基于ARINC615A協(xié)議的通用軟件架構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

1、 基于ARINC615A協(xié)議的通用軟件架構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 孫永林Summary：提出一種基于ARINC615A協(xié)議的通用軟件架構(gòu)設(shè)計方案，在ARINC615A協(xié)議實現(xiàn)上，提出了軟件分層設(shè)計思想，將核心業(yè)務(wù)內(nèi)容與平臺及物理介質(zhì)間實現(xiàn)了完全解耦合。在協(xié)議包傳輸過程中，驅(qū)動層采用序列化及反序列化方式，中間數(shù)據(jù)收發(fā)層采用協(xié)議包對象整體處理，省去了協(xié)議包格式頻繁解析及轉(zhuǎn)換操作。同時，在ARINC615A協(xié)議認(rèn)知上，設(shè)計了雙文件存儲數(shù)據(jù)方式及動態(tài)調(diào)整Data包大小方式，提升了數(shù)據(jù)文件燒寫安全可靠性。對ARINC615A協(xié)議軟件實現(xiàn)提供了一種高效解決方案，同時該軟件架構(gòu)的設(shè)計思想對于復(fù)雜系統(tǒng)及總線網(wǎng)絡(luò)軟件架構(gòu)設(shè)

2、計具有一定參考價值。Key：ARINC615A協(xié)議；通用軟件架構(gòu)；軟件分層設(shè)計；雙文件存儲：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A：1008-1739（2021）02-60-50引言機(jī)載ARINC615A是一種具有高可靠性和高穩(wěn)定性的機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，廣泛應(yīng)用于民機(jī)及部分軍機(jī)程序加載過程。機(jī)載ARINC615A系統(tǒng)能夠高效完成基于數(shù)據(jù)總線的程序加載及程序管控要求。目前已成功應(yīng)用于AFDX網(wǎng)絡(luò)、FC網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等機(jī)載網(wǎng)絡(luò)總線上1，但不同網(wǎng)絡(luò)總線間軟件協(xié)議與傳輸方式差別巨大。因此，基于ARINC615A協(xié)議設(shè)計一款通用的軟件架構(gòu)能夠快速實現(xiàn)軟件協(xié)議層互聯(lián)互通。1系統(tǒng)方案基于機(jī)載數(shù)據(jù)總線ARINC615A系統(tǒng)

3、，采用C/S服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，通過高速機(jī)載數(shù)據(jù)總線，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)載產(chǎn)品目標(biāo)碼快速集中加載及卸載操作。1.1方案設(shè)計設(shè)計基于ARINC615A協(xié)議實現(xiàn)，系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示。PC端顯控軟件主要起到人機(jī)交互作用，ARINC615A協(xié)議成員組成包括管理機(jī)和目標(biāo)機(jī)，管理機(jī)和目標(biāo)機(jī)配合完成設(shè)備識別操作、信息管理操作、上傳操作及下載操作等2。管理機(jī)通常作用于機(jī)載高速總線管理端或維護(hù)端，例如：FC總線的NC節(jié)點、1553總線的BC節(jié)點等，目標(biāo)機(jī)作用于特定設(shè)備，例如綜合射頻、雷達(dá)、光電檢測等，主要完成目標(biāo)碼文件傳輸及燒寫工作。管理機(jī)端控制管理數(shù)據(jù)總線中目標(biāo)機(jī)端節(jié)點升級及版本維護(hù)工作，通過數(shù)據(jù)總線將程序文件及流程控

