موضوع مقاله: اویونیک ماجولار یکپارچه | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # اویونیک ماجولار یکپارچه | مقدمه: این معماری را می‌توان به نوعی در مقابل معماری به هم وابسته (federated) در سیستم‌های اویونیکی در نظر گرفت که در آن رویکرد «یک عملیات=یک کامپیوتر» اساس طراحی است. | ## بخش 1: اویونیک ماجولار یکپارچه | مقدمه در اواخر قرن بیستم میلادی شرکتهای هواپیمایی به دلیل محدودیتهای وزنی و حجمی سیستم‌های اویونیکی در یک هواپیما و هم چنین زیاد شدن تعداد سیستم‌ها، هزینه‌های زیادی را متحمل می‌شدند. از سوی دیگر رویکرد «یک عملیات = یک کامپیوتر» که در معماری به هم وابسته سیستم‌های اویونیکی رایج بود، دیگر کارایی لازم را نداشت. در معماری به هم وابسته، هر محفظه عملکردی خاص با سختافزار و نرمافزار مختص خود را ارائه می‌دهد. در این معماری هر محفظه فضای زیادی را اشغال می‌کند و به علت عملکرد جداگانهٔ هر سیستم، توان مصرفی در آن‌ها بسیار بالا است. در معماری به هم وابسته سامانه‌های مختلف از جمله سیستم هدایت خودکار، سیستم مدیریت پرواز، سیستم ضد لغزش و غیره. هر یک منبع تغذیه، درگاه ورودی/خروجی، واسط‌ها، حسگرها و محرک‌های مخصوص به خود را دارند. این نوع ساختار ترکیب سخت‌افزار و نرم‌افزار با عنوان معماری اویونیک ماجولار یکپارچه (IMA) شناخته می‌شود؛ بنابراین معماری IMA سطوح بالاتری از کارایی و ظرفیت سیستمی، امکان دسترسی بیشتر به تجهیزات و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و در نتیجه کاهش هزینه‌ها در طول عمر سیستم را فراهم می‌آورد. سیر تکاملی معماری اویونیک در هواپیما تا قبل از دهه ۱۹۶۰ میلادی، سیستم‌های اویونیک بیشتر مبتنی بر قطعات و مدارهای آنالوگ بودند. این سیستم‌ها کارکردهای سطح بالایی ارائه نمی‌دادند و از نظر اندازه، وزن و مصرف توان نسبت به سیستم‌های امروزی چندان مناسب نبودند. با توسعه فناوری‌های دیجیتال، به مرور سیستم‌های اویونیک آنالوگ با سیستم‌های دیجیتال جایگزین شدند. بدین ترتیب علاوه بر افزایش کارایی سیستم‌های اویونیک تبادل داده بین آن‌ها نیز از طریق گذرگاه‌های داده دیجیتال امکان‌پذیر شد. بر اساس نحوه تقسیم وظایف و ارتباط تجهیزات الکترونیکی با یکدیگر معماری‌های مختلفی برای پیاده‌سازی سیستم اویونیک کلی ارائه شده مورد استفاده قرار گرفت. افزایش ترافیک هوایی که با سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای در ارتباط هستند نیازمند ارتقای سیستم‌های نظارتی به همراه افزایش قدرت محاسباتی برای پیگیری مسیرهای پیچیده پرواز با دقت بسیار بالا می‌باشند. این کار با پیشرفت در فناوری اویونیکی دیجیتال که شامل زمینه‌های پردازشی، توسعه نرم‌افزار و ارتباطات دیجیتالی شبکه محور و توانا ساختن سیستم‌های هواپیما در یک مقیاس بسیار بزرگ یکپارچه شده امکان‌پذیر است. سیستم‌های اویونیک هواپیما در حال حاضر از نظر توانایی و پیچیدگی رشد چشم‌گیری داشته‌اند. پیشرفت این فناوری‌ها از جنبه‌هایی نظیر بهبود عملکرد، قدرت محاسباتی، پیچیدگی، قابلیت اطمینان، کاهش وزن، حجم، توان مصرفی، سیم‌بندی و هزینه‌های پشتیبانی است، هرچند که این پیشرفت‌ها افزایش قیمت را نیز به همراه دارد. معماری توزیع شده آنالوگ معماری توزیع شده آنالوگ برای اولین بار در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ ارائه گردید. در