航空电子系统综合调度理论与方法

本书以国家自然科学基金资助项目—“信息化战场环境下航空电子综合系统的动态行为和设计方法研究”和“面向故障封闭的航空电子分区综合模型完整性理论”为背景展开，以美国及欧洲的先进航电系统为研究基础，对航空电子系统分区综合设计技术进行研究。在本文中，针对上层调度器和下层调度器自由组合的6种分区调度模型，主要解决分区任务可调度性分析和分区参数设计两大问题。在此基础上，讨论混合关键性分区综合设计，以及包含航电核心处理和互连网络的航电系统整体综合设计。 

为了构建先进的航空电子系统，当前的航空电子系统更加强调开放式架构、商用货架技术和统一网络，由此综合模块化航空电子系统（IMA）概念应运而生。为了实现任务关键和安全关键的航空电子系统，综合调度技术广泛应用于航空电子体系结构中，并成为IMA架构优势使能的关键技术。
本书立足于当前航空电子系统研究现状，跟踪体系架构的*发展趋势和技术难点，讨论航电系统综合调度模型及其设计方法，并结合交换式网络组网特征，深入讨论IMA架构的系统综合调度方案和实时性评价方法。
本书的读者对象为从事航空电子系统以及其他综合电子系统设计的研究人员和工程技术人员，也可作为高等院校信息与通信工程、计算机等专业师生从事实时系统、实时网络研究的参考书。

何锋  1999年进入北京航空航天大学电子信息工程学院学习，2008年获得通信与信息系统博士学位，2011年博士后出站留校任教，2014年6月至2015年6月公派赴法国国立图卢兹综合理工学院（INPT）学术访问。研究方向包括：航空电子综合、实时调度、嵌入式系统架构、实时网络等。承担数字电路、航空电子综合技术、电子电路数字化设计等课程授课。作为项目负责人主持的项目有：国家自然科学基金、航空科学基金、基础业务发展基金等，以及多项横向课题；作为技术负责人参与“十二五“总装和工信部多项重点预研课题研究。目前已发表学术论文40余篇（其中SCI、EI检索19篇）、授权专利7项、软件著作权4项，曾获国防科技进步一等奖一项。

目录

第1章绪论

 

1.1航空电子系统及其发展历程

 

1.1.1航空电子系统层次结构

 

1.1.2航空电子系统发展历程

 

1.1.3航空电子系统设计特点

 

1.2航空电子系统发展挑战

 

1.2.1网络中心战的挑战

 

1.2.2从IMA到DIMA

 

1.2.3混合关键性发展

 

1.3航空电子分区管理模型

 

1.3.1分区管理概念

 

1.3.2分区管理模型

 

1.4分区管理研究现状

 

1.4.1基本概念

 

1.4.2可调度性

 

1.4.3分区设计

 

1.4.4混合关键性

 

1.5研究工作和结构安排

 

1.5.1研究内容与贡献

 

1.5.2全文结构安排

 

1.6本章小结

 

第2章航空电子系统结构及分区管理

 

2.1航空电子系统结构

 

2.1.1开放式系统

 

2.1.2模块化航空电子系统

 

2.1.3核心处理系统

 

2.1.4航空电子系统软件模型

 

2.1.5蓝印系统

 

2.1.6通用功能模块加载软件映射

 

2.2分区管理

 

2.2.1分区属性

 

2.2.2分区操作模式转换

 

2.2.3分区调度

 

2.2.4分区控制

 

2.3进程管理

 

2.3.1进程属性

 

2.3.2进程状态切换

 

2.3.3进程控制

 

2.3.4进程调度

 

2.4分区调度基本模型

 

2.4.1分区和实时任务

 

2.4.2调度策略和理论

 

2.5机载互连网络

 

2.5.1机载网络发展历程

 

2.5.2网络分区

 

2.5.3AFDX组网技术

 

2.5.4TTE组网技术

 

2.6本章小结

 

第3章基于轮转调度策略分区设计

 

3.1轮转调度模型

 

3.2下层调度器采用固定优先级策略

 

3.2.1可调度性分析

 

3.2.2分区设计

 

3.3下层调度器采用动态优先级策略

 

3.3.1可调度性分析

 

3.3.2分区设计

 

3.4实例分析

 

3.5本章小结

 

第4章基于固定优先级调度策略分区设计

 

4.1固定优先级调度模型

 

4.2下层调度器采用固定优先级策略

 

4.2.1可调度性分析

 

4.2.2分区设计

 

