CN115185877A - 一种双余度通用处理模块及其信息同步方法 - Google Patents

一种双余度通用处理模块及其信息同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航空计算技术领域，提供了一种双余度通用处理模块及其信息同步方法。本发明的双余度通用处理模块包括：第一子模块；第二子模块，第二子模块和第一子模块的配置相同，承载相同的机载系统软件和应用软件；同步模块，同步模块接收第一子模块和第二子模块的数据，并实现第一子模块和第二子模块之间的数据互通；第一子模块、第二子模块和同步模块的数据接口相同。本发明提供的双余度通用处理模块，基于两个相同优先级的子模块实现信息同步，能保证通用处理模块在遇到故障、错误时，进行故障识别和状态重构，具有高可靠性和实时性可实施存储当前系统输出状态，将系统输出信息通过信息共享方式进行同步，保证了数据的一致性。

Description

一种双余度通用处理模块及其信息同步方法
技术领域
本发明涉及航空计算技术领域，具体涉及一种双余度通用处理模块及其信息同步方法。
背景技术
通用处理模块(General Processing Module,GPM)是综合模块化航电(IMA)系统内核心部件，为机载系统提供通用计算资源，被广泛应用于当今先进的军用和民用飞机。作为支撑航空计算的基本单元，通用处理模块除了提供最基本的数据存储和处理功能外，还需要向驻留应用提供鲁棒划分的环境和基础性服务，这些服务包括I/O、健康监测和基于ARINC 653标准的非易失文件存储和检索等。
为了满足航空器适航规章，通用处理模块应能实现故障被动防护以及具有自主完整性的要求，即不存在单个故障可以引起错误的动作，同时极不可能出现有未被检测出的故障导致错误动作的情况。在通用处理模块设计过程中，能通过安全性评估发现设计阶段存在的一些薄弱环节，进而采取相应的解决措施，然而并不是所有的错误都能暴露出来并被发现解决，这就需要采用高安全性设计技术来保证通用处理模块的高完整性。现阶段对提高通用处理模块完整性的方法总体分为两类：一类是以波音747为代表的，采用高可靠性核心芯片的通用处理模块，采用定制化设计和流片的高可靠性核心芯片来保证数据的确定性和可追溯性，但是定制化的核心芯片设计难度大，小批量流片成本高昂，存在较大技术壁垒和成本问题。另一类是以空客A380为代表的模块级多冗余设计，即设计出无法满足独立适航取证的通用处理模块后，根据通用处理模块承载的功能的安全性等级，进行多个通用处理模块备份，然后和IMA平台一起取得适航许可，这种方式技术壁垒较低，但多个备份导致无法对单个模块进行适航许可，只能和上层系统一通取证，同时严重依赖上层IMA系统层对多个通用处理模块的同步控制、故障处理、故障重构，丧失了一定的通用性和市场竞争力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种双余度通用处理模块及其信息同步方法，以解决现有技术中在提高可靠性的基础上无法平衡设计研发成本的问题。
第一方面，本发明提供的一种双余度通用处理模块，包括：
第一子模块；
第二子模块，所述第二子模块和所述第一子模块的配置相同，承载相同的机载系统软件和应用软件；
同步模块，所述同步模块接收所述第一子模块和所述第二子模块的数据，并实现所述第一子模块和所述第二子模块之间的数据互通；
所述第一子模块、所述第二子模块和所述同步模块的数据接口相同。
由上述技术方案可知，本发明提供的一种双余度通用处理模块，相比当下以波音747为典型的处理器级别的高可靠性方案，具有更廉价的设计研发成本，相比于以空客A380为代表的模块间冗余，可进行独立适航取证，通用性更强。
可选地，所述第一子模块和所述第二子模块都包括运算单元和通信单元，所述运算单元用于基本运算，所述通信单元用于和机载网络通信，所述运算单元和所述通信单元之间通过PCIE总线连接；
所述第一子模块和所述第二子模块都包括串口、网口和双余度接口，所述串口和所述网口用于所述第一子模块和所述第二子模块的软硬件调试和功能扩展。
可选地，所述第一子模块和所述第二子模块之间还通过IO接口连接，所述IO接口包括心跳信号IO、中断IO和SRIO，所述心跳IO用于传递所述第一子模块和所述第二子模块的整体状态，所述中断IO配合所述SRIO用于传输数据。
第二方面，本发明提供的一种信息同步方法，基于第一方面任一种可能实现方式的双余度通用处理模块，包括：