این نوع از سیستم‌ها، قسمت‌های اصلی به وسیله سیم‌کشی سخت باهم ارتباط داشته و هیچ نوع گذرگاه داده‌ای در آن وجود ندارد. | ## بخش 2: اویونیک ماجولار یکپارچه | در نتیجه حجم زیادی از سیم‌کشی در سیستم وجود دارد و هرگونه دستکاری یا تغییر در ساختار آن بسیار مشکل است. سیستم‌های آنالوگ همواره مستعد خطا و از کار افتادگی بوده و محاسبه با آن‌ها دقت و پایداری محاسبات سیستم‌های دیجیتال بعدی را ندارد. با رشد سیستم‌های دیجیتال، این قابلیت به وجود آمد تا از آن‌ها برای افزایش سرعت و دقت عملیات استفاده شود. این نوع سیستم‌ها در ابتدا بسیار سنگین، حجیم و دارای محدودیت حافظه بوده و هر واحد عملیاتی، کامپیوتر و حافظه مخصوص به خود را دارد. در این مرحله واحدها و تجهیزات سیستم با توجه به نوع کاربردشان از یکدیگر مجزا می‌باشند و با این وجود توانایی انتقال داده بین اجزا به خوبی بهبود داده شده‌است. گذرگاه داده نه تنها در زمینه انتقال سیگنال‌ها انعطاف‌پذیری بالایی از خود نشان می‌دهد، بلکه باعث کاهش قابل ملاحظه حجم سیم‌ها در این معماری می‌شود. اگرچه حجم زیادی از سیم‌کشی‌ها به این روش کاسته شده‌است ولی همچنان اضافه نمودن یک جزء به شبکه کار پیچیده و دشواری محسوب می‌شود. در این معماری متناظر هر وظیفه، یک کامپیوتر برای پردازش اطلاعات قرار داده شده‌است و قطعات به صورت وابسته و توزیع شده در سطح هواپیما جانمایی می‌شوند. در حقیقت یک معماری به هم وابسته از تعداد نسبتاً زیادی LRU که با یک گذرگاه داده با یکدیگر در ارتباط هستند تشکیل شده‌است. در طول فرایند به بلوغ رسیدن حافظه‌های الکترونیک به ویژه حافظه‌های غیر فرار، معماری به هم وابسته توانست از قابلیت برنامه‌نویسی مجدد در بسیاری از LRUهای سیستمی و گذرگاه‌های داده برخوردار گردد که این یک پیشرفت بسیار مؤثر در زمینه نگهداری محسوب می‌شود. سیستم‌های به هم وابسته با میزان یکپارچه‌سازی عمیقتر و به‌کارگیری شبکه‌های فیبر نوری با پهنای باند بالا توانستند امکان پردازش حجم زیادی از اطلاعات را به وجود آورند. این کار باعث کاهش وزن و حجم گردید اما انتشار خطا روی یک پردازنده خطای بیشتری را در پی داشت که قابلیت اطمینان کنترل‌کننده‌ها را کاهش می‌داد و هزینه‌های نگهداری را بالا می‌برد. یک واسط باید پیادهسازی شود که وظایف نرم‌افزاری متفاوت را از یکدیگر جدا نگه دارد و آن‌ها را از سخت‌افزار تفکیک نماید و سرویسهایی را برای تشخیص خطای پیچیده‌تر، ارائه دهد. این مفهوم جداسازی قطعات اویونیک به اجزای سازنده آن یعنی پردازنده، ورودی/خروجی، منبع تغذیه و درگاه شبکه را به همراه داشت. این ماجولها عبارتند از: هسته ماجول پردازشگر، ماجول ورودی/خروجی، ماجول منبع تغذیه و ماجول درگاه شبکه. ارتباط بین این ماجول‌ها از طریق یک گذرگاه داده با قابلیت تحمل خطا (به جای متوقف کردن فرایند) صورت می‌گیرد. معماری IMA سطوح بالاتری از کارایی و ظرفیت سیستمی، بیشتر در دسترس بودن تجهیزات، کاهش هزینه‌های نگهداری و در نتیجه کاهش هزینه‌ها در طول عمر سیستم را فراهم می‌نماید. در واقع پیشرفت سریع و ادامه‌دار فناوری اویونیک به دلیل عواملی چون، پیشرفت تکنولوژی ساخت قطعات و سیستم‌های الکترونیک، افزایش خواسته‌ها و پیچیدگی کاربردها، کاهش متوالی نسبت هزینه‌های سخت‌افزاری به نرم‌افزاری و مزایای مجتمع‌سازی و استانداردسازی است. | ## بخش 3: اویونیک