В статье представлена инструментальная система, поддерживающая автоматическое построение расписаний обмена данными по каналу с централизованным управлением MIL STD-1553B. Приведён перечень требований к системе, описаны функциональность и технологический процесс её применения. Даны примеры практического применения системы в промышленности, в том числе при проектировании судовых бортовых систем.
Большинство современных бортовых вычислительных систем реального времени (ВСРВ) являются распределёнными. В их состав входят датчики, органы управления, вычислительные узлы, хранилища данных и устройства вывода, соединённые коммуникационными каналами. В бортовых системах реального времени широко используется архитектура, основанная на каналах с централизованным управлением. Примерами каналов с централизованным управлением являются MIL STD-1553B (ГОСТ Р 52070-2003, МКИО) [1], STANAG 3910 [2], FC-AE-1553 [3].
Канал обеспечивает обмен данными между устройствами, присоединёнными к нему (далее – оконечные устройства). Обмен представляет собой последовательность передач прикладных и служебных данных между оконечными устройствами. Следуя принятой терминологии, каждую передачу будем называть работой. Время начала каждой работы определяет расписание, которое строят заранее и которое не меняется в ходе функционирования бортовой системы. Расписание исполняется контроллером, который является одним из оконечных устройств. Только контроллер канала может инициировать обмен данными; другие оконечные устройства выполняют команды, отданные контроллером (схема ведущий – подчинённый), что гарантирует отсутствие коллизий.
На расписание накладываются технологические ограничения, которые определяются особенностями оборудования и системного программного обеспечения ВСРВ. Число работ, входящих в расписание обмена, для современных бортовых ВСРВ может достигать нескольких сотен.
На сегодня хорошо осознаны невозможность ручного построения расписания для современных ВСРВ и необходимость автоматизации построения расписания, которое бы включало все работы и удовлетворяло всем наложенным ограничениям. Существующие инструментальные системы для статического планирования вычислительных задач и/или обмена данными в бортовых системах реального времени [4, 5] не поддерживают ряд практически важных ограничений на расписание (примеры ограничений приводятся далее).
В данной статье представлена инструментальная система, поддерживающая автоматическое построение расписаний обмена данными по каналу с централизованным управлением MIL STD-1553B. Описаны требования к системе, функциональность, технологический процесс использования и примеры её практического применения.
Рабочая нагрузка на канал с централизованным управлением состоит из набора сообщений, каждое из которых необходимо периодически передавать по каналу. Для каждого сообщения известна его длительность и требуемая частота передачи. Одному сообщению может соответствовать несколько работ. Длительность интервала планирования lint, для которого должно быть построено расписание, равна наименьшему общему кратному периодов сообщений (период является обратной величиной к частоте передачи). Количество работ в рамках интервала планирования, соответствующих сообщению, равняется отношению lint к периоду сообщения.
В современных судовых и авиационных ВСРВ широко используется циклическая схема вычислений и обмена данными. При циклической схеме интервал планирования разбивается на отрезки одинаковой длины, называемые подциклами. В каждом подцикле может выполняться одна цепочка работ (цепочка работ является последовательностью работ, выполняемых друг за другом без пауз). В начале и в конце подцикла есть технологические зазоры – резервные интервалы, в которые не могут быть размещены работы. В предложенной терминологии расписание – это совокупность цепочек работ. В бортовой ВСРВ расписание выполняется циклически, с периодом, равным lint.
Для некоторых сообщений могут быть заданы фазовые сдвиги, которые сужают директивные интервалы соответствующих работ. Поясним, как директивные интервалы работ определяются по периоду и фазовым сдвигам сообщения. Пусть есть сообщение m с длительностью d, периодом T и фазовыми сдвигами φ1 и φ2. Пусть ν1, ν2 и ν3 – первые три работы данного сообщения (общее число его работ равняется lint/T). Характеристики этих работ вычисляются следующим образом (i = 1, 2, 3):
левая граница директивного интервала si = (i – 1) × T + φ1;
правая граница директивного интервала fi = (i – 1) × T + φ2;
директивный интервал [si; fi];
длительность ti = d.
На рис. 1 изображены директивные интервалы (толстые горизонтальные линии) для работ v1, v2 и v3. Каждая работа должна быть выполнена внутри своего директивного интервала.
