Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів
The problem of designing advanced computing systems in the class of structures of integrated modular avionics is considered. The unified topology of the internal network of the computer on the basis of Space Wire exchange channels and variants of its execution for various onboard applications is off...
Saved in:
| Date: | 2021 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
2021
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/240003 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | System research and information technologies |
| Download file: |  |
Institution
System research and information technologies| _version_ | 1867334417914003456 |
|---|---|
| author | Kozlyuk, Iryna Kovalenko, Yuliia |
| author_facet | Kozlyuk, Iryna Kovalenko, Yuliia |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Iryna Kozlyuk",
"institution": "Національний авіаційний університет, Київ"
},
{
"author": "Yuliia Kovalenko",
"institution": "Національний авіаційний університет, Київ"
}
] |
| author_sort | Kozlyuk, Iryna |
| baseUrl_str | http://journal.iasa.kpi.ua/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2021-09-16T11:48:22Z |
| description | The problem of designing advanced computing systems in the class of structures of integrated modular avionics is considered. The unified topology of the internal network of the computer on the basis of Space Wire exchange channels and variants of its execution for various onboard applications is offered. Equivalent reliability schemes of each of the specific structures are introduced and the probabilities of trouble-free operation of each structure are analyzed. Families of graphic dependencies are given. The analysis of the existing principles and algorithms for testing multiprocessor multimodal onboard digital computer systems is given; the new testing algorithm for the multiprocessor systems which follows the software design standards for products of integrated modular avionics is offered. The structure of the unified automated workplace for checking the functional modules of integrated modular avionics is considered. Specific requirements inherent in the workplaces for testing integrated avionics are identified: an increased level of control of the hardware component of products; the ability to simulate the failure state of individual components of avionics to check the mode of reconfiguration of the computer system; modular construction of software with the division of verification tests into components performed at the level of each CPM and the computer as a whole in single-task and multitasking modes; openness of architecture of a workplace, which provides an ability to change the level of control complexity of a product and control of one class of complexity; intra-project unification of both hardware and software of the workstation of the inspection. |
| doi_str_mv | 10.20535/SRIT.2308-8893.2021.2.07 |
| first_indexed | 2025-07-17T10:27:27Z |
| format | Article |
| fulltext |
І.О. Козлюк, Ю.Б. Коваленко, 2021
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2021, № 2 84
УДК 004. 629.735.05
DOI: 10.20535/SRIT.2308-8893.2021.2.07
НАДІЙНІСТЬ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ СТРУКТУР
ІНТЕГРОВАНОЇ МОДУЛЬНОЇ АВІОНІКИ
ДЛЯ КОНФІГУРАЦІЙ АПАРАТНИХ ЗАСОБІВ
І.О. КОЗЛЮК, Ю.Б. КОВАЛЕНКО
Анотація. Розглянуто задачу проєктування перспективних обчислювальних
систем у класі структур інтегрованої модульної авіоніки (ІМА). Запропонова-
но уніфіковану топологію внутрішньої мережі обчислювача на базі каналів
обміну SpaceWire і варіанти її виконання для різних бортових додатків. Уведе-
но еквівалентні схеми надійності кожної із частинних структур і проаналізова-
но ймовірність безвідмовної роботи кожної структури. Наведено сім’ї графіч-
них залежностей. Подано аналіз існуючих принципів та алгоритмів організації
тестування мультипроцесорних багатомодульних бортових цифрових обчис-
лювальних систем, запропоновано новий алгоритм тестування мультипроце-
сора, що відповідає стандартам проєктування програмного забезпечення для
виробів ІМА. Розглянуто структуру уніфікованого автоматизованого робочого
місця (АРМ) для перевірки функціональних модулів ІМА. Виявлено специфіч-
ні вимоги, властиві робочим місцям з перевірки інтегрованої авіоніки: підви-
щений рівень контролю апаратурної складової виробів; можливість імітації
стану відмови окремих компонентів авіоніки для перевірки режиму реконфігу-
рування обчислювальної системи; модульну побудову програмного забезпе-
чення з поділом тестів перевірки на компоненти, що виконуються на рівні ко-
жного конструктивно-функціонального модуля і обчислювача в цілому в
однозадачному і багатозадачному режимах; відкритість архітектури робочого
місця, що забезпечує можливість зміни рівня складності керування виробом і
налаштування одного класу складності; внутріпроєктну уніфікацію як апарат-
них засобів, так і програмного забезпечення АРМ перевірки.
Ключові слова: інтегрована модульна авіоніка, обчислювальні системи, оці-
нювання показників надійності, імовірність безвідмовної роботи.
