CN111478839A - 一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，当用户使用通信系统时，用户提供物理总线接口和系统调用接口；收发子系统进行数据收发；链路管理模块对物理总线接口的物理总线抽象为多条链路；异步调度子系统将任务下发到工作线程管理子系统中；工作线程管理子系统创建工作线程并分配任务；用户通过系统调用接口完成分布式航空通信系统的调用。本发明一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，通过设置上述模块，用户在使用时只需要提供系统调用接口和物理总线接口，就可以实现跨系统平台兼容多种总线的通信系统，极大的减少了资源浪费，提高了使用效率。

Description

一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统

技术领域

本发明涉及航空通信技术，具体涉及一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统。

背景技术

随着电子技术的发展，在民用航空电子(Avionics)领域，机上系统也越来越复杂。民用航空电子不光涉及满足基本功能的通信、导航、识别、飞行管理、大气数据、雷达、电子显示控制等通用设备，还存在进行音频控制、乘客服务、客舱控制、无线上网、多媒体服务等优化体验的系统。

由于设备众多，设备彼此之间的物理总线复杂、设备使用的操作系统也各不相同。在设计到设备间通讯的场景时，业务软件需要耗费大量人力来针对底层系统和总线进行适配开发，并且不同设备间的通信代码存在很多相似冗余的业务流程，造成了一定程度的浪费。因此，开发航空通信中间件，屏蔽不同总线、不同操作系统造成的差异是非常必要的。

航空通信中间件需要能够适配各种具体的系统和总线的组合，如果每次针对新的系统或总线都需要重头开发，那工作量巨大、效率低下。因此、为了降低航空通信中间件开发的复杂度、避免冗余工作，增强航空通信中间件的可扩展性，需要对航空通信中间件的业务模型进行充分的抽象，剥离各种通信场景中的共有的业务逻辑，构建一个航空通信中间开发框架，确保所有新的中间件开发只需要在框架基础上做少量适配，提高中间件的开发效率。

由于航空电子系统的安全性考虑，所有子系统，数据业务流程都互为备份，确保在某个系统故障后不会影响航空系统的作业能力，因此传统的中心化的中间件系统是无法应用与航空电子领域的，因此航空中间件框架也是基于分布式中间件模型设计的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的航空通信技术中，设备彼此之间的物理总线复杂、设备使用的操作系统也各不相同，会产生大量的冗余业务流程造成了资源浪费，目的在于提供一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，包括：

链路管理模块：用于将各种物理总线进行逻辑抽象，并转换为数据结构，并提供数据结构的增删查改操作和数据结构描述的物理总线操作接口(包括数据收发、总线初始化、使能和禁用)，将物理总线操作接口依赖的系统调用接口和物理总线的操作接口封装为函数指针。

异步调度子系统：用于管理整个系统内的异步调用操作，并管理所有异步工作任务；

工作线程管理子系统：用于创建工作线程，并给每个工作线程分配任务；

收发子系统：用于实现报文的接收、分发和发送，并提供了数据缓冲队列；所述收发子系统还用于同步异步收发，并对上层提供数据收发的调用接口；

队列管理模块：用于实现系统内的队列管理；

当用户使用通信系统时，用户提供物理总线接口和系统调用接口；令链路管理模块预留的函数指针指向这些接口；所述收发子系统交互与所述链路管理模块，并根据链路管理模块中配置的物理总线描述信息进行数据收发；

所述链路管理模块将物理总线的属性及对应物理总线操作的集合抽象为链路；所述异步调度子系统将任务下发到所述工作线程管理子系统中；所述工作线程管理子系统创建工作线程并分配任务；用户通过所述收发子系统调用接口完成所述分布式航空通信系统的调用。

本发明应用时，本发明主要由如下几个部分构成：

链路管理子系统；异步调度子系统；工作线程管理子系统；收包子系统；发包子系统等几个模块组成。使用者只需要提供物理总线接口，并提供系统调用接口，就可以实现适用于对应系统平台物理总线的航空通信中间件。

链路管理模块负责将各种物理总线进行逻辑抽象，并转换为数据结构，并提供数据结构的增删查改操作和数据结构描述的物理总线操作接口。异步调度子系统负责整个系统内的异步调用操作，管理所有异步工作任务。工作线程管理子系统负责创建工作线程，并给每个工作线程分配任务。发送和接收子系统具体实现了报文的接收、分发、发送等操作，并提供了数据缓冲队列、同步异步收发等功能。本发明通过设置上述模块，用户在使用时只需要提供系统调用接口和物理总线接口，就可以实现跨系统平台兼容多种总线的通信系统，极大的减少了资源浪费，提高了使用效率。