Следует заметить, что набор независимых работ может быть смоделирован набором сообщений, каждое из которых имеет период lint и фазовые сдвиги, определяющие директивный интервал для единственной работы сообщения.
Корректное расписание обмена данными должно удовлетворять набору ограничений, который включает в свой состав общие ограничения и ограничения, обусловленные технологическими требованиями к обмену данными.
Общие ограничения:
а) отсутствие коллизий (интервалы выполнения работ не должны пересекаться);
б) каждая работа должна выполняться внутри своего директивного интервала;
в) недопустимо прерывание работ.
Ограничения, обусловленные технологическими требованиями к обмену данными, например:
а) длительность подцикла;
б) резерв времени в начале подцикла;
в) резерв времени в конце подцикла;
г) сдвиг, на который можно сместить расписание вправо по временной оси без нарушения директивных сроков и других ограничений;
д) максимально допустимое число работ в цепочке;
е) ограничения на порядок работ в цепочке (например, работа по передаче сообщения m2 может быть размещена в цепочке только после работы по передаче сообщения m1).
Рис. 2 иллюстрирует ограничения 2а–2д.
Конкретный набор технологических ограничений на корректность расписания определяется особенностями оборудования и системного программного обеспечения, используемого в целевой бортовой ВСРВ. Следовательно, важным требованием к алгоритму построения расписаний является возможность настройки на различные наборы ограничений.
Перечисленные ограничения применяются к известным авторам бортовым ВСРВ, основанным на каналах MIL STD-1553B. Эти ограничения определяются не спецификой данного стандарта, а циклической схемой обмена данными и особенностями её реализации. Например, резерв времени в начале подцикла (см. ограничение 2б) необходим для того, чтобы перепрограммировать адаптер контроллера для выполнения следующей цепочки работ. Возможно применение этих ограничений в каналах с централизованным управлением:
FC-AE-1553, разработанном для упрощения миграции с унаследованных систем на основе MIL STD-1553B с минимальными изменениями в логике обмена;
STANAG 3910, в котором управляющая шина построена по стандарту MIL STD-1553B.
Существует ряд инструментальных систем [4–7], поддерживающих построение расписаний для бортовых ВСРВ. Оценим возможность применения этих систем для построения статического расписания обмена данными по каналу с централизованным управлением в рамках циклической схемы обмена данными с введёнными ограничениями на корректность расписания.
Инструментальная система [4] строит статические расписания выполнения вычислительных задач и обмена данными для систем, использующих концепцию Integrated Modular Avionics. В качестве целевой системы в [4] рассматриваются подсистемы бортовой ВСРВ самолёта Boeing 777. Эти подсистемы используют шину ARINC 659 для обмена данными между модулями. Расписание обмена данными подчинено расписанию выполнения вычислительных задач, которое строится в первую очередь. Алгоритм построения статического расписания обмена данными, описанный в [4], требует допустимости прерывания передачи сообщений (в то время как для каналов с централизованным управлением прерывание выполнения работ обычно недопустимо). Кроме того, этот алгоритм предполагает возможность начать передачу сообщения в любой момент времени (тем самым никакие сложные ограничения на корректность расписания не поддерживаются). Важной особенностью рассматриваемой в [4] инструментальной системы является возможность расширения подсистемы планирования посредством программных модулей, однако в статье не показано, что таким образом можно преодолеть фундаментальные ограничения алгоритма.
Инструментальная система [5] предназначена для статического планирования выполнения вычислительных задач. В данной системе ограничения на корректность расписания задают в процедурном виде. Существенными недостатками данной системы являются требование возможности прерывания задач и поддержка лишь ограничений на временные интервалы выполнения задач, при том что такие ограничения, как «не более одной цепочки работ в каждом подцикле», не относятся к этому виду ограничений.
Коммерческие программные инструменты проектирования систем реального времени, такие как RapidRMA [6] и TimeWiz [7], специализируются на анализе возможности динамического построения расписаний в ВСРВ и основываются на теории частотно-монотонного планирования [8], которая не учитывает введённые технологические ограничения на корректность расписания.
В табл. 1 приведены сводные результаты оценки применимости инструментальных систем [4–7] для статического построения расписания обмена с учётом описанных технологических ограничений на корректность расписания.