ВСТУП
Авіаційні обчислювачі класу ІМА (інтегрована модельна авіоніка) являють
собою мультипроцесорні багатомодульні обчислювальні системи [5; 13], до
складу яких входять такі уніфіковані функціональні модулі (ФМ): модуль
обчислювальний (МО), модуль графічний (МГ), модуль введення–
виведення (МВВ), модуль масової пам’яті (ММП). Напруга живлення на
ФМ забезпечує модуль напружень. На базі ФМ проєктуються: бортова циф-
рова обчислювальна система (БЦОС), бортова графічна станція, бортова ін-
терфейсна станція, бортова система картографічної інформації і ряд інших
виробів авіаційної промисловості, що реалізують на борту літального апара-
та обчислювальні функції [9, 10].
Отже, суттєвими для оцінювання надійності обчислювачів класу ІМА є
внутрішня структура обчислювача [15–19]; як така розглядається схема
зв’язку ФМ у виробі і λ-характеристики надійності елементної бази ФМ, що
входить у виріб. Надійність виробу оцінюється шляхом аналітичного виве-
Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій
Системні дослідження та інформаційні технології, 2021, № 2 85
дення виразу для ймовірності P(t) безвідмовної роботи виробу і побудови
сім’ї графіків залежності цієї ймовірності на заданому часовому інтервалі.
Часовий інтервал характеризує очікуваний час безперервної роботи виробу
в експлуатації.
АНАЛІЗ ЛІТЕРАТУРНИХ ДАНИХ І ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМИ
На сучасному етапі розвитку авіаційного обладнання ускладнення завдань,
які виконуються БЦОС, уведення нових структурних і схемотехнічних рі-
шень зумовили появу різних підходів до організації тестування БЦОС. У
разі ускладнення процедур тестового контролю дотепер використовують
схеми перевірки БЦОС, що не задовольняють принципи побудови перспек-
тивних БЦОС [1– 3, 6, 11, 13, 14]:
реалізація в обчислювачі послідовної схеми перевірки виявляється
ресурсомісткою і недопустимою для пристроїв, що працюють у реальному
масштабі часу за критерієм мінімізації директивного часу виконання борто-
вого завдання;
реалізація в обчислювачі паралельної схеми перевірки здійснюється
одночасно для всіх конструктивно-функціональних модулів, однак внутрі-
шні вузли модуля перевіряються, як і раніше, за послідовною схемою.
Згідно з концепцією ІМА [5, 7, 9, 12], кожен конструктивно-
функціональний модуль у складі БЦОС містить обчислювальний вузол під-
тримання модуля (ВПМ), однією з функцій якого є управління і контроль
стану справності модуля. ВПМ забезпечує управління вбудованими засоба-
ми перевірки, щоб стан справності, формування та збереження контексту
параметрів діагностики, системне управління коштами резервування для
парирування виявляються несправностей.
Наукова новизна дослідження полягає у розробленні математичної мо-
делі оцінювання ймовірності безвідмовної роботи обчислювальної системи,
що входить у програму забезпечення надійності повітряних суден, створю-
ваних на етапі виготовлення і випробувань дослідних зразків виробів обчис-
лювальної техніки авіаційного застосування. Тобто математична модель
оцінювання ймовірності безвідмовної роботи повітряного судна ІМА, що
враховує різні актуальні для авіаційної промисловості способи резерву-
вання функціональних елементів (модулів) повітряного судна: резервування
на рівні підсистем, резервування на рівні однотипних функціональних мо-
дулів і ковзне резервування на рівні ідентичних функціональних модулів. А
також запропоновано алгоритми і комплекс програм для контролю функціо-
нальних елементів повітряного судна ІМА, що застосовуються у складі уні-
фікованого АРМ на заводі-виробнику, що відрізняються від відомих моду-
льним принципом побудови структури тестів з поділом модулів тестів за
функціональною належністю кожного тестованого компонента.
Мета роботи: подання результатів оцінювання надійності обчислюва-
льних структур ІМА для різних конфігурацій апаратних засобів.
Постановка проблеми: проєктування виробів обчислювальної техніки у
класі структур інтегрованої модульної авіоніки, призначених для експлуата-
ції в авіаційній промисловості, пов’язане з необхідністю розробляти спеціа-
лізовані алгоритми та програмні засоби контролю технічного стану апарату-
ри. Алгоритми контролю гарантують задану повноту і достовірність
перевірки під час проведення етапів тестування мультипроцесорів та їх
компонентів на заводі-виробнику і в експлуатації.
