Устройство и архитектура операционной системы реального времени

Современные авиалайнеры, такие как Airbus A320, Boeing 787, перспективный отечественный самолёт МС-21, используют новую архитектуру построения комплекса бортового оборудования, получившую название Интегрированная модульная авионика (ИМА). В её основе лежит объединение приборов и бортовых вычислителей в единую сеть реального времени, что позволяет существенно снизить количество кабелей на борту и, тем самым, уменьшить взлётный вес лайнера. В ИМА разделяются функции сбора информации (датчики), воздействия (актуаторы) и логики оказания управляющих воздействий, которая реализуется специализированным прикладным ПО в бортовых вычислительных модулях. Международный стандарт ARINC 653 описывает требования к операционной системе реального времени, устанавливаемой на таких модулях, и программный интерфейс между прикладным авиационным ПО и операционной системой. Данный стандарт регламентирует временное и пространственное разделение прикладного ПО в соответствии с принципами ИМА. Большинство ОСРВ соответствующих стандарту ARINC 653 являются коммерческим ПО. В данной статье представляется JetOS - ОСРВ с открытым исходным кодом полностью соответствующую требованиям ARINC 653 части 1 версии 3. JetOS была основана на открытом проекте французских исследователей POK. Некогда POK была единственной ОСРВ с открытым исходным кодом, которая хоть сколько-нибудь соответствовала требованиям стандарта ARINC 653, однако была непригодна для практического использования: POK не удовлетворяла ряду фундаментальных требований ARINC 653 и работала только в эмуляторе. При разработке JetOS код POK был существенно переработан. В статье мы обсуждаем недостатки POK и показываем, как нам удалось решить эти проблемы и какие изменения были внесены в архитектуру и реализацию POK и отдельным подсистем. В частности, был полностью переписан планировщик реального времени, сетевой стек и управление памятью. Также в JetOS были добавлены новые возможности. Наиболее интересной является поддержка системных разделов. Системный раздел - специальное прикладное ПО с расширенным набором возможностей, таких как прямой доступ к отдельным аппаратным средствам (сетевой карте, PCI контроллеру и т.п.). Наличие системных разделов позволяет вынести крупные подсистемы из ядра ОС и оставить в ядре минимальный набор задач, связанных с переключением контекстов, планировщиком и обменом сообщениями между компонентами ПО. В частности, в системный раздел вынесена подсистема, отвечающая за взаимодействие через сеть. Данное перемещение кода позволяет уменьшить размер ядра ОС, что теоретически уменьшает вероятность наличия ошибки в ядре и упрощает процесс верификации ядра.

ARINC 653, ОСРВ, операционная система реального времени, ИМА, интегрированная модульная авионика

1. Avionics application software standard interface part 0 overview of ARINC 653, ARINC specification 653P0-1, August 3, 2015

2. Avionics application software standard interface part 1 – required services, ARINC specification 653P1-3, November 15, 2010

3. G. Bloom, J. Sherrill. 2014. Scheduling and thread management with RTEMS. SIGBED Rev. 11, 1 (February 2014), 20-25. DOI=http://dx.doi.org/10.1145/2597457.2597459

4. C. S. Stangaciu, M. V. Micea, V. I. Cretu; Hard real-time execution environment extension for FreeRTOS Conference: IEEE International Symposium on RObotic and SEnsors Environments (ROSE 2014), At Timisoara DOI: 10.1109/ROSE.2014.6953035

5. VxWorks 653 http://www.windriver.com/products/product-overviews/PO_VxWorks653_Platform_0210.pdf

6. R. Kaiser, S. Wagner: Evolution of the PikeOS Microkernel, MIKES: 1st International Workshop on Microkernels for Embedded Systems. 2007

7. LynxOS http://www.lynx.com/products/real-time-operating-systems/lynxos-rtos/

8. M. Masmano, Y. Valiente, P. Balbastre, I. Ripoll, A. Crespo, J.J. Metge, 2010. LithOS: a ARINC-653 guest operating for XtratuM. In Proc. of the 12th Real-Time Linux Workshop, Nairobi (Kenya).

9. M. Masmano, I. Ripoll, A. Crespo, and J.J. Metge. XtratuM: a Hypervisor for Safety Critical Embedded Systems. 11th Real-Time Linux Workshop. Dresden. Germany. http://www.xtratum.org/files/xm_rtlw09.pdf

10. S. H. VanderLeest. ARINC 653 hypervisor. In Proc. Of IEEE/AIAA DASC, Oct. 2010.

11. J. Delange, L. Lec, 2011. POK, an ARINC653-compliant operating system released under the BSD license. In 13th Real-Time Linux Workshop (Vol. 10). http://julien.gunnm.org/data/publications/articledl11-osadl11.pdf

12. S. Han and H.-W. Jin. 2012. Kernel-level ARINC 653 partitioning for Linux. In Proceedings of the 27th Annual ACM Symposium on Applied Computing (SAC '12). ACM, New York, NY, USA, 1632-1637. DOI=http://dx.doi.org/10.1145/2245276.2232037