CN116594555A - 一种航空数据读写中间件系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空数据读写中间件系统，介于应用程序和电子盘驱动之间，通过分区模块、初始化模块、数据写入模块、数据读取模块将电子盘分为数据块条目区、数据块索引区和数据块区；其中数据块条目区包含每个数据块的起始地址、占用大小、子通道数量、分包大小；数据块索引区包含了各个数据块的索引集，每个索引包括索引名称、索引编号、数据起始地址；数据块区用于存放数据，其中每个数据块区的首部分为当前数据块的数据块控制区，数据块控制区包含最新索引编号、数据块写地址；并支持使用方便、循环记录、掉电安全的航空数据的读写操作。

Description

一种航空数据读写中间件系统

技术领域

本发明涉及航空领域软件设计，具体涉及一种航空数据读写中间件系统。

背景技术

飞机在执行飞行任务过程中，会生成大量的数据，包括总线数据，飞行参数数据，音视频数据和日志等。这些数据通过航空专用的多通道数据记录系统(Data Logger或DataRecorder)进行采集和存储。由于飞行过程中产生的数据量非常巨大，需要在飞行结束后及时将机载存储器中的数据传输到地面站，以便于为后续的飞行任务释放出机载存储空间资源。将机载存储器数据存档的方法有两种：1)将存储盒拆卸安装到到地面站的专用读卡器上，将数据卸载导出到地面站。2)通过专用的接口直连机上的数据记录系统下载数据。

经过多年的研究，飞行电子存储系统发展到了固态数据记录。典型的固态电子盘采用NAND-Flash(闪存)作为存储介质，其具有大容量、改写速度快、寻址时间短等优点，在航空存储行业得到越来越广泛的应用。

在飞行过程中，传统的存储方法是在基于文件系统为不同类型的数据创建并采用续写的方式打开相应的文件，调用文件系统的写IO接口执行追加写操作存储数据。但是机载嵌入式环境使用环境复杂，资源有限，容易因为异常掉电导致文件被破坏。通用文件系统一般没有考虑NAND-Flash的特性，无法循环记录，当存储介质容量用完后，需要通过应用检测并对不重要的文件进行删除以腾出空间，增加了文件被破坏的风险和存储系统应用开发的难度。

此外，飞行结束后，对数据进行卸载时，不论是采用拆卸存储盒还是专用接口的方式卸载数据，都要求能够快速稳定的将数据卸载到地面站。

发明内容

本发明的发明目的在于一种航空数据读写中间件系统，可实现快速可靠稳定的在电子盘上记录和卸载飞行数据。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种航空数据读写中间件系统，介于应用程序和电子盘驱动之间，其中，电子盘分为数据块条目区、数据块索引区和数据块区；

数据块条目区包含每个数据块的起始地址、占用大小、子通道数量、分包大小；

数据块索引区包含了各个数据块的索引集，每个索引包括索引名称、索引编号、数据起始地址；

数据块区用于存放数据，其中每个数据块区的首部分为当前数据块的数据块控制区，数据块控制区包含最新索引编号、数据块写地址；

航空数据读写中间件系统中包含数据写入模块，数据写入模块在内存开辟一块和存储介质page大小相同的空间作为缓冲；在把数据写入电子盘前，数据写入模块获取当前数据块的数据块控制区的最新索引编号和数据块写地址，将最新索引编号加1，然后根据加1后的索引编号找到数据块索引区中对应的索引，将机上的应用程序输入的名称和数据块控制区获取的数据块写地址，分别更新给数据块索引区的索引名称和数据起始地址，并执行驱动写接口落盘；在写入过程中，先将缓冲和待写入数据的前部分拼凑成一个page，调用驱动写IO接口写入拼凑的数据，然后按照配置的包大小调用驱动写IO接口将剩余数据写盘；最后一包如果不满配置的包大小，则将不足部分拷贝到缓冲，如果当前待写入数据全部落盘，更新当前数据块的数据块控制区。

较佳地，数据块控制区还包含数据块索引区循环次数；数据写入模块在将最新索引编号加1后，如果索引编号达到上限，则表示数据块索引区发生翻转，需要置最新索引编号为0，数据块索引区循环次数加1。

较佳地，数据块控制区还包含数据块区循环次数，数据写入模块在写地址不断偏移的过程中到达数据块末尾时，需要更新写地址到当前数据块开头继续执行写操作，同时数据块区循环次数加1。

