مقدمه

سیستم­‌های اویونیک در یک هواپیما حدود 30 درصد از هزینه­‌های ساخت و نگهداری را به خود اختصاص می­‌دهند. با دانستن این نکته، اهمیت یافتن روشی مناسب‌ و بهینه­‌تر در پیاده­‌سازی قسمت‌های اویونیک هواپیما مشخص می­‌شود. در واقع کاهش هزینه­‌ها در این قسمت نه تنها باعث کاهش هزینه‌های کلی در ساخت هواپیما می­‌شود، بلکه افزایش کارایی و ظرفیت سیستم‌­ها را نیز به دنبال دارد. رویکرد “یک عملیات=یک کامپیوتر” که در معماری به هم وابسته (federated) مورد استفاده قرار می‌گیرد، کارایی لازم جهت استفاده در سیستم‌های نوین امروزی را ندارد. درمعماری به هم وابسته هر محفظه فضای زیادی را اشغال می‌کند و به علت عملکرد جداگانه‌ی هر سیستم، مصرف توان در آن‌ها بسیار زیاد است. در اوایل دهه 1990 میلادی شرکت­‌های هواپیمایی مفهومی را توسعه دادند که در آن چندین عملیات نرم­‌افزاری از چندین سطح مختلف روی یک قطعه محاسباتی اویونیک مجتمع و بسیاری از برنامه­‌های کاربردی هواپیما در یک ماژول سخت­‌افزاری یکسان اجرا شدند به طوری که منابع محاسباتی و ورودی/خروجی‌ها به اشتراک گذاشته می‌شوند. بنابراین معماری IMA سطوح بالاتری از کارآیی و ظرفیت سیستمی، امکان دسترسی بیشتر به تجهیزات و کاهش هزینه­‌های تعمیر و نگهداری و در نتیجه کاهش هزینه‌­ها در طول عمر سیستم را فراهم می‌­آورد.

برای رسیدن به قابلیت­‌های مورد انتظار، طرح­‌هایی با سطح مجتمع‌سازی بالا نیاز است. علاوه بر آن،  از سیستم‌­های اویونیک انتظار می‌رود حتی برای سیستم­‌هایی که از نظر پرواز بحرانی نیستند نیز دسترسی بالایی وجود داشته باشد. این روش به طور ویژه به امنیت و کارآمدی عملکرد هواپیما در یک رقابت صنعتی کمک می­‌کند. همچنین می‌بایست مقاومت در برابر خطا و اشکال را در همه­‌ی وظایفی که امکان ایجاد مخاطره در عملکرد تجاری سیستم دارند،  اعمال نمود. این باید به عنوان معیار طراحی برای مشخص کردن معماری سیستم، میزان مورد نیاز از سطح مقاومت در برابر خطا و اشکال و چگونگی تشخیص سیستم­‌های داوطلب برای ادغام‌سازی مورد استفاده قرار گیرد. لازم به ذکر است که معماری داخلی محفظه­‌های مختلف (حتی درون هواپیمای یکسان) ­وابسته به نوع، پیچیدگی و حساسیت وظایف هر محفظه متفاوت است.

معماری IMA بستری را فراهم می­‌آورد تا عملیات­ اویونیکی مختلف بتوانند به صورت یکپارچه و با استفاده از منابع اشتراکی اجرا شوند. برنامه­‌های کاربردی اجرا شده در IMA در واقع برنامه­‌های کاربردی مربوط به سامانه­‌های اویونیکی است که می­‌خواهند بر بستر IMA اجرا شوند و باید در مرحله طراحی سامانه با توجه به اینترفیس­‌های سیستم عامل IMA طراحی شوند. طراحی نرم­‌افزار IMA شامل طراحی سیستم عامل IMA است. تجهیزات اویونیک هواپیما نیاز به سیستم عاملی دارند تا در زمان مشخص برنامه­‌های کاربردی را اجرا نمایند. از این رو برای اویونیک هواپیما از سیستم عامل­‌های بلادرنگ استفاده می­‌شود.