І.О. Козлюк, Ю.Б. Коваленко
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2021, № 2 86
Методи: контроль стану апаратури здійснюваний у складі АРМ (на за-
воді-виробнику) та автономно (в експлуатації). Алгоритми контролю перед-
бачають перевірку фізичної справності компонентів авіоніки і перевірку ло-
гічних зв’язків компонентів (протоколів обміну), задіяних в
обчислювальних процесах.
ОСНОВНА ЧАСТИНА
Варіанти внутрішньої структури обчислювачів ІМА. Універсальну фун-
кціональну схему бортового обчислювача класу ІМА зображено на рис. 1.
Схема об’єднує набір ФМ типу МО, МГ, МВВ та ФМ типу ММП. Тополо-
гію внутрішньої мережі зв’язку ФМ побудовано за принципом «кожен з ко-
жним». Фізичним середовищем поширення інформації є провідні лінії пере-
давання даних відповідно до специфікації стандарту SpaceWire. Обчислювач
побудований за двоконтурним принципом і складається з двох ідентичних
підсистем [8].
На основі універсальної функціональної схеми обчислювача класу ІМА
на практиці розробляються різні варіанти внутрішніх структур виробів
авіоніки, що реалізуються на логічному рівні [3, 4]. Варто відзначити, що
фізичне середовище поширення інформації у виробі відповідає схемі зв’язку
(рис. 1), а логічне середовище поширення інформації організовується про-
грамними засобами. Таким чином, не кожна фізична лінія передавання ін-
формації виявляється задіяною в логічному протоколі обміну.
Рис. 1. Універсальна функціональна схема обчислювача класу ІМА (а) і зовнішній
вигляд БЦОС (б)
Підсистема 1 Підсистема 2
ФМ
ФМ
ФМ
ФМ
ФМ
ФМ
ФМ
ФМ
ММП ММП
Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій
Системні дослідження та інформаційні технології, 2021, № 2 87
Найбільш поширені варіанти виконання бортової апаратури показано
на рис. 2, зокрема на рис. 2, а зображено схему внутрішнього зв’язку ФМ в
обчислювальній системі, розділеній на дві ідентичні підсистеми, у кожній з
яких задіяно по чотири ФМ і по одному ММП. У складі об’єкта (літального
апарата) підсистеми резервують одна одну. У разі відмови одного із ФМ у
підсистемі вся підсистема вважається несправною, функції обчислювача
виконує резервна підсистема. На рис. 2, б зображено схему внутрішнього
зв’язку ФМ у БЦОС, що складається із чотирьох ФМ різного типу. Кожен
ФМ резервується ідентичним ФМ такого ж типу. Загальна кількість
функціональних модулей в обчислювальній системі відповідає варіанту рис.
2, а. Модулі ММП резервують один одного. Завдання між підсистемами не
розподіляються; кожен модуль підсистеми резервує ідентичний модуль ін-
шої підсистеми. На рис. 2, в зображено схему внутрішнього зв’язку ФМ в
обчислювальній системі, що складається з двох ММП і восьми ідентичних
ФМ, наприклад, МО. Обчислювальна система використовується в разі, коли
для виконання заданих функцій авіоніки потрібен обчислювальний ресурс
тільки чотирьох ФМ і одного ММП; друга група модулів в тому ж складі
перебуває в резерві. Усі ФМ, що перебувають у резерві, можуть замінити
будь-який із ФМ, що відмовили в польоті, тобто резервування в обчислю-
вачі ІМА реалізовано не на рівні підсистем, а на рівні ФМ. На рис. 3 зобра-
жено еквівалентні схеми для кожної зі схем, зображених на рис. 2.
ММП
ФМ ФМ ФМ ФМ
ФМ ФМ ФМ ФМ
ММП
ММП
ФМ3
ФМ2
ФМ1 ФМ1
ФМ3
ФМ2
ФМ4 ФМ4
ММП
a
б
Рис. 2. Варіанти виконання бортових обчислювальних систем класу ІМА
а — резервування на рівні підсистем; б — резервування на рівні однотипних ФМ
І.О. Козлюк, Ю.Б. Коваленко
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2021, № 2 88
Оцінювання ймовірності безвідмовної роботи обчислювачів ІМА.
Нехай імовірність безвідмовної роботи )(tP одного ФМ знаходиться за
формулою
tetP )(ФМ ,
де — інтенсивність відмов елементної бази модуля; t — час польоту лі-
тального апарата.