4.3下层调度器采用动态优先级策略

 

4.3.1可调度性分析

 

4.3.2分区设计

 

4.4实例分析

 

4.5本章小结

 

第5章基于动态优先级调度策略分区设计

 

5.1动态优先级调度模型

 

5.2M.Spuri 的算法

 

5.3下层调度器采用固定优先级策略

 

5.3.1可调度性分析

 

5.3.2分区设计

 

5.4下层调度器采用动态优先级策略

 

5.4.1可调度性分析

 

5.4.2分区设计

 

5.5本章小结

 

第6章航空电子分区设计综合评价

 

6.1可设计性评价

 

6.1.1评价模型

 

6.1.2评价结果

 

6.2G.Lipari及G.Lipari 模型

 

6.2.1G.Lipari模型

 

6.2.2G.Lipari 模型

 

6.3分区设计解

 

6.4分区设计参数评价

 

6.4.1评价模型

 

6.4.2评价结果

 

6.5本章小结

 

第7章混合关键性分区综合设计

 

7.1混合关键性系统分层调度架构

 

7.1.1混合关键性任务模型

 

7.1.2混合关键性分区模型

 

7.1.3分区资源重配置机制

 

7.2调度策略及可调度性分析基础

 

7.2.1任务时间需求函数

 

7.2.2资源供给界限函数

 

7.2.3混合关键性可调度判定

 

7.3高效可调度性分析

 

7.3.1待考查区间边界

 

7.3.2可调度判定问题等效转化

 

7.3.3快速收敛分析 QPA

 

7.4虚拟相对截止期限分配及分区参数设计

 

7.4.1问题分析与形式化描述

 

7.4.2基于禁忌搜索的虚拟相对截止期限分配算法

 

7.4.3分区参数设计

 

7.5实例分析

 

7.6实验仿真与结果分析

 

7.6.1随机任务集生成方法

 

7.6.2分区可调度性分析

 

7.6.3虚拟相对截止期限分配

 

7.7本章小结

 

第8章分布式任务分配与分区设计

 

8.1核心处理系统模型与分析

 

8.1.1平台模型

 

8.1.2任务与消息模型

 

8.1.3实时性分析

 

8.2多层资源分配构架

 

8.3平台层任务分配算法

 

8.3.1任务分配问题的形式化分析

 

8.3.2遗传模拟退火算法

 

8.3.3基于GSA的核心处理系统任务分配算法

 

8.4节点层分区参数优化

 

8.5实验与分析

 

8.5.1实例分析

 

8.5.2性能对比

 

8.6本章小结

 

第9章基于IMA系统的任务序列实时性分析

 

9.1基于AFDX网络的IMA系统模型

 

9.1.1任务模型

 

9.1.2消息模型

 

9.1.3AFDX网络模型

 

9.2释放抖动影响分析

 

9.3网络演算理论

 

9.3.1网络演算基本概念

 

9.3.2网络演算端到端延迟计算

 

9.3.3网络演算紧性方法

 

9.4消息端到端延迟分析

 

9.4.1端到端延迟分解

 

9.4.2AFDX端系统排队延迟

 

9.4.3端到端延迟求解

 

9.5任务序列响应时间上界

 

9.6实例分析

 

9.7本章小结

 

第10章时间触发系统分区综合设计

 

10.1网络分区综合模型

 

10.1.1分区隔离机制

 

10.1.2TTE时钟同步过程

 

10.1.3时间触发架构同步方法

 

10.1.4分区综合模型

 

10.2网络分区综合模型调度设计

 

10.2.1核心处理系统分区调度

 

10.2.2统一网络调度

 

10.2.3DIMA系统时刻调度

 

10.3实验与分析

 

10.3.1算例说明

 

10.3.2调度结果分析

 

10.4本章小结

 

第11章结论与展望

 

11.1主要结论

 

11.2研究展望

 

参考文献

 