进一步的，所述链路管理模块抽象出各种物理链路的公共属性，并定义了用于描述链路的数据结构。

进一步的，所述数据结构中链路的属性包括链路类型、链路端点、链路接收缓冲队列和队列当前的状态标志位。

本发明应用时，将航电系统中每一条物理通路视为一条链路。链路管理模块抽象出了各种物理链路的公共属性，定义了数据结构描述链路。每一条链路都有链路的唯一索引，存放在link_idx字段中，一个链路名称，存放在link_name字段中，链路有自己的类型link_type，可以是以太网、CAN总线、485等任意的物理总线。链路包含两个端点，在航空电子中间件中称为本地端点和远程端点，这两个端点中保存了物理总线相关的信息，航空中间件框架不关心这些具体的信息，但是会将它们保存在local、remote两个字段中，对于航空中间件框架而言local和remote指向了一片128字节的内存空间。Local_port和remote_port中保存了在多进程操作系统中，用于区分目的进程和源进程的字段。rx_queue_idx指向当前链路的接收缓冲队列，rx_queue_state是队列当前的状态标志位。其他还包括了一些链路状态维护的字段，比如mxfs最大发送帧，queue_len，消息缓冲队列长度等。

进一步的，所述分布式航空通信系统采用分布式设计，任意设备上部署的航空通信中间件框架都是对等的，任意设备上执行的框架程序的运行流程和内部逻辑都是相同的。

本发明应用时，不依赖任何中心节点。任意设备上部署的航空通信中间件框架程序都是对等的，任意设备上执行的框架程序的运行流程和内部逻辑都是完全一致的。

进一步的，所述异步调度子系统创建异步调度任务并将所述创建异步调度任务送入任务FIFO队列后唤醒调度线程；

所述调度线程从FIFO中读出一个任务，判断是否到执行时间；

如果没有到执行时间，则所述调度线程继续睡眠；如果已经到了执行时间则将该任务发送到所述工作线程管理子系统执行，计算到下一个任务执行所需睡眠时间，并根据所述睡眠时间睡眠。

本发明应用时，异步调度模块接口创建异步调度任务，并将其送入任务FIFO队列并唤醒调度线程。调度线程在预定的时间醒来，从FIFO中读出一个任务，判断是否到执行时间，如果没有则继续睡眠，如果已经到了则将该任务发往工作线程子系统执行，然后计算到下一个任务执行需要睡眠多久，随后继续睡眠。

进一步的，所述工作线程管理子系统接收执行任务的函数和所需数据，并将所述函数和所需数据封装为一个独立的任务后送入任务队列；所述工作线程管理子系统创建的工作线程对所述任务队列中的任务进行执行。

本发明应用时，工作线程管理子系统负责完成系统中可能阻塞或耗时较大的工作任务。使用者调用工作线程模块接口，将执行任务的函数及其使用的数据作为入参送入接口。工作线程模块将其封装为一个独立的任务，送入任务队列。任意当前空闲的工作线程都会不停的任务队列，获取新任务。获取任务后，工作线程根据任务数据结构中包含的函数和其他数据，执行任务工作。

进一步的，所述收发子系统包括接收子系统和发送子系统。

进一步的，所述接收子系统中，将从收包工作线程中收到的报文送入一级队列；工作分发线程从所述一级队列中读取报文，并将所述报文放入对应于所述报文的链路的缓冲队列中；所述接收子系统根据收包类型进行报文处理。