У варіанті еквівалентної схеми надійності (рис. 3, а) імовірність безвід-
мовної роботи )(tP обчислювача ІМА буде визначатися за формулою
)))( )((1(1)( 24
ФМММП1 tPtPtP , (1)
де PММП )(t — імовірність безвідмовної роботи ММП; PФМ )(t — імовірність
безвідмовної роботи ФМ.
У варіанті еквівалентної схеми надійності (рис. 3, б) імовірність безвід-
мовної роботи )(tP обчислювача ІМА становитиме
)))(1(1()))(1(1[(])(t)1(1[)( ФМ2ФМ1
2
ММП2 tPtPPtP
)))(1(1()))(1(1( ФМ4ФМ3 tPtP , (2)
де PФМi )(t — імовірність безвідмовної роботи для i-го ФМ.
У варіанті еквівалентної схеми надійності (рис. 3, в) імовірність безвід-
мовної роботи )(tP обчислювача ІМА буде визначатися як
8
4
8
ФМФМ
82
ММП3 ]))(1()([]))(1(1[)(
i
ii
i
tPtPCtPtP . (3)
Якщо вважати імовірність безвідмовної роботи всіх ФМ приблизно од-
наковою, тобто до складу кожного ФМ входить приблизно одна й та сама
кількість радіоелементів з порівнянними показниками λ-характеристик, ви-
рази (1)–(3) набудуть вигляду відповідно:
;))(1(1)( 25
1 tPtP (4)
;]))(1(1[]))(1(1[)(
4
1
22
2
i
tPtPtP (5)
Рис. 2. Закінчення. (Див.також с.87)
ММП
ФМ
ФМ
ФМ ФМ
ФМ
ФМ
ФМ ФМ
ММП
в
Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій
Системні дослідження та інформаційні технології, 2021, № 2 89
.]))(1()([]))(1(1[)(
8
4
882
3
i
ii
i tPtPCtPtP (6)
Сім’ї залежностей для різних варіантів застосування схем резервування
в обчислювачах ІМА показано на рис. 4; зокрема на рис. 4, а — залежність
ймовірності безвідмовної роботи для варіанта виконання обчислювальної
системи на цивільному літаку. Для виконання розрахунків взято час польоту
літального апарата — 25 год.
Суцільною лінією на рис. 4 показано криву, що відповідає ймовірності
безвідмовної роботи для еквівалентної схеми надійності, зображеної на рис.
3, а, штрих-пунктирною — криву, що відповідає ймовірності безвідмовної
роботи для еквівалентної схеми надійності рис. 3, б, пунктирною — криву,
що відповідає ймовірності безвідмовної роботи для еквівалентної схеми на-
дійності рис. 3, в.
Для побудови графіків для визначеності взято λ-характеристику надій-
ності ФМ, що становить 5010-6 1/год.
Залежність імовірності безвідмовної роботи обчислювача ІМА для ва-
ріанта виконання апаратури на морському судні показано на рис. 4, б. Час
плавання — 4 дні (96 год). Залежність ймовірності безвідмовної роботи для
ММП
ММП ФМ1
ФМ1
ФМ2
ФМ2
ФМ3
ФМ3
ФМ4
ФМ4
ММП
ММП МО
МО
МО
МО
МО
МО
МО
МО
а
б
ФМ
ФМ
ФМ
ФМ
ФМ ФМ ФМ
ММП
ММП
ФМ
в
Рис. 3. Еквівалентні схеми надійності: а — резервування на рівні підсистем;
б — резервування на рівні однотипних ФМ; в — ковзне резервування на рівні
ідентичних ФМ
І.О. Козлюк, Ю.Б. Коваленко
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2021, № 2 90
варіанта виконання обчислювальної системи на космічному апараті
показано на рис. 4, в. Час польоту — 5000 год.
Рис. 4. Сім’ї залежностей ймовірностей безвідмовної роботи: а — для літака (25 год);
б — для морського судна (96 год); в — для космічного апарата (5000 год)
1
0,92
0,83
0,75
0,66
0,58
0,49
0 833,33 1,67103 2,5103 3,33103 4,17103 5103
P(t)
t, год
в
1
0,999994
0,999987
0,999981
0,999974
0,999968
0,999961
0 4,17 8,33 12,5 16,67 20,83 25
P(t)
t, год
а
1
0,999991
0,999981
0,999972
0,999963
0,999953
0,999944
0 16 32 48 64 80 96 t, год
б
P(t)
Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій
Системні дослідження та інформаційні технології, 2021, № 2 91
Середнє напрацювання на відмову обчислювальних систем для розгля-
нутих випадків буде розраховуватися за формулою
0
( )T P t
. (7)
Результати розрахунків, отримані за формулами (4)–(7), такі:
6000)(1
tPT год, 10127)(2
tPT год, 14444)(3
tPT год.
