سیستم‌عامل PikeOS

در گذشته بخش‌ها و سیستم‌های زیادی از هواپیما فراتر از حد مجاز وزن، فضا، کابل‌کشی و مصرف انرژی ساخته می‌شدند. از این‌رو شرکت‌های هواپیمایی به دلیل محدودیت‌های وزنی و حجمی سیستم‌های اویونیکی در یک هواپیما و همچنین زیاد شدن تعداد سیستم‌ها، هزینه‌های زیادی را متحمل می‌شدند. با ارائه رویکرد جدید صنعت اویونیک با نام معماری اویونیک ماژولار یکپارچه (IMA) این مشکل تا حدودی حل شد. در این روش تعداد سخت‌افزارهای مجزا با یکپارچه‌سازی چند برنامه نرم‌افزاری روی یک سخت‌افزار استاندارد کاهش پیدا کرد. در مقابل با ارتقاء سیستم‌های اویونیک، فناوری IMA با الزامات جدید عملکردی، امنیتی و نیاز به کاهش هزینه‌های گواهینامه روبه‌رو شد. از این‌رو IMA نیازمند یک پلتفرم نرم‌افزاری انعطاف‌پذیر و مدرن به جای سیستم‌‌عامل یکپارچه است.

در نسخه های 22 و 23 مجله به معرفی سیستم عامل VxWorks شرکت ویندریور به عنوان یکی از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای استفاده در معماری IMA پرداختیم. در این نسخه از مجله قصد داریم یک سیستم‌‌عامل دیگر با عنوان PikeOS را معرفی کنیم که توسط شرکت SYSGO (یکی از پیشتازان ارائه محصولات تعبیه‌شده هوایی) طراحی شده است. طبق گفته مسئولین این شرکت، از دید معماری IMA پلتفرم PikeOS یک طراحی ایده‌آل است.

هایپروایزر PikeOS

پلتفرم PikeOS شامل یک میکرو کرنل کوچک است که به عنوان هایپروایزر (نوعی برنامه کامپیوتری است که اجازه ساخت و اجرای ماشین‌های مجازی را می‌دهد.) پارتیشن‌های مجزا را برای منابع مختلف و نیازهای توابع فراهم می‌کند. هایپروایزر امکان اجرای برنامه‌های کاربردی اویونیکی از یک سیستم ساده تا توابع کنترلی بسیار مهم هواپیما را فراهم می‌کند. به لطف فناوری تفکیک، برنامه‌های کاربردی از سطوح مختلف امنیتی، سطوح مختلف بحرانی، بلادرنگ یا غیر بلادرنگ می‌توانند در یک محیط مشترک بحرانی روی تنها یک پلتفرم سخت‌افزاری استاندارد اجرا شوند. در واقع PikeOS یک سیستم عامل بلادرنگ (RTOS) مبتنی بر هایپروایزر است که می‌تواند با پارتیشن‌بندی علاوه بر برنامه‌های کاربردی، میزبان سیستم‌عامل‌های دیگر (GuestOS) نیز باشد.

نمای کلی از PikeOS

سیستم‌عامل PikeOS ترکیبی از سیستم‌عامل بلادرنگ با یک پلتفرم مجازی‌سازی و یک محیط توسعه مجتمع (IDE) مبتنی بر Eclipse (یک محیط توسعه نرم‌افزاری چندزبانه برای محیط توسعه مجتمع با قابلیت اضافه کردن افزونه) برای سیستم‌های تعبیه شده است. این سیستم‌عامل نمونه تجاری از خانواده میکرو کرنل L4 است. L4 یک خانواده از نسل دوم میکرو کرنل‌ها است که عموما برای پیاده‌سازی سیستم‌عامل‌های مشابه یونیکس و همچنین انواع دیگر سیستم‌عامل‌ها استفاده می‌شود. سیستم‌عامل بلادرنگ PikeOS برای برنامه‌های کاربردی ایمنی و امنیتی- بحرانی در زمینه‌های هوایی و دفاعی، خودرو و حمل و نقل، اتوماسیون صنعتی و پزشکی و زیرساخت‌های شبکه توسعه یافته است.