进一步的，当所述收包类型为异步收包时，所述接收子系统只查询对应链路的缓冲队列，有报文则读出，没有则返回空；

当所述收包类型为同步收包时，所述接收子系统创建异步任务并将报文发送到任务队列中，并堵塞调用同步收包接口的线程；

分发工作线程在收到异步任务期待的报文后完成异步任务，并唤醒被堵塞的所述线程；

被唤醒的线程执行一次异步收包流程并取走报文。

本发明应用时，接收子系统提供了缓冲队列、同步异步收包等功能，收包工作线程调用框架外部实现的物理总线接口，将收到的报文送入一级队列。

工作分发线程从一级队列中读取报文，放入对应的链路的缓冲队列。

上层应用调用收包接口接收报文。

如果是异步收包，只查询对应链路的缓冲队列，有报文则读出，没有则返回空。

如果是同步收包，则执行如下流程：

1)创建异步任务，将其送入任务队列；

2)调用同步收包接口的线程会被阻塞，等待异步任务完成；

3)分发工作线程会在收到异步任务期待的报文后，完成异步任务，从而唤醒被阻塞的线程；

4)线程被唤醒后再执行一次异步收包流程，查询队列，将报文取走。

进一步的，所述发送子系统从所述链路管理模块中查询物理总线发送报文所需的信息；

如果为同步发包，所述发送子系统直接调用链路管理模块提供的物理总线操作接口将报文发出。

如果为异步发包，所述发送子系统将报文送入发包公共队列后返回。

本发明应用时，调用链路管理模块提供的物理总线操作接口发送报文所需的信息都存放在链路数据结构的remote和local字段中，发包过中会先将信息读出。

如果选择同步发包，航空通信中间件直接调用物理总线接口将报文发出，然后返回。

如果选择异步发包，航空通信中间件将报文送入发包公共队列后返回。

空闲的发包工作线程会不断地查询公共队列，一旦获取到新的待发报文，它会调用链路管理模块提供的物理总线操作接口，将报文发送出去。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，通过设置上述模块，用户在使用时只需要提供系统调用接口和物理总线接口，就可以实现跨系统平台兼容多种总线的通信系统，极大的减少了资源浪费，提高了使用效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明系统结构示意图；。

图2为本发明链路管理模块的数据结构示意图；

图3为本发明异步调度子系统具体流程示意图；

图4为本发明工作线程管理子系统示意图；

图5为本发明接收子系统架构示意图；

图6为本发明发送子系统架构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，包括：

链路管理模块：用于将各种物理总线进行逻辑抽象，并转换为数据结构，并提供数据结构的增删查改操作和数据结构描述的物理总线操作接口(包括数据收发、总线初始化、使能、禁用)，将物理总线操作接口依赖的系统调用接口和物理总线的操作接口封装为函数指针。

异步调度子系统：用于管理整个系统内的异步调用操作，并管理所有异步工作任务；

工作线程管理子系统：用于创建工作线程，并给每个工作线程分配任务；

收发子系统：用于实现报文的接收、分发和发送，并提供了数据缓冲队列；所述收发子系统还用于同步异步收发；

队列管理模块：用于实现系统内的队列管理；

当用户使用通信系统时，令链路管理模块预留的函数指针指向这些接口；所述收发子系统交互与所述链路管理模块，并根据链路管理模块中配置的物理总线描述信息进行数据收发；

所述链路管理模块将物理总线的属性及对应物理总线操作的集合抽象为链路；所述异步调度子系统将任务下发到所述工作线程管理子系统中；所述工作线程管理子系统创建工作线程并分配任务；用户通过所述收发子系统调用接口完成所述分布式航空通信系统的调用。

本实施例实施时，本发明主要由如下几个部分构成：

链路管理子系统；异步调度子系统；工作线程管理子系统；收包子系统；发包子系统等几个模块组成。使用者只需要提供物理总线接口，并提供系统调用接口，就可以实现适用于对应系统平台物理总线的航空通信中间件。

链路管理模块负责将各种物理总线进行逻辑抽象，并转换为数据结构，并提供数据结构的增删查改操作和数据结构描述的物理总线操作接口。异步调度子系统负责整个系统内的异步调用操作，管理所有异步工作任务。工作线程管理子系统负责创建工作线程，并给每个工作线程分配任务。发送和接收子系统具体实现了报文的接收、分发、发送等操作，并提供了数据缓冲队列、同步异步收发等功能。本发明通过设置上述模块，用户在使用时只需要提供系统调用接口和物理总线接口，就可以实现系统调用，使得不同的链路类型被整合到一起，只需要在框架基础上做少量适配就可以完成使用，极大的减少了资源浪费，提高了使用效率。

如图2所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述链路管理模块抽象出各种物理链路的公共属性，并定义了用于描述链路的数据结构。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述数据结构中链路的属性包括链路类型、链路端点、链路接收缓冲队列和队列当前的状态标志位。

