراین از اطلاعات ثبت شده می‌توان برای تشخیص رویدادهای تاثیر‌گذار بر پایداری برنامه‌های کاربردی استفاده کرد. در این پلتفرم امکان ثبت رویدادها برای هر یک از پارتیشن‌ها به صورت جداگانه وجود دارد. در نتیجه میزان نظارت بر سلامت، حق دسترسی و سیاست‌های پیش فرض برای هر پارتیشن در پیکره‌بندی پلتفرم VxWorks 653 قابل مدیریت است.

نتیجه‌گیری

طبق آنچه بیان شد VxWorks 653 یک پلتفرم COTS در محیط عملیاتی بلادرنگ بر مبنای استاندارد ARINC 653 محسوب می‌شود. ویژگی‌های این پلتفرم آن را بستری مناسب برای برنامه‌های کاربردی اویونیک ماژولار یکپارچه (IMA) و ایمنی محور ساخته است. طبق گفته مسئولین شرکت ویندریور این پلتفرم تاکنون برای بیش از 400 طرح توسط 200 مشتری در بیش از 80 هواپیمای نظامی و غیر نظامی مورد استفاده قرار گرفته است. پلتفرم VxWorks 653 برای طیف وسیعی از برنامه‌های مهم و ایمنی فضایی، نظامی و تجاری برای هواپیماهای بدون سرنشین و با سر نشین قابل استفاده است. از این پلتفرم در هواپیماهای تجاری، نظامی و غیر نظامی ایرباس و بوئینگ مانند ایرباس A400M، بوئینگ 787 و ارتقا اویونیک نورث روپ گرومن HU-60V بلک هاوک نیز بکار گرفته شده است. همچنین پارتیشن‌بندی فضا، زمان و مجازی‌سازی قابلیت‌های VxWorks 653 در سیستم‌های اویونیکی مهم و حیاتی اثبات شده است و همین امر موجب شده تا این پلتفرم گزینه مناسبی برای دستگاه‌ها و سیستم‌های حمل و نقل و صنعتی باشد.

منابع :

www.adacore.com

www.windriver.com

www.mistralsolutions.com

واژه نامه:

[1] Bill of materials

[2] Run-Time

[3] Supervisor mode