یکی از ویژگی‌های کلیدی سیستم عامل PikeOS این است که به راحتی می‌توان برنامه‌های کاربردی با سطوح مختلف ایمنی و امنیت را به صورت همزمان روی یک پلتفرم یکسان اجرا کرد. این با تفکیک محدوده زمانی و فضایی برنامه‌های کاربردی یا به عبارتی پارتیش‌بندی نرم‌افزار امکان‌پذیر است. یک پارتیشن نرم‌افزاری را می‌توان به عنوان یک محفظه از پیش تعیین شده در نظر گرفت که قابلیت دسترسی به حافظه، CPU و I/O را دارد. علاوه ‌بر این در اینجا هر پارتیشن دارای یک لیست از پیش تعریف شده از خدمات و سرویس‌های PikeOS است.

در سیستم‌عامل PikeOS منظور از برنامه کاربردی، نرم‌افزار‌های اجرایی است که با استفاده از کتابخانه PikeOS API درون هر پارتیشن قرار می‌گیرند. با توجه به ماهیت PikeOS API، برنامه‌های کاربردی می‌توانند از حلقه‌های کنترلی ساده تا سیستم‌عامل‌های مهمان مجازی مانند لینوکس یا مهمان‌های مجازی شده سخت‌افزاری را شامل شوند.

پارتیشن‌بندی منابع

پارتیشن‌بندی زمان

طراحی این سیستم‌عامل به گونه‌ای است که پارتیشن‌های نرم‌افزاری آن را می‌توان ماشین‌های مجازی نامید؛ زیرا یک سیستم‌عامل مهمان، کاملا درون یک پارتیشن و مستقل از دیگر پارتیشن‌ها اجرا می‌شود. از این‌رو PikeOS را می‌توان به عنوان یک هایپروایزر نوع 1 در نظر گرفت. این نوع هایپروایزر برای پشتیبانی از ماشین‌های مجازی، به طور مستقیم روی سخت‌افزار نصب می‌شود.

مزایای کلیدی PikeOS

• سیستم بلادرنگ شامل هایپروایزر نوع 1 تعریف شده برای انعطاف‌پذیری بسیار بالا در پیکربندی
• زمان بوت شدن سریع و مطمئن
• پشتیبانی از شرایط بحرانی ترکیبی از طریق تفکیک کرنل‌ها در یک سیستم
• پیکربندی پارتیشن‌ها با زمان و منابع سخت‌افزاری
• پشتیبانی از درایور کرنل و درایورهای فضای کاربری
• استقلال سخت‌افزاری بین انواع پردازنده‌ها
• توسعه یافته برای پشتیبانی از صدور گواهینامه مطابق با استانداردهای متعدد ایمنی و امنیت
• کاهش زمان ورود محصول به بازار از طریق ابزارهای توسعه و تایید شده استاندارد
• پشتیبانی از طیف گسترده‌ی GuestOS (لینوکس، اندروید، Posix، ARINC 653، RTEMS، جاوا، ADA و …)

به منظور تسهیل فرایند صدور گواهینامه‌های محصول نهایی، این سیستم‌عامل مطابق تعدادی از استانداردهای صنعتی از جمله RTCA DO-178B/C، ISO 26262، EN 50128 و IEC 61508 طراحی شده است. همچنین استانداردهای امنیتی مانند Common Criteria و SAR نیز در طراحی این سیستم‌عامل درنظر گرفته شده است. بنابراین کاربر می‌تواند کلیه اسناد مربوطه را جمع‌آوری کرده و از آن‌ها به عنوان بخشی از داده‌های طراحی برای اخذ گواهینامه استفاده کند.

کاربرد PikeOS در صنعت هوایی و دفاعی

پروژه‌های هوایی و دفاعی به دلیل تقاضای زیاد در زمینه فناوری و ایمنی در عین حال نیاز به کاهش زمان و هزینه‌ها، بسیار پیچیده هستند. استفاده از سیستم‌عامل PikeOS طیف وسیعی از چالش‌های صنعت هوایی و دفاعی را به صورت همزمان حل می‌کند.