ВИСНОВКИ
У результаті дослідження розглянуто різні варіанти реалізацій внутрішньої
структури БЦОС класу ІМА. У варіанті виконання, коли система розділена
на дві підсистеми, кожна з якої складається з ММП і 4 ФМ, для справного
стану обчислювача необхідно, щоб усі модулі однієї підсистеми були
працездатні. У разі відмови хоча б одного ФМ уся підсистема вважається
несправною. Для такої системи середнє напрацювання на відмову станови-
тиме 6000 год за λ-характеристики ФМ на рівні 5010-6 1/год.
У варіанті виконання, коли в системі наявні 4 різновиди ФМ, кожен
з яких резервується одним модулем такого ж типу, і 2 модулі ММП, один
з яких перебуває в резерві, для виходу з ладу системи необхідно, щоб
відмовили або одночасно 2 ММП , або два ФМ одного типу. Середнє на-
працювання на відмову для такого випадку за λ-характеристики ФМ на рівні
5010-61/год становитиме 10127 год.
У варіанті виконання, коли в системі наявні 8 ФМ і 2 ММП, і для роботи
обчислювача досить 4 ФМ і 1 ММП, а в резерві є один ММП і 4 ФМ, середнє
напрацювання на відмову за λ-характеристиці ФМ на рівні 5010-6 1/год
становитиме 14444 год.
Таким чином, розрахунки показали, що найбільш надійним з розгляну-
тих варіантів є варіант виконання внутрішньої структури апаратури ІМА за
схемою, зображеною на рис. 2, в.
Установлено, що для обчислювальних систем четвертого покоління ви-
користовувався послідовний принцип побудови алгоритму контролю. Пока-
зано, що для перспективних повітряних суден доцільно використовувати
паралельний принцип контролю.
Запропоновано алгоритм контролю повітряного судна ІМА під час
польоту. З’ясовано, що для перспективних повітряних суден слід викорис-
товувати режим «зовнішнього» ініціювання контролю з упровадженням
принципу мажорування результатів контролю функціональних елементів.
Оцінено ймовірність безвідмовної роботи для трьох способів організації
внутрішньої структури повітряного судна ІМА, актуальних для авіаційної
промисловості.
ЛІТЕРАТУРА
1. V. Bogatyrev, “On the distribution of functional resources in fault-tolerant multi-
machine computing systems”, Pribory i Sistemy. Management, control, diagnostics,
no. 12, pp. 1–5, 2001.
2. O. Kucher and P. Vlasenko, “Comparative Analysis of Reliability and Efficiency In-
dicators in Foreign and National Aviation”, Knowledge-based Technology, iss. 2,
pp. 11–19, 2009.
І.О. Козлюк, Ю.Б. Коваленко
ISSN 1681–6048 System Research & Information Technologies, 2021, № 2 92
3. B. Vidin, I. Zharinov, and O. Zharinov, “Decomposition methods in the problems of
distribution of computing resources of multi-machine complexes of on-board avion-
ics”, Information and Control Systems, no. 1, pp. 2–5, 2010.
4. Yu. Gatchin and I. Zharinov, Fundamentals of designing computing systems for in-
tegrated modular avionics. Moscow, 2010.
5. Yu. Gatchin, “Models and design methods for integrated modular avionics”, Bulletin
of computer and information technologies, no. 1, pp. 12–20, 2010.
6. O. Zharinov, B. Vidin, and R. Sheklovsepyants, “Principles of constructing a crate
for an onboard multiprocessor computing system for fifth generation avionics”, Sci-
entific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Optics,
no. 4, pp. 21–27, 2010.
7. Yu. Gatchin, I. Zharinov, and O. Zharinov, “Architecture of software for an auto-
mated workplace for a developer of onboard aircraft equipment”, Scientific and tech-
nical bulletin of information technologies, mechanics and optics, no. 2, pp. 140–141,
2012.
8. O. Zakharova, “Algorithms and software for testing onboard digital computing sys-
tems of integrated modular avionics”, Information and Control Systems, no. 3,
pp. 19–29, 2014.
9. E. Kniga, “Principles of organizing the architecture of advanced onboard digital
computing systems in avionics”, Scientific and technical bulletin of information
technologies, mechanics and optics, no. 2, pp. 163–165, 2013.