较佳地，航空数据读写中间件系统还包含数据读取模块，数据读取模块根据地面站应用程序输入的索引名称查询到需要读取的索引，以及该索引的起始地址、索引编号后，首先计算当前读地址所在page的起始地址，读取一个page的数据并拷贝需要的部分到读缓冲；然后不断调用驱动读IO接口按配置的包大小不断的读取数据，如果数据读完则结束流程；另外，当读地址不断偏移的过程中到达数据块末尾，需要更新读地址到当前数据块开头，然后结束流程。

较佳地，航空数据读写中间件系统还包含分区模块，分区模块根据配置文件调用电子盘的读写IO接口，将电子盘逻辑的划分为数据块条目区、数据块索引区和数据块区。

较佳地，航空数据读写中间件系统还包含初始化模块，初始化模块在航空数据读写中间件系统运行初始时执行一次，初始化模块依次读取数据块条目区、数据块索引区和数据块控制区，得到数据块条目区、数据块索引区和数据块区包含的信息并暂存到内存。

较佳地，电子盘上还分有数据块条目区、数据块索引区和数据块控制区分别有对应的备份区域，数据块索引区和数据块控制区中均包含校验码，如果数据块条目区、数据块索引区和数据块控制区的数据发生校验错误，则调取对应备份区域的数据。

本发明的有益效果在于：

本发明使用专用的航空数据读写中间件系统的替代原有的使用通用文件系统的应用程序进行记录的方案，采用顺序IO操作、掉电安全、数据循环记录，提高机载数据存储的可靠性和速度，简化了机载应用软件开发的难度。另外，本发明是一种软件，可以低成本的快速部署在不同类型的飞机电子盘上，方便对一些旧机型的存储系统进行快速升级。

附图说明

图1是本发明的航空数据读写中间件系统所处的逻辑层次图；

图2是本发明的航空数据读写中间件系统的组成框图；

图3是对电子盘进行分区后的效果示意图：

图4是数据块条目区的具体示意图：

图5是数据块索引区的具体示意图：

图6是数据块区的具体示意图：

图7是数据初始化模块执行的流程图：

图8是数据写入模块执行的流程图：

图9是数据读取模块执行的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示的航空数据读写中间件系统所处的逻辑层次图，本发明为航空数据的读写操作提供一个使用方便、支持循环记录、掉电安全的航空数据读写中间件系统。它介于用户应用程序和电子盘驱动之间，实现了应用程序对航空数据的读写。

参见图2所示的航空数据读写中间件系统的组成框图，主要包括分区模块，初始化模块、数据写入模块、数据读取模块。

分区模块类似于文件系统的格式化功能，为不同的数据类型在电子盘上划分不同的记录区域。相对于文件系统的格式化而言，分区模块根据配置文件，跳过操作系统直接调用电子盘的读写IO接口，将电子盘逻辑的划分为航空数据读写中间件系统能够识别的分区。配置文件可以由地面站的应用程序根据用户需求生成并保存在地面站本地。电子盘首次挂载到地面站后，地面站上的应用程序读取配置文件调用分区模块对电子盘进行分区，后续使用过程中不再执行分区。

在本实施例中，将电子盘分为数据块条目区(DBE)，数据块索引区(DBI)和数据块区(DBD)。其中每个数据块区的首部分为当前数据块的数据块控制区(DBC)。数据块索引区和数据块控制区分别有对应的备份区域。如果数据块索引区和数据块控制区的数据发生校验错误，则调取对应备份区域的数据。

图3～图6是对电子盘进行分区后的效果示意图，数据块条目区包含每个数据块的起始地址，占用大小，子通道数量，分包大小，CRC校验码信息。数据块条目区最多支持128个数据块条目，每个数据块条目占用32字节,占用空间大小为4KB。数据块条目的信息只读不写，其信息由地面工具在对电子盘分区的时候写入。电子盘在插入设备初始化过程中再读取数据块条目。

数据块索引区(DBI)包含了所有128个数据块的索引集。每个数据块的索引集支持最大1024个索引。每个索引包括索引名称、索引编号、数据起始地址、CRC校验码信息。索引的大小为64Bytes，单个数据块的索引占用64*1024＝64KB，128个数据块条目一共占用128*64KB＝8MB。数据块索引区后存有备份数据块索引区(DBI2)，占用8MB。