• کاهش پیچیدگی موجب صرفه‌جویی در وزن، انرژی و هزینه می‌شود: سیستم‌عامل PikeOS یکپارچگی تعداد زیادی از دستگاه‌های الکترونیکی روی پلتفرم‌های سخت‌افزاری استاندارد کوچکتر را با استفاده از فناوری مجازی‌سازی فراهم می‌کند.
• یکپارچگی ایمنی موجب کاهش هزینه‌های صدور گواهینامه می‌شود: برنامه‌های کاربردی در سطوح مختلف بحرانی، امنیتی و ایمنی در پارتیشن‌های مجزا و با گواهینامه‌های جداگانه از یکدیگر تفکیک می‌شوند.
• انعطاف‌پذیری زیاد موجب استقلال در انتخاب سخت‌افزار و نرم‌افزار می‌شود: سیستم عامل PikeOS طیف وسیعی از معماری‌های سخت‌افزاری را پشتیبانی می‌کند. از این‌رو اضافه کردن معماری‌ها مختلف و رابط‌های اضافه به سیستم موجود آسان است.
• معماری با چند سطح مستقل امنیتی (MILS): کرنل PikeOS ارتباطات مختلف سیستم را کنترل کرده و از آن در برابر حملات مخرب محافظت می‌کند.
• قابلیت ارتقاء موجب صرفه‌جویی در هزینه‌های توسعه آتی می‌شود: پیکربندی پارتیش‌ها در مرحله توسعه بسیار ساده است و حتی پارتیشن‌ها می‌توانند بعد از ورود به سرویس با برنامه‌های جدید تکمیل و بسط داده شوند.

بنابراین سیستم‌عامل PikeOS از بسیاری از پلتفرم‌های سخت‌افزاری و رابط‌های توسعه یافته برای تولید کد و ابزارهای تجزیه و تحلیل پشتیبانی می‌کند. از این‌رو کاربرد PikeOS در پروژه‌های هوایی و دفاعی که از طیف وسیعی از محصولات نرم‌افزاری و سخت‌افزاری استفاده می‌کنند، بسیار مفید خواهد بود.

موارد استفاده از PikeOS در صنعت هوایی

ایرباس

از سیستم‌عامل PikeOS برای برخی برنامه‌های کاربردی بحرانی و غیر بحرانی در کابین خلبان هواپیمای ایرباس A350 استفاده شده است. به عنوان مثال این سیستم‌عامل در نسل جدید دستگاه پرواز هوشمند ایرباس (FSA-NG) مورد استفاده قرار گرفته است. این دستگاه قابل حمل بوده و امکان دسترسی به داده‌های ثبت شده پرواز را برای خلبانان در طول پرواز و خدمه تعمیر و نگهداری روی زمین فراهم می‌کند.

تالس

چندی قبل خبری مبنی بر انتخاب PikeOS به عنوان سیستم‌عامل کابین خلبان جدید شرکت تالس منتشر شد. در واقع «سیستم یکپارچه نمایشگر کابین خلبان» یا ICDS اولین اجرای واقعی از مفهوم سیستم‌های کابین نسل آینده است که پیش از این توسط تالس با نام Avionics 2020 معرفی شده بود. اساس سیستم کابین جدید بر مبنای معماری IMA و پردازنده‌های چند هسته‌ای است. سیستم‌عامل PikeOS روی این پردازنده‌ها قرار گرفته و از چند برنامه‌کاربردی با سطوح حساسیت متفاوت میزبانی می‌کند. بنابراین PikeOS با پارتیشن‌بندی مجزای منابع مورد نیاز در سیستم‌های IMA، امکان اجرای تفکیک‌شده برنامه‌های کاربردی را روی سخت‌افزار مشترک ایجاد می‌کند. در نتیجه برنامه‌ها از یکدیگر کاملا ایزوله بوده و امکان نشر خطا از یکی به دیگری وجود نخواهد داشت.

سیستم یکپارچه نمایشگر کابین خلبان (ICDS) شرکت تالس

در رابطه با پردازنده‌های چند هسته‌ای، PikeOS یک پلتفرم بسیار جامع برای تضمین امنیت سیستم‌ها و برنامه‌های کاربردی، صرفه‌جویی در وزن، مصرف برق و در نتیجه هزینه‌ها ارائه می‌کند. این محصول تالس یکی از اولین سیستم‌های چند هسته‌ای با سطح تضمین طراحی A (DAL-A) خواهد بود.

آقای گایلن هیتزمن مدیر خط تولید سیستم‌های اویونیک تالس در رابطه با انتخاب PikeOS برای این سیستم‌ می‌گوید: «بررسی‌های ما نشان می‌دهد که این سیستم‌عامل گزینه‌ای بسیار جذاب و مناسب برای ICDS خواهد بود. این سیستم‌عامل قابلیت‌های قدرتمندی در رابطه با ایمنی و امنیت طراحی‌ها در اختیار ما قرار می‌دهد. پارتیشن‌بندی تفکیک‌شده در سیستم‌های IMA از طریق PikeOS تضمین خواهد شد و بنابراین مسیر ما برای دریافت گواهینامه سطح A تضمین طراحی هموار است.»