Ни одна из этих систем «как есть» не подходит для решения данной задачи, причём общим недостатком систем является отсутствие поддержки циклической схемы обмена и технологических ограничений на расписание. Исходные коды рассмотренных инструментальных систем недоступны, а механизмы расширения программными модулями (в случае наличия таковых) не могут устранить базовые ограничения этих систем.
Предлагаемый технологический процесс построения расписания обмена данными предполагает следующую последовательность действий/ шагов:
создание проекта – наполнение базы данных информацией о структуре бортовой сети и характеристиках рабочей нагрузки на каналы передачи данных;
автоматическое построение расписания обмена данными, являющегося полным (включающим все работы) и корректным (удовлетворяющим всем ограничениям на корректность расписания):
при необходимости – ручная корректировка расписания;
в случае если нельзя построить полное и корректное расписание – автоматическая корректировка технологических ограничений таким образом, чтобы построение расписания с обновлёнными требованиями было возможным;
генерация программного кода, задающего расписание для устройств, присоединённых к каналу;
генерация отчётов о входных данных (заданных на шаге 1) и построенных расписаниях для включения в документацию бортовой ВСРВ.
На рис. 3 показана диаграмма технологического процесса построения расписания обмена данными по отдельному каналу с централизованным управлением.
Категориям данных соответствуют прямоугольники (с прерывистой границей – для входных данных, со сплошной – для выходных). Действиям соответствуют прямоугольники со скруглёнными углами и курсивной подписью. Шаг 1 технологического процесса на диаграмме не отражён.
Для поддержки описанного технологического процесса инструментальная система построения расписания обмена данными должна:
поддерживать выполнение всех шагов процесса;
иметь модульную структуру, соответствующую шагам технологического процесса;
обеспечивать хранение исходных данных и результатов каждого шага в базе данных;
предоставлять графический интерфейс для взаимодействия с пользователем.
Для того чтобы инструментальная система построения расписания обмена данными была применима к разработке бортовых ВСРВ с различным оборудованием и программным обеспечением или к разработке различных подсистем сложной бортовой ВСРВ, эта система должна поддерживать настройку модулей в соответствии со спецификой целевого класса бортовых ВСРВ. В частности, необходима поддержка
для учёта различных технологических ограничений на корректность расписания;
настройки шаблона генерируемого программного кода;
настройки шаблонов отчётов;
построения расписаний для различных стандартов каналов с централизованным управлением [1–3].
Ни одна из рассмотренных ранее инструментальных систем не удовлетворяет всем перечисленным требованиям.
Коллективом Лаборатории вычислительных комплексов факультета вычислительной математики и кибернетики (ВМК) МГУ им. М.В. Ломоносова создана инструментальная система (ИС) «САПР циклограмм», удовлетворяющая требованиям, перечисленным в предыдущем разделе. ИС «САПР циклограмм» имеет модульную структуру (рис. 4), что позволяет путём локальных модификаций обеспечивать:
работу с различными схемами БД (на практике схема БД частично определяется требованиями организации-заказчика);
поддержку различных форматов генерируемого кода и формируемых отчётов;
поддержку различных технологических ограничений на расписание обмена данными;
настройку алгоритмов построения расписаний и алгоритмов корректировки технологических ограничений на специфику рабочей нагрузки на канал для конкретного класса ВСРВ.
ИС «САПР циклограмм» реализована на языке С++ с применением библиотеки графического интерфейса wxWidgets. В качестве СУБД поддерживается MySQL 5.x. ИС функционирует под управлением ОС Windows (XP и старше), а также Debian Linux. На рис. 5 и 6 приведены примеры экранных окон пользовательского интерфейса ИС «САПР циклограмм».
В качестве алгоритмов построения расписания в ИС используются:
жадные алгоритмы [9], обладающие высоким быстродействием, но требующие настройки на специфику рабочей нагрузки;
муравьиные алгоритмы [10], автоматически настраивающиеся на специфику рабочей нагрузки, но обладающие более высокой вычислительной сложностью по сравнению с жадными алгоритмами.
Корректировка технологических ограничений на расписание выполняется алгоритмами, описанными в [11].