ماجولار یکپارچه | مزایای معماری IMA اصول اویونیک ماجولار مجتمع یک رویکرد مشترک با معماری باز را برای سخت‌افزار محاسباتی معرفی می‌کند تا یک بستر منبع با محاسبات غنی را جهت اجرای نرم‌افزار کاربردی سامانه‌های اویونیک فراهم نماید. یک سیستم‌عامل بلادرنگ مدیریت تخصیص منبع محاسباتی را به عهده داشته و افراز و تفکیک سیستمی را تضمین می‌نماید. مزایای قابل‌توجه در این سطح از تجمیع عبارت‌اند از: صرفه جویی در حجم، وزن و تعمیر و نگهداری. طراحی‌های استاندارد ماجول به‌منظور دست‌یابی به یک رویکرد یکپارچه‌تر در طراحی تجهیزات. مدیریت تجهیزات منسوخ‌شده قاب|وسط|شکل ۵ عوامل مؤثر در توسعه IMA نسل دوم معماری اویونیک ماجولار یکپارچه نسل بعدی معماری اویونیک، تحت عنوان پروژه SCARLETT، کنسرسیومی متشکل از ۴۰ کمپانی و مؤسسه تحقیقاتی از ۱۶ کشور است که توسط اتحادیه اروپا تأسیس شده‌است. استفاده از IMA2G باعث کاهش بیشتر هزینه‌ها و مدیریت پیچیدگی در حال افزایش سامانه‌های الکترونیکی هواپیما می‌گردد. همچنین در حوزه SCARLETT، مفهوم IMA می‌تواند در موارد زیر بهبود یابد: معرفی یک مفهوم سخت‌افزاری قابل انعطاف که ورودی/خروجی را از ماجول‌های محاسباتی جدا می‌نماید و ماجول‌های ورودی/خروجی پردازش هسته، به جای اجزای الکترونیکی ماجولار توزیع شده که توسط AFDX متصل شده‌اند، جایگزین می‌گردد. یک مفهوم نرم‌افزاری، که باعث عدم وابستگی بیشتر بین کاربردها و پلتفرم لایهٔ زیرین می‌شود. سازوکارهای قابل بازپیکربندی که با استفاده از مکانیزم تحمل خطا قابلیت عملیاتی را افزایش می‌دهند. یک زنجیره ثابت برای توسعه تمام فعالیت‌ها (شامل تلفیق و تأیید صحت عملکرد) کاهش تعداد اجزای الکترونیکی که می‌توانند در انواع مختلف هواپیماها مورد استفاده دوباره قرار بگیرند. اجزای تشکیل‌دهنده معماری IMA یک سیستم IMA از تعدادی محفظه تشکیل شده که هر کدام از این محفظه‌ها شامل تجهیزاتی برای اجرای بیشتر پردازش‌ها و ارسال تمام ورودی/خروجی‌های محلی به سنسورها، عملگرها و شاخص‌ها است. ارتباط بین این محفظه‌ها و همچنین عملگرها و سنسورها از طریق باس داده ARINC 629 برقرار می‌شود؛ بنابراین معماری IMA را می‌توان به محفظه‌ها (ماجول‌ها)، گذرگاه داده و متمرکزکننده داده تقسیم‌بندی نمود. در لایهٔ کاربری‌های نرم‌افزاری، کاربری‌ها و نیازهای اویونیکی به صورت نرم‌افزاری تعیین می‌شوند که از طریق واسط APEX به لایهٔ هستهٔ نرم‌افزاری که شامل یک سیستم عامل real time است، متصل می‌شود. در بخش ۱ از این استاندارد، به بررسی اجمالی و مفاهیم سیستم‌ها پرداخته شده و بخش ۲ تا ۶ شامل مشخصه‌های پروتکل اینترنت و اترنت است. بخش ۷ از استاندارد ARINC 664، “شبکه AFDX”، یک روش زمان- قطعی معین را مشخص می‌کند که برای کنترل و فرمان‌های مهم – ایمنی و بلادرنگ قابل کاربرد است. گذرگاه داده AFDX لایه فیزیکی مورد استفاده در صنعت کامپیوتر را بر اساس استاندارد اترنت IEEE802.3 به کار می‌برد. واسط فیزیکی معمولاً کابل‌های مسی زوج به هم تابیده حفاظت شده می‌باشند، البته فیبر نوری نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. | ## جمع‌بندی | AFDX مفهوم گپ تخصیص پهنای باند (BAG) را برای توزیع دنباله داده‌ها به بسته‌های زمانی به کار می‌برد که مقدار این BAG، تعیین‌کننده بازه زمانی میان بسته‌ها بر روی یک لینک مجازی معین است.