数据块区用于存放数据。每个数据块包含数据块控制区(DBC)，备份数据块控制区(DBC2)和数据区(DBD)。数据块控制区包含最新索引编号、数据块写地址、DBI循环次数、DBD循环次数和CRC校验码，数据区存储业务数据。

初始化模块在航空数据读写中间件系统运行初始时执行一次，负责对数据块条目区、数据块索引区和数据块控制区的初始化，为数据写入模块和数据读取模块提供必要的系统资源。图7是数据初始化模块执行的流程图，初始化模块依次读取数据块条目区、数据块索引区和数据块控制区，得到DBE、DBI、DBC的包含的信息并暂存到内存。如果在读取的任何过程中CRC校验值不正确，则读取备份数据的DBE2、DBI2或DBC2。

数据写入模块直接对各分区进行操作，通过驱动电子盘的读写IO接口操作电子盘，将飞行过程中产生的各类数据记录到电子盘。本实施例提供数据写入模块可实现可循环记录、掉电安全的数据写入。参见图8所示的数据写入模块执行的流程图，在内存开辟一块和存储介质page大小(通常为4KB)相同的空间作为中间件数据写入模块的缓冲cache。由于数据是连续写入的，数据写入模块可以通过相邻两个DBI的数据起始地址计算差值，求出每个架次记录数据的大小。在把数据写入电子盘前，数据写入模块获取当前数据块的DBC的最新索引编号和数据块写地址，将最新索引编号加1。如果加1后的索引编号为1024，则表示DBI发生翻转，需要置最新索引编号为0，DBC的DBI循环次数加1。最新索引编号更新写入DBC和DBC2。然后根据加1后的索引编号找到数据块索引区中对应的DBI，将机上的应用程序输入的名称和DBC获取的数据块写地址，分别更新给DBI、DBI2的索引名称和数据起始地址，并执行驱动写接口落盘。在写入过程中，先将内存cache和待写入数据的前部分拼凑成一个page，调用驱动写IO接口写入拼凑的数据。然后按照配置的包大小2^NKB，调用驱动写IO接口将剩余数据写盘。N可以根据不同的NAND-Flash的电气特性，由用户配置成2的N次幂KB(N取1～10的整数)。当写地址不断偏移的过程中到达数据块末尾，需要更新写地址到当前数据块开头继续执行写操作，同时DBD循环次数加1。这样就实现了数据的循环覆盖。最后一包如果不满配置的包大小，则将不足部分拷贝到内存cache，方便下一次调用写入模块时，总能够保证对齐写数据，且存储空间连续不浪费。如果当前待写入数据全部落盘，更新当前数据块的DBC和DBC2，结束流程。

数据读取模块直接对各分区进行操作，通过驱动电子盘的读写IO接口操作电子盘，主要在飞行结束后，用于将数据快速传输到地面站使用。在执行了初始化过程后，得到每个数据块所有索引的信息。地面站上应用程序向航空数据读写中间件中的数据读取模块输入索引的名称，数据读取模块根据输入的索引名称查询到需要读取的索引，以及该索引的起始地址、索引编号、CRC校验码等信息。图9是数据读取模块执行的流程图，为保证按照对齐的方式调用读IO接口，首先计算当前读地址所在page的起始地址，读取一个page的数据并拷贝需要的部分到读缓冲。然后不断调用驱动读IO接口按配置的包大小不断的读取数据，如果数据读完则结束流程。另外，当读地址不断偏移的过程中到达数据块末尾，需要更新读地址到当前数据块开头，然后结束流程。

在常规的航空记录应用场景中，应用程序读写电子盘的方式是将电子盘格式化成操作系统支持的文件系统(如Windows下的NTFS，linux下的ext4)，并以续写方式打开文件对文件进行读写。本发明提供的航空数据读写中间件系统使应用程序绕过了文件系统这一层，为应用程序提供API，让机载和地面站的应用程序在用户态下能直接操作I/O进行读写。这样整个读写流程透明，并可自由灵活地在航空数据读写中间件系统中定义读写过程中的日志。