术语索引

前言

“航空电子”的英文Avionics来源于Aviation 和Electronics两个词，表示航空和电子学两个学科领域的结合。航空电子的范畴包括支持飞机完成其任务的所有与电子学相关的系统和设备。航空电子系统是现代飞机系统的一个重要组成部分，是飞机装备信息化的核心。其性能和技术水平直接决定和影响着飞机的整体性能和作战能力。没有高性能和高技术水平的航空电子系统就不可能有真正现代化意义的飞机。迄今为止，航空电子系统经历了四代典型技术发展，区别于已有的其他实时系统（如车载控制系统），航空电子系统更加强调对任务关键和安全关键等关键属性的保障能力，并集中体现在航空电子综合核心处理系统和航空电子统一网络两方面。为了构建先进的航电系统，当前的航电系统更加强调开放式架构、商用货架技术和统一网络，由此综合模块化航空电子系统（Integrated Modular Avionics，IMA）概念应运而生。在IMA概念下，将分布的资源通过若干可配置的通用功能模块集成在一起，从而极大地提高了系统的可用性和完成任务的能力。而这种能力的实现很大程度上取决于软件技术的发展，许多原有的独立系统被综合在一起，通过在综合核心处理器上运行相应的应用软件，完成具体的系统功能。现代航空电子系统已由电子机械密集型向软件密集型过渡，航空电子软件在航空机载系统和设备中所占的比重逐步上升，并且成为实现飞机使命任务的关键因素之一。面对未来信息化战场作战和空天地“系统之系统”信息融合的需求，分布式综合化航空电子系统（Distributed IMA,DIMA）的概念近年浮出水面，并在航空和航天领域得到了极大关注和重视。DIMA航电系统涉及多个子功能区域的分布式集成，更加强调任务关键和安全关键等性能保障机制在系统集成过程中的一致性。针对新一代航空电子系统架构，为了构建任务关键和综合安全关键系统，需要采用综合调度方案，针对任务系统的分区管理是其在核心处理系统实施的具体体现，同时分区管理也是随着航空电子软件大量应用于航电系统而促成的。分区管理作为一种设计技术，将航空电子系统中不同的功能应用限制在其活动范围内，从而不对其他功能应用产生影响。分区实际上是系统设计概念中小耦合的另外一种说法，组件之间耦合越小，系统遭遇不可预料的风险也越小。分区管理通过层次化的分区调度实现任务的“分时”和“分片”运行，需要系统地研究不同调度策略组合下的分区可调度性判定，并完成分区关键参数设计，从而指导分区管理技术在工程上的具体实现。当在综合模块化航空电子架构中具体实施系统综合调度时，考虑到任务关键和安全关键等特征在航空电子系统层面的一致性保障，还需要结合典型组网特征，建立航电系统分区综合模型，实现分区管理技术在航电统一网络上的延伸，继承其在综合核心处理系统构建的时间完整性保障能力。本书由国家自然科学基金项目“面向故障封闭的航空电子分区综合模型完整性理论”（61301086）资助，以系统综合调度设计为主线，同时融合了当前航空电子系统技术发展，主要研究内容分为以下两部分。对于处理系统的基本分区设计，将系统地讨论上层调度器采用轮转调度、固定优先级调度和动态优先级调度策略下的分区设计方法，并对不同调度模型的调度能力和设计能力进行评估。对于架构层面的综合调度，结合航电发展趋势，讨论混合关键性概念下的分区综合设计方法，并结合航空电子全双工以太网（AFDX）和时间触发以太网（TTE）等典型组网方案，讨论基于分区管理的综合模块化航电系统整体调度方案和实时性评价方法。全书分为11章。第1、2章，介绍航空电子系统体系架构、分区管理概念、国内外研究现状，并给出本文研究模型的基本定义。第3~5章，分别从轮转调度、固定优先级调度和动态优先级调度等方面具体讨论分区设计方法。第6章给出基本分区模型在可调度性和可设计性方面的评价。第7章讨论混合关键性概念下的分区调度模型，以及分区参数设计方法。第8、9章结合IMA架构和AFDX组网技术，讨论航电资源的统一分配和IMA端到端延迟分布计算方法。第10章结合DIMA架构和TTE组网技术，讨论分区综合模型和调度时刻表生成方法。第11章给出全文的结论和研究展望。熊华钢教授对本书的结构和内容提出了许多宝贵的意见，王彤、李峭、陈俊延老师阅读了本书，并提出了宝贵的修改意见。项目组成员对本书的构成也作出了相关贡献： 李新颖博士关于分区可调度性判定研究补充了第3章，陈瑶博士关于混合关键性的研究构成了第7章，周天然博士关于AFDX互连的系统实时性研究构成了本书第8、9章，韩煜硕士关于TTE互连的分区综合设计研究构成了本书第10章，作者在此一并表示诚挚的谢意。对航空电子分区综合设计展开系统研究是一项理论性和实践性都很强的挑战，由于时间和作者水平的限制，难免有欠妥和遗漏之处，希望读者不吝指正。

 何锋 2016年7月

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