10. N. Koporskiy, B. Vidin, and I. Zharinov, “Organization of a computing process in a
multi-machine on-board computer complex”, Izvestiya vuzov. Instrument making,
vol. 49, no. 6, pp. 41–50, 2006.
11. O. Kuznetsova, “Evaluation of the reliability of structurally redundant avionics
complexes taking into account the average time between failures”, Izvestiya vuzov.
Instrument making, vol. 55, no. 3, pp. 65–69, 2012.
12. P. Paramonov, “Principles of building a sectoral system of computer-aided design in
aviation instrumentation”, Scientific and technical bulletin of information
technologies, mechanics and optics, no. 6, pp. 111–117, 2012.
13. P. Paramonov and I. Zharinov, “Integrated onboard computing systems: a review of
the current state and analysis of development prospects in aviation instrumentation”,
Scientific and Technical Bulletin of Information Technologies, Mechanics and Op-
tics, no. 2, pp. 1–17, 2013.
14. Yu. Sabo and I. Zharinov, “Criterion of similarity of design solutions to the require-
ments of technical specifications in avionics”, Scientific and technical bulletin of in-
formation technologies, mechanics and optics, no. 3, pp. 57–63, 2010.
15. V. Bogatyrev, “Reliability and efficiency of redundancy of computer networks”, In-
formation technologies, no. 9, pp. 25–30, 2006.
16. V. Bogatyrev, “Optimal redundancy of the system of heterogeneous servers”, De-
vices and systems. Management, control, diagnostics, no. 12, pp. 30–36, 2007.
17. V. Bogatyrev and S. Bogatyrev, “Combining redundant servers into clusters of a
highly reliable computer system”, Information Technologies, no. 6, pp. 41–47, 2009.
18. I. Kozlyuk and Y. Kovalenko, “Functional bases of the software development and
operation in avionics”, Problems of Informatization and Management, no. 63,
pp. 49–63, 2020.
19. Y. Kovalenko and I. Kozlyuk, “Implementation of the integrated modular avionics
application development complex according to the ARINC653 standard”, The Bulle-
tin of Zaporizhzhіa National University. Physical and mathematical Sciences, no. 2,
2020.
Надійшла 05.02.2021
Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій
Системні дослідження та інформаційні технології, 2021, № 2 93
INFORMATION ON THE ARTICLE
Iryna O. Kozlyuk, ORCID: 0000-0001-8239-8937, National Aviation University,
Ukraine, e-mail: avia_ira@ukr.net
Yuliia B. Kovalenko, ORCID: 0000-0002-6714-4258, National Aviation University,
Ukraine, e-mail: yleejulee22@gmail.com
НАДЕЖНОСТЬ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР ИНТЕГРИРОВАННОЙ
МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ ДЛЯ КОНФИГУРАЦИЙ АППАРАТНЫХ
СРЕДСТВ / И.А. Козлюк, Ю.Б. Коваленко
Аннотация. Рассмотрена проблема создания перспективных вычислительных
систем в классе структур интегрированной модульной авионики (ИМА).
Предложена унифицированная топология внутренней сети компьютера на ос-
нове каналов обмена SpaceWire и варианты ее исполнения для различных бор-
товых приложений. Введены схемы эквивалентной надежности каждой из ча-
стных структур и проанализированы возможности безаварийной работы
каждой структуры. Приведены семейства графических зависимостей. Дан ана-
лиз существующих принципов и алгоритмов организации тестирования мно-
гопроцессорных мультимодульных бортовых цифровых вычислительных сис-
тем, предложен новый алгоритм тестирования многопроцессорных систем,
соответствующий стандартам проектирования программного обеспечения для
изделий ИМА. Рассмотрена структура унифицированного автоматизированно-
го рабочего места (АРМ) проверки функциональных модулей ИМА. Выявлены
специфические требования к рабочим местам для тестирования интегрирован-
ной авионики: повышенный уровень контроля аппаратной составляющей про-
дукции; возможность моделирования отказов отдельных компонентов авиони-
ки для проверки режима реконфигурации компьютерной системы; модульное
построение программного обеспечения с делением проверочных тестов
на компоненты, выполняемые на уровне каждого конструктивно-
функционального модуля и компьютера в целом в однозадачном и многоза-
дачном режимах; открытость архитектуры рабочего места (АРМ), что обеспе-
чивает возможность изменения уровня сложности управления продуктом и
настройки одного класса сложности; внутрипроектная унификация как аппа-
ратного, так и программного обеспечения АРМ проверки.