本实施例实施时，将航电系统中每一条物理通路视为一条链路，广播发送消息和从任意来源接收消息的场景，也视为一种特殊的链路。链路管理模块抽象出了各种物理链路的公共属性，定义了数据结构描述链路。每一条链路都有链路的唯一索引，存放在link_idx字段中，一个链路名称，存放在link_name字段中，链路有自己的类型link_type，可以是以太网、CAN总线、485等任意的物理总线。链路包含两个端点，在航空电子中间件中称为本地端点和远程端点，这两个端点中保存了物理总线相关的信息，航空中间件框架不关心这些具体的信息，但是会将它们保存在local、remote两个字段中，对于航空中间件框架而言local和remote指向了一片128字节的内存空间。Local_port和remote_port中保存了在多进程操作系统中，用于区分目的进程和源进程的字段。rx_queue_idx指向当前链路的接收缓冲队列，rx_queue_state是队列当前的状态标志位。其他还包括了一些链路状态维护的字段，比如mxfs最大发送帧，queue_len，消息缓冲队列长度等。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述分布式航空通信系统采用分布式设计，任意设备上部署的航空通信中间件框架都是对等的，任意设备上执行的框架程序的运行流程和内部逻辑都是相同的。

本实施例实施时，不依赖任何中心节点。任意设备上部署的航空通信中间件框架程序都是对等的，任意设备上执行的框架程序的运行流程和内部逻辑都是完全一致的。

如图3所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述异步调度子系统创建异步调度任务并将所述创建异步调度任务送入任务FIFO队列后唤醒调度线程；

所述调度线程从FIFO中读出一个任务，判断是否到执行时间；

如果没有到执行时间，则所述调度线程继续睡眠；如果已经到了执行时间则将该任务发送到所述工作线程管理子系统执行，计算到下一个任务执行所需睡眠时间，并根据所述睡眠时间睡眠。

本实施例实施时，异步调度模块接口创建异步调度任务，并将其送入任务FIFO队列并唤醒调度线程。调度线程在预定的时间醒来，从FIFO中读出一个任务，判断是否到执行时间，如果没有则继续睡眠，如果已经到了则将该任务发往工作线程子系统执行，然后计算到下一个任务执行需要睡眠多久，随后继续睡眠。

如图4所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述工作线程管理子系统接收执行任务的函数和所需数据，并将所述函数和所需数据封装为一个独立的任务后送入任务队列；所述工作线程管理子系统创建的工作线程对所述任务队列中的任务进行执行。

本实施例实施时，工作线程管理子系统负责完成系统中可能阻塞或耗时较大的工作任务。使用者调用工作线程模块接口，将执行任务的函数及其使用的数据作为入参送入接口。工作线程模块将其封装为一个独立的任务，送入任务队列。任意当前空闲的工作线程都会不停的任务队列，获取新任务。获取任务后，工作线程根据任务数据结构中包含的函数和其他数据，执行任务工作。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述收发子系统包括接收子系统和发送子系统。

如图5所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述接收子系统中，将从收包工作线程中收到的报文送入一级队列；工作分发线程从所述一级队列中读取报文，并将所述报文放入对应于所述报文的链路的缓冲队列中；所述接收子系统根据收包类型进行报文处理。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，当所述收包类型为异步收包时，所述接收子系统只查询对应链路的缓冲队列，有报文则读出，没有则返回空；