4、制命令發(fā)送至目標(biāo)機(jī)，目標(biāo)機(jī)依據(jù)協(xié)議文件對控制命令解析并上傳控制結(jié)果。目標(biāo)機(jī)接收加載管理端傳輸?shù)某绦蛭募?，對文件校驗后，將程序固化至自身系統(tǒng)相應(yīng)Flash文件中，完成數(shù)據(jù)文件上傳操作3。下載操作主要包含媒介者模式及操作者模式。目標(biāo)機(jī)讀取配置項文件目標(biāo)碼信息，按照對應(yīng)協(xié)議文件將目標(biāo)碼數(shù)據(jù)文件傳輸至管理機(jī)端，管理機(jī)負(fù)責(zé)處理解析協(xié)議文件，獲取數(shù)據(jù)文件并上傳至PC顯控軟件，負(fù)責(zé)配置項管理工作。1.2軟件設(shè)計PC端顯控軟件使用QT協(xié)議框架，搭建應(yīng)用程序界面，主要實現(xiàn)各個目標(biāo)機(jī)文件配置管理操作。軟件框架基于狀態(tài)機(jī)管理實現(xiàn)目標(biāo)機(jī)加載申請、文件傳輸、加載狀態(tài)回傳及配置項目標(biāo)碼獲取操作。目標(biāo)機(jī)及管理機(jī)基于嵌入式平

5、臺開發(fā)，目前能夠兼容主流操作系統(tǒng)Linux、VxWorks等，目標(biāo)機(jī)與管理機(jī)數(shù)據(jù)傳輸基于嚴(yán)格問答機(jī)制實現(xiàn)，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。數(shù)據(jù)傳送依賴簡單文件傳輸協(xié)議（TFTP）實現(xiàn)，繼承其超時時間設(shè)置、CRC16校驗和消息重傳等機(jī)制，確保文件傳輸完整性4。其中，協(xié)議文件是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的最終傳輸和維護(hù)傳輸?shù)陌踩煽慷x的包含一組特殊格式和信息的文件，數(shù)據(jù)文件是真實傳輸內(nèi)容。目標(biāo)機(jī)與管理機(jī)數(shù)據(jù)交互流程如圖2所示。目標(biāo)機(jī)與管理機(jī)基于ARINC615A協(xié)議實現(xiàn)協(xié)議文件及數(shù)據(jù)文件傳送。加載端是數(shù)據(jù)的發(fā)起者，加載端接收用戶的各種命令，如上傳、下載、搜尋、控制等，把命令轉(zhuǎn)換成符合ARINC615A協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸流

6、程，目標(biāo)端是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮斩?，目?biāo)應(yīng)用程序接收符合ARINC615A協(xié)議的命令和內(nèi)容，并轉(zhuǎn)換成消息傳輸給用戶。2通用軟件架構(gòu)設(shè)計ARINC615A協(xié)議目標(biāo)機(jī)及管理機(jī)軟件架構(gòu)基于通用框架，能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺數(shù)據(jù)交互及多種數(shù)據(jù)總線兼容，同時，軟件分層設(shè)計思想能夠應(yīng)用于其他復(fù)雜機(jī)載系統(tǒng)中。2.1軟件設(shè)計層次劃分由于ARINC615A協(xié)議是機(jī)載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)與航線可更換單元（LRU）之間數(shù)據(jù)加卸載標(biāo)準(zhǔn)，因此，在軟件設(shè)計時獨立于現(xiàn)有功能軟件服務(wù)架構(gòu)。與此同時，數(shù)據(jù)加卸載模塊基于開放式軟件設(shè)計思想實現(xiàn)多型號、多總線、多平臺兼容5。軟件架構(gòu)設(shè)計依據(jù)數(shù)據(jù)傳送階段，軟件設(shè)計分層如圖3所示。軟件架構(gòu)設(shè)計中跨平臺驅(qū)動層和

7、總線協(xié)議轉(zhuǎn)換層分別完成軟件運行平臺通用化及總線協(xié)議通用化處理。ARINC615A協(xié)議層部分實現(xiàn)加載數(shù)據(jù)流程，完成協(xié)議文件及數(shù)據(jù)文件收發(fā)。用戶接口層主要完成數(shù)據(jù)加卸載模塊初始化、文件固化及加載結(jié)果反饋等操作。ARINC615A協(xié)議基于TFTP包格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。TFTP協(xié)議定義了6種類型的數(shù)據(jù)，不同類型數(shù)據(jù)采用操作碼區(qū)分6。為了實現(xiàn)協(xié)議類型集中統(tǒng)一處理，數(shù)據(jù)收發(fā)接口及總線協(xié)議轉(zhuǎn)換層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，完成了字節(jié)流到協(xié)議包序列化和反序列化操作。2.2協(xié)議包架構(gòu)設(shè)計ARINC615A核心層處理流程包含數(shù)據(jù)接收及數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)接收及處理流程如圖4所示。協(xié)議格式轉(zhuǎn)換處理主要解決了不同總線傳輸協(xié)議格式不一