当任一子模块接收到输入数据后，进入输入同步流程，所述输入同步流程同步的是输入数据；其中接收到输入数据的子模块为主模块，另一子模块为从模块；
在所述主模块和所述从模块对于输入同步流程的同步一致时，进入业务同步流程；在进入业务同步流程前，所述主模块和所述从模块中任一子模块完成业务流程的处理，所述业务同步流程同步的是业务流程的输入数据处理结果；
在所述主模块和所述从模块对于业务同步流程的同步一致时，进入输出同步流程；在进入输出同步流程前，所述主模块和所述从模块中任一子模块完成业务流程的数据处理结果打包，所述输出同步流程同步的是打包的数据处理结果；
在所述主模块和所述从模块对于输出同步流程的同步一致时，完成数据的同步。
由上述技术方案可知，本发明提供的信息同步方法，具有高可靠性和实时性，能保证模块在遇到故障、错误时，进行故障识别和状态重构，具有极高的完整性。
可选地，所述输入同步流程、所述业务同步流程和所述输出同步流程，均包括：
所述主模块接收到数据后，向所述从模块发送同步申请帧；
在等待所述从模块的数据接收以及上传不超过预设时间后，向所述从模块发送与同步数据适配的控制帧；所述从模块根据所述控制帧解析获得所述主模块接收到的数据；
若所述从模块在解析所述控制帧后反馈的数据状态帧为一致时，所述主模块接收所述从模块的同步结束帧，完成输入数据同步。
可选地，在等待所述从模块的数据处理结果以及处理结果的上传不超过预设时间后，所述与同步数据适配的控制帧是在响应于所述从模块发送的应答同步申请帧后，向所述从模块发送的。
可选地，在向所述从模块发送同步申请帧时，业务流程置为等待同步状态；在接收所述从模块的同步结束帧后，业务流程解除等待同步状态。
可选地，所述控制帧包括输入数据帧、数据处理结果帧和输出数据帧，
若处于所述输入同步流程时，所述控制帧为输入数据帧；
若处于所述业务同步流程时，所述控制帧为数据处理结果帧；
若处于所述输出同步流程时，所述控制帧为输出数据帧。
可选地，所述方法还包括通过数据帧传递所述主模块和所述从模块之间的数据。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
通过本发明提供的双余度通用处理模块，基于两个相同优先级的子模块实现信息同步，能保证通用处理模块在遇到故障、错误时，进行故障识别和状态重构，具有高可靠性和实时性；同时基于本发明提供的信息同步方法，可以令狐进行同步状态检测和判决，具有较好的可扩展性来应对不通飞机功能应用的数据同步。相比当下以波音747为典型的处理器级别的高可靠性方案，具有更廉价的设计研发成本，相比以空客A380为代表的模块间冗余，本发明有潜力进行独立适航取证，通用性更强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明实施例提供的一种双余度通用处理模块的示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种信息同步方法的流程图；
图3示出了本发明实施例提供的控制帧的数据结构图；
图4示出了本发明实施例提供的数据帧的数据结构图；
图5示出了本发明实施例提供的一种信息同步方法的流程示意图。
附图标记：
1-第一子模块；101-包括包括运算单元；102-PCIE总线；103-通信单元；2-第二子模块；201-包括包括运算单元；202-PCIE总线；203-通信单元；3-同步模块；301-IO接口。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所涉及的双余度通用处理模块包括第一子模块1、第二子模块2和同步模块3。第一子模块1和第二子模块2通过多种接口，分别与同步模块3相连接。两个子模块硬件配置完全相同，承载相同的机载系统软件和应用软件。同步模块3接收两子模块的数据并实现第一子模块1和第二子模块2的数据互通。实际使用中，两个子模块之间不存在优先级上的区别。
本发明所涉及的第一子模块1包括包括运算单元101和通信单元103，运算单元101用于基本运算，通信单元103用于和机载网络通信，运算单元101和通信单元103之间通过PCIE总线102连接。
在本实施例中，运算单元101为一个多核心PowerPC板卡用于做基本的运算，通信单元103为一个AFDX子卡，用于和机载网络通信，PowerPC和AFDX之间采用4条PCIE总线102进行连接。