ИС «САПР циклограмм» поддерживает генерацию кода задания расписания для ОС РВ «Багет», применяемой в бортовых ВСРВ отечественной разработки. Генерация кода для других ОС РВ, поддерживающих выполнение статических расписаний обмена по каналу MIL STD-1553B (в частности, QNX и VxWorks), обеспечивается за счёт настройки шаблона генерируемого кода. Шаблон ориентирован на табличную форму задания расписания. Для поддержки иной формы задания расписания (например, процедурной) достаточно внести в программный модуль генерации кода локальные модификации, не затрагивающие прочие модули ИС.
Расписания, построенные ИС «САПР циклограмм», совместимы с адаптерами MIL STD-1553B, поддерживающими выполнение цепочек работ. Такие адаптеры поставляются фирмами DDC, Condor Engineering, «Элкус» и предназначены для функционирования под управлением ОС РВ QNX, VxWorks, а также ОС Linux с расширениями реального времени.
В данном разделе описаны два примера промышленного применения ИС «САПР циклограмм».
Построение расписаний обмена данными для авиационных бортовых систем
С 2007 года ИС «САПР циклограмм» применяется для проектирования информационно-управляющих систем современных летательных аппаратов. ИС интегрирована в общий технологический процесс проектирования бортовой ВСРВ; она получает начальные данные из баз данных проекта заказчика и генерирует программный код, определяющий расписание, в требуемом формате. ИС «САПР циклограмм» на данный момент применена в двух разработках, в каждой из которых использовано несколько каналов MIL STD-1553B. Некоторые из этих каналов характеризуются высокой загрузкой (более 60%) и разнообразием частот сообщений (6 и более), что делает построение расписания для них нетривиальной задачей.
ИС «САПР циклограмм» интегрирована со стендом испытаний бортовой ВСРВ [12], используемым для тестирования бортовых систем. При работе стенда обмен данными выполняется в соответствии с расписаниями, построенными ИС; необходимые данные загружаются в стенд из базы данных проекта. Стенд построен на базе промышленных ЭВМ FASTWEL/Доломант с применением адаптеров MIL STD-1553B производства ЗАО «Элкус».
Построение расписаний обмена данными для судовых бортовых систем
ИС «САПР циклограмм» была адаптирована и использована для проектирования судовых бортовых ВСРВ. В ходе адаптации был расширен набор поддерживаемых технологических требований и добавлена поддержка нескольких форматов баз данных проекта.
Каждая из целевых бортовых ВСРВ содержит более восьми каналов MIL STD-1553B. В соответствии с иерархической организацией ВСРВ каналы имеют различные роли:
центральный канал с наиболее сложной рабочей нагрузкой;
периферийные каналы, соединяющие устройства в рамках подсистем;
локальные каналы, соединяющие между собой основное и резервное устройства в паре с «горячим» резервированием.
С помощью системы ИС «САПР циклограмм» были успешно построены расписания для всех типов каналов.
Описанная в данной статье инструментальная система «САПР циклограмм» применяется для построения расписаний обмена данными по каналам стандарта MIL STD-1553B в авиационных и судовых бортовых ВСРВ. Применение ИС «САПР циклограмм» позволило автоматизировать решение задачи построения расписаний, а также формирование программного кода, задающего расписание, и отчётов для включения в документацию на ВСРВ.
В настоящее время коллективом разработчиков ИС «САПР циклограмм» ведутся работы по расширению применяемых в ИС алгоритмов
для построения расписаний по перспективным бортовым каналам с централизованным управлением, в частности FC-AE-1553;
построения совместных расписаний выполнения вычислительных задач и обмена данными. ●
ГОСТ Р 52070–2003. Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей. – М. : Изд-во стандартов, 2003. – 23 с.
Guide to Digital Interface Standards for Military Avionic Applications : Technical report ASSC/110/6/2-ISSUE 3. – Avionics Systems Standardization Committee (ASSC). – 2006. – 249 p.
Information technology – Fibre Channel – Part 312: Avionics environment upper layer protocol MIL-STD-1553B Notice 2 (FC-AE-1553) : Technical Report TR 14165-312:2009. – International Organization for Standardization (ISO). – 2009. – 84 p.
Lee Y.-H., Kim D., Younis M., Zhou J. Scheduling tool and algorithm for integrated modular avionics systems // Proc. 19th Digital Avionics Systems Conference, October 2000. – Vol. 1. – Pp. 1C2/1–1C2/8.