当所述收包类型为同步收包时，所述接收子系统创建异步任务并将报文发送到任务队列中，并堵塞调用同步收包接口的线程；

分发工作线程在收到异步任务期待的报文后完成异步任务，并唤醒被堵塞的所述线程；

被唤醒的线程执行一次异步收包流程并取走报文。

本实施例实施时，接收子系统提供了缓冲队列、同步异步收包等功能，收包工作线程调用框架外部实现的物理总线接口，将收到的报文送入一级队列。

工作分发线程从一级队列中读取报文，放入对应的链路的缓冲队列。

上层应用调用收包接口接收报文。

如果是异步收包，只查询对应链路的缓冲队列，有报文则读出，没有则返回空。

如果是同步收包，则执行如下流程：

1)创建异步任务，将其送入任务队列；

2)调用同步收包接口的线程会被阻塞，等待异步任务完成；

3)分发工作线程会在收到异步任务期待的报文后，完成异步任务，从而唤醒被阻塞的线程；

4)线程被唤醒后再执行一次异步收包流程，查询队列，将报文取走。

如图6所示，为了进一步的说明本实施例的工作过程，所述发送子系统从所述链路管理模块中查询物理总线发送报文所需的信息；

如果为同步发包，所述发送子系统直接调用链路管理模块提供的物理总线操作接口将报文发出。

如果为异步发包，所述发送子系统将报文送入发包公共队列后返回。

本实施例实施时，调用物理总线发送报文所需的信息都存放在链路数据结构的remote和local字段中，发包过中会先将信息读出。

如果选择同步发包，航空通信中间件直接调用物理总线接口将报文发出，然后返回。

如果选择异步发包，航空通信中间件将报文送入发包公共队列后返回。

空闲的发包工作线程会不断地查询公共队列，一旦获取到新的待发报文，它会调用物理总线接口，将报文发送出去。

为了进一步的说明本实施例的工作过程，航空通信系统以C语言库文件形式提供，并提供航空通信系统收发子模块服务函数的接口头文件。航空通信系统不依赖于任何操作系统或具体的物理总线驱动实现，所有和操作系统及物理总线耦合的部分，航空通信系统均预留了指向具体实现的函数指针。航空通信系统使用人员，只需要基于具体的物理总线或操作系统，依据函数指针的原型，实现对应的函数，并将框架内预留的函数指针指向这些函数实现，重新编译链接，即可生成支持特定总线和操作系统环境的通信系统。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，包括：

链路管理模块：用于将各种物理总线进行逻辑抽象，并转换为数据结构，并提供数据结构的增删查改操作和数据结构描述的物理总线操作接口(包括数据收发、总线初始化、使能和禁用)，将物理总线操作接口依赖的系统调用接口和物理总线的操作接口封装为函数指针；

异步调度子系统：用于管理整个系统内的异步调用操作，并管理所有异步工作任务；

工作线程管理子系统：用于创建工作线程，并给每个工作线程分配任务；

收发子系统：用于实现报文的接收、分发和发送，并提供了数据缓冲队列；所述收发子系统还用于同步异步收发，并对上层提供数据收发的调用接口；

队列管理模块：用于实现系统内的队列管理；

当用户使用通信系统时，用户提供物理总线接口和系统调用接口，令链路管理模块预留的函数指针指向这些接口；所述收发子系统交互与所述链路管理模块，并根据链路管理模块中配置的物理总线描述信息进行数据收发；

所述链路管理模块将物理总线的属性及对应物理总线操作的集合抽象为链路；所述异步调度子系统将任务下发到所述工作线程管理子系统中；所述工作线程管理子系统创建工作线程并分配任务；用户通过所述收发子系统调用接口完成所述分布式航空通信系统的调用。

2.根据权利要求1所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，所述链路管理模块抽象出各种物理链路的公共属性，并定义了用于描述链路的数据结构。

3.根据权利要求2所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，所述数据结构中链路的属性包括链路类型、链路端点、链路接收缓冲队列和队列当前的状态标志位。

4.根据权利要求1所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，所述分布式航空通信系统采用分布式设计，任意设备上部署的航空通信中间件框架都是对等的，任意设备上执行的框架程序的运行流程和内部逻辑都是相同的。

5.根据权利要求1所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，所述异步调度子系统创建异步调度任务并将所述创建异步调度任务送入任务FIFO队列后唤醒调度线程；

所述调度线程从FIFO中读出一个任务，判断是否到执行时间；

如果没有到执行时间，则所述调度线程继续睡眠；如果已经到了执行时间则将该任务发送到所述工作线程管理子系统执行，计算到下一个任务执行所需睡眠时间，并根据所述睡眠时间睡眠。

6.根据权利要求1所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，所述工作线程管理子系统接收执行任务的函数和所需数据，并将所述函数和所需数据封装为一个独立的任务后送入任务队列；所述工作线程管理子系统创建的工作线程对所述任务队列中的任务进行执行。

7.根据权利要求1所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，所述收发子系统包括接收子系统和发送子系统。

8.根据权利要求7所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，所述接收子系统中，将从收包工作线程中收到的报文送入一级队列；工作分发线程从所述一级队列中读取报文，并将所述报文放入对应于所述报文的链路的缓冲队列中；所述接收子系统根据收包类型进行报文处理。

9.根据权利要求8所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，当所述收包类型为异步收包时，所述接收子系统只查询对应链路的缓冲队列，有报文则读出，没有则返回空；

当所述收包类型为同步收包时，所述接收子系统创建异步任务并将报文发送到任务队列中，并堵塞调用同步收包接口的线程；

分发工作线程在收到异步任务期待的报文后完成异步任务，并唤醒被堵塞的所述线程；

被唤醒的线程执行一次异步收包流程并取走报文。

10.根据权利要求7所述的一种物理总线及操作系统解耦的分布式航空通信系统，其特征在于，所述发送子系统从所述链路管理模块中查询物理总线发送报文所需的信息；

如果为同步发包，所述发送子系统直接调用链路管理模块提供的物理总线操作接口将报文发出。

如果为异步发包，所述发送子系统将报文送入发包公共队列后返回。

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