مدیریت پارتیشن‌ها

یکی از اصلی‌ترین مباحث IMA مفهوم پارتیشن‌بندی است که به موجب آن اعمالی که باید توسط یک ماژول هسته انجام شود، با توجه به فضا (Memory partitioning) و زمان (Temporal partitioning) تقسیم می‌شوند. در نتیجه هر پارتیشن یک واحد از یک برنامه کاربردی‌ است که برای ارضای محدودیت‌های پارتیشن‌بندی طراحی شده است. سیستم عامل یک پارتیشن‌بندی قوی ارائه می‌دهد. سیستمی که به خوبی پارتیشن‌بندی شده باشد به پارتیشن‌های مختلف با سطوح بحرانی مختلف، اجازه اجرا شدن در یک ماژول هسته مشترک می‌دهد بدون اینکه پارتیشن‌ها از لحاظ حافظه یا زمان روی یکدیگر تأثیر بگذارند. سیستم عامل در قبال اجرای پارتیشن‌بندی و مدیریت پارتیشن‌های درون ماژول هسته مسئولیت دارد.

هر پارتیشن فضاهایی از حافظه که از پیش تعیین شده را به خود اختصاص می‌دهد. این فضاهای منحصر به فرد حافظه بر اساس نیازمندی‌های پارتیشن‌های مجزا شناسایی می‌شوند و در اندازه و اجازه دسترسی با هم تفاوت دارند. یک پارتیشن حداکثر فقط اجازه نوشتن در هر قسمت خاص از حافظه را دارد. قسمت‌بندی حافظه به گونه‌ای انجام می‌شود که فقط پارتیشن مخصوص به خود اجازه‌ی دسترسی به آن را دارد. پیکربندی تمام پارتیشن‌ها در سرتاسر سیستم، تحت کنترل یکپارچه کننده سیستم (System integrator) بوده و با توجه به جدول‌های پیکربندی در سطح سیستم نگهداری می‌شود. سیستم عامل‌های (VxWorks, PikeOS, LynksOS, WindowsCE, Linux RTAI) نصب شده بر روی ماژول‌ها به صورت real time هستند و با زبان‌های real time مثل Ada 2005 یا Spakr برنامه‌نویسی شده‌اند.

سیستم عامل نصب شده بر روی این ماژول‌ها، تنظیم‌کننده‌ی پارتیشن‌های مختلف جهت انجام کاربردهای مختلف است. مسئولیت انجام هر کدام از کاربردها، به یک یا چند پارتیشن اختصاص می‌یابد. بنابراین جهت جلوگیری از انتشار خطا در کل سیستم، در صورت خرابی یا ایجاد مشکل در یکی از این پارتیشن‌ها، عملکرد آن پارتیشن به پارتیشن دیگر انتفال می‌یابد.

IMA Partitioningشکل 1 – پارتیشن‌بندی مطابق استاندارد ARINC 653

اجزای تشکیل‌دهنده معماری IMA

 یک سیستم IMA از تعدادی محفظه تشکیل شده که هر کدام از این محفظه­‌ها شامل تجهیزاتی برای اجرای بیشتر پردازش­‌ها و ارسال تمام ورودی/خروجی­‌های محلی به سنسورها، عملگرها و شاخص­‌ها است. ارتباط بین این محفظه‌ها و همچنین عملگرها و سنسورها از طریق باس داده ARINC 629 برقرار می‌شود. بنابراین معماری IMA را می‌توان به محفظه‌ها (ماژول‌ها)، گذرگاه‌ داده و متمرکزکننده داده تقسیم‌بندی نمود. ماژول‌ها در واقع شامل تمامی عملگرها، حسگرها و واحدهای پردازش می‌شوند. ساختار داخلی یک ماژول IMA بر اساس استاندارد ARINC 653 در شکل 2 نشان داده شده است. در لایه‌ی کاربری‌های نرم‌افزاری، کاربری‌ها و نیازهای اویونیکی به صورت نرم‌افزاری تعیین می‌شوند که از طریق واسط APEX به لایه‌ی هسته‌ی نرم‌افزاری که شامل یک سیستم عامل real time است، متصل می‌شود. در این سیستم عامل تمام پردازش‌های مربوط به یک بخش در یک پردازنده انجام می‌شوند.