Ключевые слова: интегрированная модульная авионика, вычислительные си-
стемы, оценка показателей надежности, вероятность безотказной работы.
RELIABILITY OF COMPUTER STRUCTURES OF INTEGRATED MODULAR
AVIONICS FOR HARDWARE CONFIGURATIONS / I.O. Kozlyuk, Y.B. Kovalenko
Abstract. The problem of designing advanced computing systems in the class of
structures of integrated modular avionics is considered. The unified topology of the
internal network of the computer on the basis of Space Wire exchange channels and
variants of its execution for various onboard applications is offered. Equivalent reli-
ability schemes of each of the specific structures are introduced and the probabilities
of trouble-free operation of each structure are analyzed. Families of graphic depend-
encies are given. The analysis of the existing principles and algorithms for testing
multiprocessor multimodal onboard digital computer systems is given; the new test-
ing algorithm for the multiprocessor systems which follows the software design
standards for products of integrated modular avionics is offered. The structure of the
unified automated workplace for checking the functional modules of integrated
modular avionics is considered. Specific requirements inherent in the workplaces for
testing integrated avionics are identified: an increased level of control of the hard-
ware component of products; the ability to simulate the failure state of individual
components of avionics to check the mode of reconfiguration of the computer sys-
tem; modular construction of software with the division of verification tests into
components performed at the level of each CPM and the computer as a whole in
single-task and multitasking modes; openness of architecture of a workplace, which
provides an ability to change the level of control complexity of a product and control
of one class of complexity; intra-project unification of both hardware and software
of the workstation of the inspection.
Keywords: integrated modular avionics, computer systems, evaluation of reliability
indicators, probability of trouble-free operation.
|
| id | journaliasakpiua-article-240003 |
| institution | System research and information technologies |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-07-17T10:27:27Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | journaliasakpiua/b0/6960ba3b6e31844ab987e1d40d22aeb0.pdf |
| spelling | journaliasakpiua-article-2400032021-09-16T11:48:22Z Reliability of computer structures of integrated modular avionics for hardware configurations Надежность вычислительных структур интегрированной модульной авионики для конфигураций аппаратных средств Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів Kozlyuk, Iryna Kovalenko, Yuliia інтегрована модульна авіоніка обчислювальні системи оцінювання показників надійності імовірність безвідмовної роботи интегрированная модульная авионика вычислительные системы оценка показателей надежности вероятность безотказной работы integrated modular avionics computer systems evaluation of reliability indicators probability of trouble-free operation The problem of designing advanced computing systems in the class of structures of integrated modular avionics is considered. The unified topology of the internal network of the computer on the basis of Space Wire exchange channels and variants of its execution for various onboard applications is offered. Equivalent reliability schemes of each of the specific structures are introduced and the probabilities of trouble-free operation of each structure are analyzed. Families of graphic dependencies are given. The analysis of the existing principles and algorithms for testing multiprocessor multimodal onboard digital computer systems is given; the new testing algorithm for the multiprocessor systems which follows the software design standards for products of integrated modular avionics is offered. The structure of the unified automated workplace for checking the functional modules of integrated modular avionics is considered. Specific requirements inherent in the workplaces for testing integrated avionics are identified: an increased level of control of the hardware component of products; the ability to simulate the failure state of individual components of avionics to check the mode of reconfiguration of the computer system; modular construction of software with the division of verification tests into components performed at the level of each CPM and the computer as a whole in single-task and multitasking modes; openness of architecture of a workplace, which provides an ability to change the level of control complexity of a product and control of one class of complexity; intra-project unification of both hardware and software of the workstation of the inspection. Рассмотрена проблема создания перспективных вычислительных систем в классе структур интегрированной модульной авионики (ИМА). Предложена унифицированная топология внутренней сети компьютера на основе каналов обмена SpaceWire и варианты ее исполнения для различных бортовых приложений. Введены схемы эквивалентной надежности каждой из частных структур и проанализированы возможности безаварийной работы каждой структуры. Приведены семейства графических зависимостей. Дан анализ существующих принципов и алгоритмов организации тестирования