8、致問題，兼容不同數(shù)據(jù)總線軟件協(xié)議。在接收到的原始數(shù)據(jù)中篩選出不同操作碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式，反序列化操作是將接收的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理及篩選，包括數(shù)據(jù)有效性判定、數(shù)據(jù)格式包轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)體格式數(shù)據(jù)對象。如果數(shù)據(jù)內(nèi)容無效或非等待接收操作碼信息，返回錯誤信息至上層接口接收層完成后續(xù)操作。在發(fā)送協(xié)議數(shù)據(jù)包時，通用軟件架構(gòu)依然能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議包對象集中處理，完成基于ARINC615A協(xié)議的數(shù)據(jù)分發(fā)任務(wù)，數(shù)據(jù)解析及發(fā)送端處理流程如圖5所示。數(shù)據(jù)發(fā)送及處理軟件架構(gòu)設(shè)計也是基于開發(fā)式標(biāo)準(zhǔn)ARINC615A協(xié)議，能夠做到流程與數(shù)據(jù)文件完全解耦合。數(shù)據(jù)發(fā)送過程不僅能夠完成數(shù)據(jù)校驗操作，還可以根據(jù)不同協(xié)議類型完成序列化操

9、作。2.3 TFTP文件操作架構(gòu)設(shè)計目標(biāo)機(jī)和管理機(jī)所有協(xié)議包的數(shù)據(jù)傳輸均基于TFTP協(xié)議。ARINC615A協(xié)議以TFTP協(xié)議為傳輸方式，定義了一系列協(xié)議文件和數(shù)據(jù)文件的傳輸內(nèi)容和傳輸時序，從而保證文件傳輸?shù)恼_可控。由于不同文件系統(tǒng)及硬件介質(zhì)文件讀寫速率差別較大，為了實現(xiàn)軟件設(shè)計通用化目的，文件傳輸采用獨立現(xiàn)場集中讀寫，避免由于文件讀寫時間過長造成協(xié)議包數(shù)據(jù)傳輸超時7。文件傳輸過程中讀寫操作故障或流程處理不一致，上報對應(yīng)故障碼信息及錯誤描述。TFTP文件讀寫操作軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。2.4讀寫請求架構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)ARINC615A協(xié)議中規(guī)定，管理機(jī)和目標(biāo)機(jī)均可發(fā)起讀請求與寫請求，完成文件傳輸

10、。文件讀寫請求是ARINC615A協(xié)議傳輸起點，同時也是ARINC615A協(xié)議實現(xiàn)的靈魂。目標(biāo)機(jī)與管理機(jī)依托匹配的ARINC615A協(xié)議版本完成文件傳送，讀寫請求發(fā)起端軟件設(shè)計流程如圖7所示。讀寫請求設(shè)計流程中，目標(biāo)機(jī)和管理機(jī)按照對應(yīng)協(xié)議格式完成文件解析操作。除FIND操作外，其他傳輸階段、目標(biāo)機(jī)及管理機(jī)都具有隨時發(fā)送及讀取對方發(fā)送狀態(tài)信息功能，管理機(jī)收集加卸載狀態(tài)上傳至顯控軟件，完成軟件加卸載要求。3 ARINC615A協(xié)議提升改進(jìn)為了能夠更穩(wěn)定高效地完成數(shù)據(jù)加卸載功能，實際軟件開發(fā)過程中，在ARINC615A協(xié)議上增加了冗余處理、動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)交互長度、安全性驗證方面進(jìn)行了嘗試。3.1雙文