本发明所涉及的第二子模块2和第一子模块1完全相同，第二子模块2包括运算单元201和通信单元203，运算单元201也为一个PowerPC板卡用于做基本的运算，通信单元203未一个AFDX子卡，用于和机载网络通信，PowerPC和AFDX之间采用4条PCIE总线202进行连接。
本发明所涉及的第一子模块1、第二子模块2与同步模块3的数据接口也完全相同，每个子模块具有4路RS232串口104/204、4路网口105/205和双余度AFDX 106/206接口。串口和网口用于进行子模块软硬件调试和功能扩展。两模块之间还通过专用IO接口301连接，此IO接口301包含2路心跳信号IO、4路中断IO和4路SRIO(一种标准化的高速互联接口)。其中心跳IO用于传递模块的整体状态，中断IO配合SRIO用于大量数据传输。当本发明所涉及的双余度通用处理模块进行信息同步时，一个模块会被选择为主模块，另一模块相应的变为从模块。此时，从模块设置为主SRIO端，主模块设置为从SRIO端，实现从对主的监测。
本实施例提供的双余度通用处理模块，相比当下以波音747为典型的处理器级别的高可靠性方案，具有更廉价的设计研发成本，相比以空客A380为代表的模块间冗余，本发明有潜力进行独立适航取证，通用性更强。
对于第一子模块和第二子模块，当一个子模块出现故障时(假设是第一子模块)，整个系统的输出控制权要交给另一个子模块(对应为第二子模块)。由于在输出控制权交换的过程中，系统输出无论是模拟量还是数字量都必须保持不变，所以，未出现故障的子模块在工作时，必须实时存储当前系统输出状态。为了保证数据的一致性，本发明还提出了一种信息同步方法，对系统输入的数据采集均在同一时刻，同时在每个子模块完成系统输出以后，将主模块的系统输出信息通过信息共享的方式发送到从模块。
实施例2
如图2所示，本实施例提出了一种信息同步方法，应用于实施例1中的双余度通用处理模块中，包括：
S401、当任一子模块接收到输入数据后，进入输入同步流程，输入同步流程同步的是输入数据；其中接收到输入数据的子模块为主模块，另一子模块为从模块；
S402、在主模块和从模块对于输入同步流程的同步一致时，进入业务同步流程；在进入业务同步流程前，主模块和从模块中任一子模块完成业务流程的处理，业务同步流程同步的是业务流程的输入数据处理结果；
S403、在主模块和从模块对于业务同步流程的同步一致时，进入输出同步流程；在进入输出同步流程前，主模块和从模块中任一子模块完成业务流程的数据处理结果打包，输出同步流程同步的是打包的数据处理结果；
S404、在主模块和从模块对于输出同步流程的同步一致时，完成数据的同步。
本实施例的信息同步方法，基于任务级同步具有高可靠性和实时性，能保证模块在遇到故障、错误时，进行故障识别和状态重构，具有极高的完整性。
具体地，上述方法中对于不同的同步流程，即输入同步流程、业务同步流程和输出同步流程，均包括：
主模块接收到数据后，向从模块发送同步申请帧；
在等待从模块的数据接收以及上传不超过预设时间后，向从模块发送与同步数据适配的控制帧；从模块根据控制帧解析获得主模块接收到的数据；
若从模块在解析控制帧后反馈的数据状态帧为一致时，主模块接收从模块的同步结束帧，完成输入数据同步。
其中，在等待从模块的数据处理结果以及处理结果的上传不超过预设时间后，与同步数据适配的控制帧是在响应于从模块发送的应答同步申请帧后，向从模块发送的。
在向从模块发送同步申请帧时，业务流程置为等待同步状态；在接收从模块的同步结束帧后，业务流程解除等待同步状态。主模块监听数据接口，诸位等待同步状态后接收同步数据，安全性更高，并保证了同步性能，以不影响机载过程的其他业务流程。
可选地，控制帧包括输入数据帧、数据处理结果帧和输出数据帧，对应于不同同步流程，控制帧存在差异，具体为：
若处于输入同步流程时，控制帧为输入数据帧；
若处于业务同步流程时，控制帧为数据处理结果帧；
若处于输出同步流程时，控制帧为输出数据帧。
在本实施例的信息同步方法中，采用了两种帧结构，包括控制帧和数据帧。其中，控制帧用途是用来控制业务流程，不传递数据，采用二进制格式传输，帧基本结构如图3所示。控制帧的字段定义如表1，控制帧的信息状态字定义如表2。
表1
Figure BDA0003772847550000081
表2
Figure BDA0003772847550000082