IMA internal structure

شکل 2 – ساختار داخلی یک ماژول IMA بر اساس استاندارد ARINC 653

 مقیاس‌پذیری و بازپیکربندی ازجمله ویژگی‌‌های بارز در معماری IMA است که در معماری‌های دیگر وجود ندارد. ویژگی مقیاس‌پذیری بدین معنی است که می‌توان به میزان دلخواه برنامه‌های کاربردی و همچنین سخت‌افزار لازم برای پردازش آن‌ها را افزایش داد. این افزایش نیازمند تغییرات اساسی در مجموعه سیستم نبوده و به راحتی با اضافه نمودن برنامه نرم‌افزاری و ماژول‌های سخت‌افزار قابل انجام خواهد بود. در ویژگی بازپیکربندی، معماری مورد نظر می‌تواند برنامه‌های کاربردی و وظایف محول شده به سیستم را بطور خودکار بین واحدهای پردازشی تقسیم نماید. الگوریتمی که برای این تقسیم‌بندی در نظر گرفته می‌شود به گونه‌ای است که در صورت بروز خطا در بخشی از سیستم و یا افزایش برنامه‌های کاربردی، می‌تواند با تخصیص بلادرنگ واحدهای پردازشی عملکرد اصلی سیستم را حفظ نماید.

 گذرگاه داده بر اساس استاندارد ARINC 664

استاندارد ARINC 664 مربوط به شبکه داده‏‌های هواپیما است که شامل چندین بخش است. در بخش 1 از این استاندارد، به بررسی اجمالی و مفاهیم سیستم‏‌ها پرداخته شده و بخش 2 تا 6 شامل مشخصه‏‌های پروتکل اینترنت و اترنت است.  بخش 7 از استاندارد ARINC 664، “شبکه AFDX”، یک روش زمان- قطعی معین را مشخص می‏‌کند که برای کنترل و فرمان‏‌های مهم – ایمنی و بلادرنگ قابل کاربرد است. بخش 8 از این استاندارد به سرویس‏‌های لایه بالاتر می‏‌پردازد.

در ساختار IMA نیاز به ارتباطات داده‏ای قوی و انعطاف‏‌پذیر است. گذرگاه داده AFDX لایه فیزیکی مورد استفاده در صنعت کامپیوتر را بر اساس استاندارد اترنت IEEE802.3 به کار می‏‌برد. شبکه‏‌های AFDX با افزونگی دوتایی (Dual-redundant) برای قابلیت اطمینان به کار می‏‌روند. واسط فیزیکی معمولا کابل‏‌های مسی زوج به هم تابیده حفاظت شده می‏‌باشند، البته فیبر نوری نیز می‏‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. پهنای باند در این گذرگاه می‌تواند 10، 100 یا حتی 1000Mbps باشد. شبکه AFDX لینک‏‌های مجازی (Virtual Link) ایجاد می‏‌کند که اتصالات تسهیم شده تقسیم-زمانی نقطه-به-چند نقطه (Point-to-multipoint time-division multiplexed) می‌‏باشند. به علاوه، تحویل همزمان دنباله داده‏‌های حیاتی می‏‌تواند با یک حرکت نامنظم اتفاقى زمانی (Timing jitter) به اندازه حداکثر 0.5msec برای هر VL، تضمین شود. AFDX مفهوم گپ تخصیص پهنای باند (BAG) را برای توزیع دنباله داده‌‏ها به بسته‏‌های زمانی به کار می‏‌برد که مقدار این BAG، تعیین‌کننده بازه زمانی میان بسته‏‌ها بر روی یک لینک مجازی معین است.