многопроцессорных мультимодульных бортовых цифровых вычислительных систем, предложен новый алгоритм тестирования многопроцессорных систем, соответствующий стандартам проектирования программного обеспечения для изделий ИМА. Рассмотрена структура унифицированного автоматизированного рабочего места (АРМ) проверки функциональных модулей ИМА. Выявлены специфические требования к рабочим местам для тестирования интегрированной авионики: повышенный уровень контроля аппаратной составляющей продукции; возможность моделирования отказов отдельных компонентов авионики для проверки режима реконфигурации компьютерной системы; модульное построение программного обеспечения с делением проверочных тестов на компоненты, выполняемые на уровне каждого конструктивно-функционального модуля и компьютера в целом в однозадачном и многозадачном режимах; открытость архитектуры рабочего места (АРМ), что обеспечивает возможность изменения уровня сложности управления продуктом и настройки одного класса сложности; внутрипроектная унификация как аппаратного, так и программного обеспечения АРМ проверки. Розглянуто задачу проєктування перспективних обчислювальних систем у класі структур інтегрованої модульної авіоніки (ІМА). Запропоновано уніфіковану топологію внутрішньої мережі обчислювача на базі каналів обміну SpaceWire і варіанти її виконання для різних бортових додатків. Уведено еквівалентні схеми надійності кожної із частинних структур і проаналізовано ймовірність безвідмовної роботи кожної структури. Наведено сім’ї графічних залежностей. Подано аналіз існуючих принципів та алгоритмів організації тестування мультипроцесорних багатомодульних бортових цифрових обчислювальних систем, запропоновано новий алгоритм тестування мультипроцесора, що відповідає стандартам проєктування програмного забезпечення для виробів ІМА. Розглянуто структуру уніфікованого автоматизованого робочого місця (АРМ) для перевірки функціональних модулів ІМА. Виявлено специфічні вимоги, властиві робочим місцям з перевірки інтегрованої авіоніки: підвищений рівень контролю апаратурної складової виробів; можливість імітації стану відмови окремих компонентів авіоніки для перевірки режиму реконфігурування обчислювальної системи; модульну побудову програмного забезпечення з поділом тестів перевірки на компоненти, що виконуються на рівні кожного конструктивно-функціонального модуля і обчислювача в цілому в однозадачному і багатозадачному режимах; відкритість архітектури робочого місця, що забезпечує можливість зміни рівня складності керування виробом і налаштування одного класу складності; внутріпроєктну уніфікацію як апаратних засобів, так і програмного забезпечення АРМ перевірки. The National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" 2021-09-14 Article Article application/pdf https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/240003 10.20535/SRIT.2308-8893.2021.2.07 System research and information technologies; No. 2 (2021); 84-93 Системные исследования и информационные технологии; № 2 (2021); 84-93 Системні дослідження та інформаційні технології; № 2 (2021); 84-93 2308-8893 1681-6048 uk https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/240003/238392 |
| spellingShingle | інтегрована модульна авіоніка обчислювальні системи оцінювання показників надійності імовірність безвідмовної роботи Kozlyuk, Iryna Kovalenko, Yuliia Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів |
| title | Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів |
| title_alt | Reliability of computer structures of integrated modular avionics for hardware configurations Надежность вычислительных структур интегрированной модульной авионики для конфигураций аппаратных средств |
| title_full | Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів |
| title_fullStr | Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів |
| title_full_unstemmed | Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів |
| title_short | Надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів |
| title_sort | надійність обчислювальних структур інтегрованої модульної авіоніки для конфігурацій апаратних засобів |
| topic | інтегрована модульна авіоніка обчислювальні системи оцінювання показників надійності імовірність безвідмовної роботи |
| topic_facet | інтегрована модульна авіоніка обчислювальні системи оцінювання показників надійності імовірність безвідмовної роботи интегрированная модульная авионика вычислительные системы оценка показателей надежности вероятность безотказной работы integrated modular avionics computer systems evaluation of reliability indicators probability of trouble-free operation |
| url | https://journal.iasa.kpi.ua/article/view/240003 |
| work_keys_str_mv | AT kozlyukiryna reliabilityofcomputerstructuresofintegratedmodularavionicsforhardwareconfigurations AT kovalenkoyuliia reliabilityofcomputerstructuresofintegratedmodularavionicsforhardwareconfigurations AT kozlyukiryna nadežnostʹvyčislitelʹnyhstrukturintegrirovannojmodulʹnojavionikidlâkonfiguracijapparatnyhsredstv AT kovalenkoyuliia nadežnostʹvyčislitelʹnyhstrukturintegrirovannojmodulʹnojavionikidlâkonfiguracijapparatnyhsredstv AT kozlyukiryna nadíjnístʹobčislûvalʹnihstrukturíntegrovanoímodulʹnoíavíoníkidlâkonfíguracíjaparatnihzasobív AT kovalenkoyuliia nadíjnístʹobčislûvalʹnihstrukturíntegrovanoímodulʹnoíavíoníkidlâkonfíguracíjaparatnihzasobív |