Figure BDA0003772847550000091
其中，信息状态字用于定义数据同步任务状态。
数据帧用于两个子模块之间的业务数据传递，设计时考虑大数据量，支持多页面传输，传输格式采用二进制，帧格式参见图4，数据帧字段定义参见表3。
表3
Figure BDA0003772847550000092
Figure BDA0003772847550000101
通过数据帧和控制帧进行任务同步控制，可以灵活进行同步状态检测和判决，同时控制帧和数据帧字段具有较大的冗余性，使得本实施例信息同步方法具有较好的可扩展性来应对不同飞机功能应用的数据同步。
针对于实施例1中的双余度通用处理模块，本实施例中的信息同步方法具体为下述步骤，参见图5，其中步骤1-步骤7为输入同步流程，步骤8-步骤15为业务同步流程，步骤16-步骤22为输出同步流程：
步骤1.业务开始，主、从模块接收输入数据，当有一个模块接收到输入数据后，调用任务同步软件，业务流程进入等待锁定状态，同时向任务同步软件发送接收到的数据；
步骤2.通过IO中断信号以及SRIO通信接口向另一个模块发送同步申请帧；
步骤3.另一个模块收到同步申请帧后，该模块的任务同步软件等待完成输入数据接收以及数据上传，若等待超时，则任务同步软件发送数据状态帧至维护监测任务软件，上报输入数据无法同步的故障，否则转到步骤4；
步骤4.任务同步软件接收到处理软件上报的输入数据接收完成信号后，待数据上传完毕，将该模块上的业务流程置为等待同步状态，向另一个模块发送应答同步申请帧，表明数据已准备就绪；监听数据的接口，安全性更高，性能
步骤5.完成应答同步申请的操作后，主模块通过IO中断信号以及SRIO通信接口向从模块发送输入数据帧；
步骤6.从模块的数据比较单元，解析主模块传送过来的输入数据帧，与从模块上传的数据进行比较，得到比较结果；任务同步软件发送数据状态帧，将比较结果发送至维护监测任务软件与主模块，若不一致，终端控制系统决策下一步操作；若一致则转到步骤7；
步骤7.从模块的任务同步软件通过IO中断信号以及SRIO通信接口向主模块发送同步结束帧，解除业务流程的完成同步状态，可以在主、从模块上继续执行处理流程，至此完成数据接收同步。
步骤8.主、从模块其中之一完成业务流程——任务1的处理，调用任务同步软件，业务流程——任务1进入等待锁定状态，同时向任务同步软件发送数据处理得到的结果；
步骤9.通过IO中断信号以及SRIO通信接口向另一个模块发送同步申请帧；
步骤10.另一个模块收到同步申请帧后，该模块的任务同步软件等待业务流程——任务1的数据处理结果以及处理结果的上传，若等待超时，则任务同步软件发送数据状态帧至维护监测任务软件，上报数据处理结果无法同步的故障，否则转到步骤11；
步骤11.任务同步软件接收到处理软件上报的数据处理结果，待数据上传完毕，将该模块上的业务流程——任务1置为等待锁定状态，向另一个模块发送应答同步申请帧，表明数据已准备就绪；
步骤12.完成应答同步申请的操作后，主模块通过IO中断信号以及SRIO通信接口向从模块发送数据处理结果帧；
步骤13.从模块的数据比较单元，解析主模块传送过来的数据处理结果帧，与从模块上传的数据处理结果进行比较，得到比较结果；任务同步软件发送数据状态帧，将比较结果发送至维护监测任务软件与主模块，若不一致，终端控制系统决策下一步操作；若一致则转到步骤14；
步骤14.从模块的任务同步软件通过IO中断信号以及SRIO通信接口向主模块发送同步结束帧，解除业务流程——任务1的等待锁定状态，可以在主、从模块上继续执行处理流程，至此完成任务1的数据处理同步；
步骤15.重复步骤8至步骤14，直至业务流程包含的所有任务处理完毕。
步骤16.主、从模块其中之一完成业务流程的数据处理结果的打包，调用任务同步软件，业务流程进入等待锁定状态，同时向任务同步软件发送打包的数据；
步骤17.通过IO中断信号以及SRIO通信接口向另一个模块发送同步申请帧；
步骤18.另一个模块收到同步申请帧后，该模块的任务同步软件等待业务流程的处理结果打包完毕以及上传，若等待超时，则任务同步软件发送数据状态帧至维护监测任务软件，上报发送数据无法同步的故障，否则转到步骤19；
步骤19.任务同步软件接收到处理软件上报的打包数据，待数据上传完毕，将该模块上的业务流程置为等待锁定状态，向另一个模块发送应答同步申请帧，表明数据已准备就绪；
步骤20.完成应答同步申请的操作后，主模块通过IO中断信号以及SRIO通信接口向从模块发送输出数据帧；