机上生成的数据一般比较重要，且数据量很大。机上应用程序在续写文件时，如果发现电子盘剩余可用空间不够当前文件继续写入，通常是遍历电子盘，执行一定的策略检测可以删除的文件并删除它们以腾出空间。如果机载应用程序遇到这种情况不作处理，那么当前飞行架次的后续记录数据只能丢弃。通过提供本发明提供的航空数据读写中间件系统支持循环记录，能够自动覆盖历史最旧的数据，从而使机上的应用程序只需关心数据写入，简化了应用程序处理数据的流程。

机上环境比较复杂，遇到产品电源不稳或异常掉电的情况会更多。如果应用程序读写文件时，还未来得及关闭文件回收资源发生异常掉电，可能会导致文件损坏和数据丢失。而本发明提供的航空数据读写中间件系统中的数据写入模块和数据读取模块在数据区中是采用连续读写的方式操作电子盘，数据的组织形式更加简单，发生掉电中断时只会影响数据区的当前读写扇区，不易发生因文件整体损坏而导致的数据丢失。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种航空数据读写中间件系统，介于应用程序和电子盘驱动之间，其特征在于电子盘分为数据块条目区、数据块索引区和数据块区；

数据块条目区包含每个数据块的起始地址、占用大小、子通道数量、分包大小；

数据块索引区包含了各个数据块的索引集，每个索引包括索引名称、索引编号、数据起始地址；

数据块区用于存放数据，其中每个数据块区的首部分为当前数据块的数据块控制区，数据块控制区包含最新索引编号、数据块写地址；

航空数据读写中间件系统中包含数据写入模块，数据写入模块在内存开辟一块和存储介质page大小相同的空间作为缓冲；在把数据写入电子盘前，数据写入模块获取当前数据块的数据块控制区的最新索引编号和数据块写地址，将最新索引编号加1，然后根据加1后的索引编号找到数据块索引区中对应的索引，将机上的应用程序输入的名称和数据块控制区获取的数据块写地址，分别更新给数据块索引区的索引名称和数据起始地址，并执行驱动写接口落盘；在写入过程中，先将缓冲和待写入数据的前部分拼凑成一个page，调用驱动写IO接口写入拼凑的数据，然后按照配置的包大小调用驱动写IO接口将剩余数据写盘；最后一包如果不满配置的包大小，则将不足部分拷贝到缓冲，如果当前待写入数据全部落盘，更新当前数据块的数据块控制区。

2.根据权利要求1所述的一种航空数据读写中间件系统，其特征在于数据块控制区还包含数据块索引区循环次数；数据写入模块在将最新索引编号加1后，如果索引编号达到上限，则表示数据块索引区发生翻转，需要置最新索引编号为0，数据块索引区循环次数加1。

3.根据权利要求1所述的一种航空数据读写中间件系统，其特征在于数据块控制区还包含数据块区循环次数，数据写入模块在写地址不断偏移的过程中到达数据块末尾时，需要更新写地址到当前数据块开头继续执行写操作，同时数据块区循环次数加1。

4.根据权利要求1所述的一种航空数据读写中间件系统，其特征在于航空数据读写中间件系统还包含数据读取模块，数据读取模块根据地面站应用程序输入的索引名称查询到需要读取的索引，以及该索引的起始地址、索引编号后，首先计算当前读地址所在page的起始地址，读取一个page的数据并拷贝需要的部分到读缓冲；然后不断调用驱动读IO接口按配置的包大小不断的读取数据，如果数据读完则结束流程；另外，当读地址不断偏移的过程中到达数据块末尾，需要更新读地址到当前数据块开头，然后结束流程。

5.根据权利要求1所述的一种航空数据读写中间件系统，其特征在于航空数据读写中间件系统还包含分区模块，分区模块根据配置文件调用电子盘的读写IO接口，将电子盘逻辑的划分为数据块条目区、数据块索引区和数据块区。

6.根据权利要求1所述的一种航空数据读写中间件系统，其特征在于航空数据读写中间件系统还包含初始化模块，初始化模块在航空数据读写中间件系统运行初始时执行一次，初始化模块依次读取数据块条目区、数据块索引区和数据块控制区，得到数据块条目区、数据块索引区和数据块区包含的信息并暂存到内存。

7.根据权利要求1所述的一种航空数据读写中间件系统，其特征在于电子盘上还分有数据块条目区、数据块索引区和数据块控制区分别有对应的备份区域，数据块索引区和数据块控制区中均包含校验码，如果数据块条目区、数据块索引区和数据块控制区的数据发生校验错误，则调取对应备份区域的数据。