11、件存儲技術(shù)在程序文件燒寫固化過程中，由于電源穩(wěn)定性、Flash芯片使用壽命等原因，存在一定概率程序燒寫失敗問題。為了解決上述問題，通用軟件架構(gòu)平臺采用雙文件存儲技術(shù)，能夠有效避免由于燒寫失敗造成的系統(tǒng)異常等問題。雙文件存儲技術(shù)軟件設(shè)計流程如圖8所示。雙文件存儲技術(shù)主要實現(xiàn)方法是在Flash芯片規(guī)劃出2塊物理地址空間，系統(tǒng)默認(rèn)從A區(qū)域啟動操作地址及功能模塊，如果A區(qū)域啟動失敗，自動調(diào)整至B區(qū)域完成啟動工作，同時將B區(qū)域內(nèi)容復(fù)制至A區(qū)域。在程序燒寫過程中，采用A區(qū)燒寫，B區(qū)保存上一個程序版本。該技術(shù)能夠有效避免外場維修升級過程中，由于操作錯誤或燒寫失敗造成功能缺失等問題。3.2動態(tài)自適應(yīng)傳輸特性由

12、于芯片制造工藝等原因，在嵌入式系統(tǒng)中不同F(xiàn)lash芯片燒寫速率不同，即使同種芯片不同批次Flash芯片也存在燒寫差異性。在數(shù)據(jù)加卸載軟件過程中，讀寫請求發(fā)出后等待接收OACK包，OACK包中攜帶了單次數(shù)據(jù)文件傳輸最大字節(jié)數(shù)。為了應(yīng)對Flash芯片擦寫差異性，通用軟件架構(gòu)設(shè)計了測試物理鏈路協(xié)議。采用測試數(shù)據(jù)文件動態(tài)傳輸過程中多態(tài)調(diào)整單包數(shù)據(jù)文件大小，計算出該通路下BLKSIZE值。在數(shù)據(jù)傳輸后續(xù)階段，基于計算BLKSIZE值，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定高效。4實驗驗證為了驗證通用軟件架構(gòu)設(shè)計實驗效果，分別采用FC總線、以太網(wǎng)總線和AFDX網(wǎng)絡(luò)總線驗證數(shù)據(jù)加卸載系統(tǒng)軟件設(shè)計。為了驗證不同機(jī)載總線軟件設(shè)計通用

13、性，基于相同硬件平臺PPC8280板卡，操作系統(tǒng)分別為VxWorks5.5.1和Llinux2.7，基于相同測試文件alt.bin進(jìn)行數(shù)據(jù)加卸載。部分實驗結(jié)果如圖9所示。通過上述實驗驗證，證明了通用軟件架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)基于ARINC615A協(xié)議的軟件開發(fā)。4結(jié)束語實現(xiàn)了基于ARINC615A協(xié)議的通用軟件架構(gòu)設(shè)計方案，通過軟件分層設(shè)計理念，完成了ARINC615A協(xié)議跨平臺、通用化軟件架構(gòu)設(shè)計。與此同時，針對ARINC615A協(xié)議實際應(yīng)用中，文件燒寫及存儲方面提出了優(yōu)化方法，并成功應(yīng)用于航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)加卸載模式設(shè)計中。本文對ARINC615A協(xié)議理論研究及軟件實現(xiàn)具有一定指導(dǎo)意義，也能夠?qū)νㄓ没脚_

14、軟件建設(shè)提供一些方法。Reference1 Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC Report615-3-2007，Software Data Loader Using Ethernet InterfaceS.USA：Aeronautical Radio.INC.，2007.2熊華鋼，王中華.先進(jìn)航空電子綜合技術(shù)M.北京：國防工業(yè)出版社，2009.3 Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC 653-1， Avionics Application Software Standard InterfaceS.USA： Aeronautical Radio.INC.，Airlines Electronic Engineering Committee， 2006.4周江，王偉平，孟丹，等.面向大數(shù)據(jù)分析的分布式文件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)J.計算機(jī)研究與發(fā)展，2014，51（2）：382-394.5張磊，林榮超，牛文生.小型飛機(jī)航空電子系統(tǒng)容錯技術(shù)研究J.航空計算技術(shù)，2011，41（1）：106-110.6 Airlines Electronic Engineering Committee.ARINC Report 615A-3-2007，Software Data Loader