步骤21.从模块的数据比较单元，解析主模块传送过来的输出数据帧，与从模块上传的输出数据进行比较，得到比较结果；任务同步软件发送数据状态帧，将比较结果发送至维护监测任务软件与主模块，若不一致，终端控制系统决策下一步操作；若一致则转到步骤21；
步骤22.从模块的任务同步软件通过IO中断信号以及SRIO通信接口向主模块发送同步结束帧，解除业务流程的等待锁定状态，至此完成输出数据同步，主模块将打包数据对外输出，业务处理完成，等待下一个业务。
以上，以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明实施例的方法，不应理解为对本发明实施例的限制。本技术领域的技术人员可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双余度通用处理模块，其特征在于，包括：
第一子模块；
第二子模块，所述第二子模块和所述第一子模块的配置相同，承载相同的机载系统软件和应用软件；
同步模块，所述同步模块接收所述第一子模块和所述第二子模块的数据，并实现所述第一子模块和所述第二子模块之间的数据互通；
所述第一子模块、所述第二子模块和所述同步模块的数据接口相同。
2.根据权利要求1所述的双余度通用处理模块，其特征在于，所述第一子模块和所述第二子模块都包括运算单元和通信单元，所述运算单元用于基本运算，所述通信单元用于和机载网络通信，所述运算单元和所述通信单元之间通过PCIE总线连接；
所述第一子模块和所述第二子模块都包括串口、网口和双余度接口，所述串口和所述网口用于所述第一子模块和所述第二子模块的软硬件调试和功能扩展。
3.根据权利要求2所述的双余度通用处理模块，其特征在于，所述第一子模块和所述第二子模块之间还通过IO接口连接，所述IO接口包括心跳信号IO、中断IO和SRIO，所述心跳IO用于传递所述第一子模块和所述第二子模块的整体状态，所述中断IO配合所述SRIO用于传输数据。
4.一种通用处理模块的信息同步方法，应用于权利要求1-3任一所述的双余度通用处理模块，其特征在于，所述方法包括：
当任一子模块接收到输入数据后，进入输入同步流程，所述输入同步流程同步的是输入数据；其中接收到输入数据的子模块为主模块，另一子模块为从模块；
在所述主模块和所述从模块对于输入同步流程的同步一致时，进入业务同步流程；在进入业务同步流程前，所述主模块和所述从模块中任一子模块完成业务流程的处理，所述业务同步流程同步的是业务流程的输入数据处理结果；
在所述主模块和所述从模块对于业务同步流程的同步一致时，进入输出同步流程；在进入输出同步流程前，所述主模块和所述从模块中任一子模块完成业务流程的数据处理结果打包，所述输出同步流程同步的是打包的数据处理结果；
在所述主模块和所述从模块对于输出同步流程的同步一致时，完成数据的同步。
5.根据权利要求4所述的信息同步方法，其特征在于，所述输入同步流程、所述业务同步流程和所述输出同步流程，均包括：
所述主模块接收到数据后，向所述从模块发送同步申请帧；
在等待所述从模块的数据接收以及上传不超过预设时间后，向所述从模块发送与同步数据适配的控制帧；所述从模块根据所述控制帧解析获得所述主模块接收到的数据；
若所述从模块在解析所述控制帧后反馈的数据状态帧为一致时，所述主模块接收所述从模块的同步结束帧，完成输入数据同步。
6.根据权利要求5所述的信息同步方法，其特征在于，在等待所述从模块的数据处理结果以及处理结果的上传不超过预设时间后，所述与同步数据适配的控制帧是在响应于所述从模块发送的应答同步申请帧后，向所述从模块发送的。
7.根据权利要求5所述的信息同步方法，其特征在于，在向所述从模块发送同步申请帧时，业务流程置为等待同步状态；在接收所述从模块的同步结束帧后，业务流程解除等待同步状态。
8.根据权利要求5所述的信息同步方法，其特征在于，所述控制帧包括输入数据帧、数据处理结果帧和输出数据帧，
若处于所述输入同步流程时，所述控制帧为输入数据帧；
若处于所述业务同步流程时，所述控制帧为数据处理结果帧；
若处于所述输出同步流程时，所述控制帧为输出数据帧。
9.根据权利要求8所述的信息同步方法，其特征在于，所述方法还包括通过数据帧传递所述主模块和所述从模块之间的数据。
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