Goltz H.-J., Pieth N. A Tool for Generating Partition Schedules of Multiprocessor Systems // Proc. 23rd Workshop on (Constraint) Logic Programming, September 2009. – Pp. 67–176.
Rapid RMA: The Art of Modeling Real-Time Systems [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.tripac.com/rapid-rma.
Douglass B.P. Doing Hard Time: Developing Real-Time Systems with UML, Objects, Frameworks, and Patterns // Addison-Wesley, 1999.
Liu C. L., Layland J. W. Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment // Journal of the ACM. –1973. – Vol. 20. – No. 1. – Pp. 46–61.
Костенко В.А. Алгоритмы построения расписаний для одноприборных систем, входящих в состав систем реального времени // Методы и средства обработки информации : труды Третьей всероссийской научной конференции. – М. : Издательский отдел факультета ВМК МГУ им. М.В. Ломоносова, 2009. – С. 245–258.
Balashov V.V., Balakhanov V.A., Kostenko V.A et al. A technology for scheduling of data exchange over bus with centralized control in onboard avionics systems // Proc. Institute of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. – 2010. – Vol. 224. – No. 9. – Pp. 993–1004.
Балашов В.В. Обеспечение совместимости требований к расписанию обмена по каналу с централизованным управлением [текст] : дис. … канд. физ.-мат. наук : 05.13.11 / МГУ им. М.В. Ломоносова. – М., 2010. – 171 с.
Стенд полунатурного моделирования для разработки встроенных вычислительных систем реального времени / Балашов В.В., Бахмуров А.Г., Волканов Д.Ю. и др. // Труды Четвёртой всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2009). – СПб. : ОАО «ЦТСС», 2009. – С. 215–220.
E-mail: breeze256@mail.ru
Однофазные источники бесперебойного питания Systeme Electric
Почти все современные сферы промышленности, IT-инфраструктура, а также любые ответственные задачи и проекты предъявляют повышенные требования к питающей сети – электропитание должно быть надёжным, стабилизированным и обеспечивать бесперебойную работу. В данной статье мы рассмотрим решения по однофазному бесперебойному питанию от российской компании Systeme Electric. 28.12.2023 СТА №1/2024 1107 0 0Однопроводный канал телеметрии по PLC
В статье рассматриваются методы реализации однопроводных каналов передачи данных по силовым электросетям в жилых зданиях, загородных и промышленных помещениях. В качестве информационного провода предлагается использовать проводник «нейтраль» электропроводки. Приводятся анализ возможных конфигураций каналов передачи данных этого типа и результаты экспериментальных проверок. Рассматриваются преимущества новых методов по сравнению с традиционными PLC и области возможного применения данной технологии. 28.12.2023 СТА №1/2024 1228 0 0BioSmart Quasar 7 — мал да удал
Компания BIOSMART в пандемийном 2020 году весьма своевременно представила свой первый лицевой терминал Quasar (рис. 1) с диагональю экрана 10 дюймов. Уже в следующем, 2021 году был представлен бесконтактный сканер рисунка вен ладони PALMJET (рис. 2). Ну а в текущем 2023 году компания представила новую уменьшенную модель лицевого терминала Quasar 7 (рис. 3), который смог в компактном корпусе объединить обе передовые технологии бесконтактной биометрической идентификации. 28.12.2023 СТА №1/2024 1135 0 0Открытые сетевые платформы — когда сети и вычисления в одном устройстве
Открытая сетевая платформа (ONP) – это мощное средство для реализации как простых, так и масштабных сетей, а также инструмент, который позволяет в одном высокопроизводительном устройстве реализовать целый вычислительный комплекс, объединяющий внутри себя коммутаторы, маршрутизаторы, межсетевые экраны, а также сам сервер обработки данных. Используя все преимущества данной архитектуры, компания AAEON разработала своё решение, сетевую платформу FWS-8600, на базе высокопроизводительных процессоров Intel Xeon Scalable 2-го поколения. В статье раскрыты детали и особенности ONP, характеристики FWS-8600, а также почему использование процессоров Intel Xeon Scalable 2-го поколения значительно увеличивает потенциал платформы. 28.12.2023 СТА №1/2024 1468 0 0