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虚拟飞机管理计算机控制管理系统软件设计与实现

添加时间:2018-05-25 20:04:41   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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本文是一篇软件工程硕士论文,软件工程专业是一门研究用工程化方法构建和维护有效的、实用的和高质量的软件的学科。它涉及到程序设计语言,数据库,软件开发工具,系统平台,标准,设计模式等方面。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇软件工程硕士论文,供大家参考。

 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景及意义
现代战机的飞机管理系统综合化程度日益提升[1],飞机管理计算机结构日益复杂,飞机管理计算机具有极高综合化程度的机载计算机平台,用来实现飞机各核心系统的综合控制管理[2]。而这也导致了飞机管理计算机的研制周期长、返厂率高、价格昂贵、使用资源紧张,而机载软件的研发与调式都十分依赖真是的飞机管理计算机台架[3],飞机管理计算机的这些缺点导致机载软件无法与真实硬件并行开发,导致机载软件及关联系统的研制周期及后期软件交付质量。而且飞机管理计算机研制前期需要进行大量的架构和模块的仿真验证,在真实物理环境下进行大量的架构仿真复杂且周期漫长。计算机模拟器技术是近年来快速发展的一种虚拟技术。计算机模拟器技术通过软件实现对 CPU 和外设建模,支持搭建从板级到系统级的计算机系统,这意味着设计人员可以运用该技术对硬件设计进行验证以及在硬件尚未交付之前提前开展软件研制工作,从而为后续的软件研制争取宝贵的时间。为了解决机载软件与飞机管理计算机不能同步开发及飞机管理计算机研制前期架构仿真复杂的弊端,结合计算机模拟器的优势特点,拟用虚拟化技术将飞机管理计算机虚拟化建模,搭建一个在架构和功能均高度仿真的虚拟模型,在该模型上运行原生的 TA、操作系统和机载应用。同时可以基于虚拟飞机管理计算机搭建全虚拟化的飞机管理计算机仿真平台,在该仿真平台上进行机载嵌入式软件的开发、调试与验证。在该虚拟平台上可以解决机载嵌入式软件开发必须依靠真实硬件才能进行开发的难题,使用该虚拟平台提前对机载应用程序进行开发测试,提高了开发效率、缩减了开发周期和设计成本[4]。论文的主要意义在于运用虚拟飞机管理计算机模型可以在前期对飞机管理计算机架构进行仿真,提前对机载软件进行测试验证,提高机载软件及关联系统的研制效率及后期系统软件交付质量,降低机载软件设计的开发周期与开发成本。而且,Simics 模拟平台在航空领域使用广泛,具有一定的工程实用价值。
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1.2 国内外发展态势
 
1.2.1 飞机管理系统的研究态势
飞机管理系统作为飞机平台中综合控制管理飞行控制管理、作动控制管理、航电管理、机电公共设备管理的综合系统[5],具有高度综合化。飞机管理系统对飞机的飞行控制和任务系统功能在物理上和功能上进行综合管理,控制管理各系统之间的功能分配、资源共享及各系统之间的协调运行[6],确保飞机平台的总体工作,优化飞机各项工作,提升飞机整体作战能力,减轻飞行员的工作负担。飞机上除核心处理机外,飞机管理系统是其最重要的综合系统。现代飞机划分为直接与飞机完成任务有关的“有效载荷功能”和帮助飞机支撑任务功能执行的“飞机管理功能”[7],“飞机管理功能”由飞机管理系统实现,具体综合控制管理飞行控制、作动控制、航电管理、机电公共设备管理等功能。在飞机管理系统的发展史上,飞机管理系统主要有两种不同的系统结构,一种采用联合式系统结构,一种采用综合式系统结构[8]。联合式系统结构的飞机管理系统,由独立的计算机对每个子系统进行控制管理,如导航计算机负责对导航系统的控制计算管理、飞控计算机负责对飞行控制系统控制计算管理等,各子系统采用通讯总线实现互连。联合式系统结构在于实现功能和物理上分离,其优点是能有效抑制故障蔓延,缺点是设备多、重量大、子系统间信息综合程度低,不能最优发挥飞机性能,无法优化飞行品质。
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第二章 虚拟化技术基础
 
本章首先概述了虚拟飞机管理计算机仿真平台,然后对计算机系统模拟器指令集模拟技术进行研究分析,分析介绍了模拟器的分类,对成熟且广泛使用的三种模拟器 Simics、QEMU 和 SkyEye 进行分析研究,对比三种模拟器的优劣及项目实际需求分析得出选取 Simics 模拟器作为建模平台。针对 Simics 模拟器给出了硬件建模相关的虚拟化设计方案。
 
2.1 虚拟飞机管理计算机仿真平台概述
在配套的机载软件研制过程中,真实的飞机管理计算机存在生产周期漫长,使用资源紧张,购买价格昂贵等缺点。针对上述问题,拟对真实的飞机管理计算机进行虚拟化处理,构建虚拟飞机管理计算机仿真平台,飞机管理计算机机载软件研发采用虚拟飞机管理计算机验证,以便在软件研发前期就尽早暴露软件问题,提高后期交付系统集成测试时的软件质量。虚拟飞机管理计算机仿真平台将实物闭环仿真飞行中的各实物子系统虚拟化,以数据为核心进行交互,分别负责数据的输入、输出、处理、存储、分析和查看。虚拟飞机管理计算机是虚拟飞机管理计算机仿真平台的核心处理机,图 2-1为飞机管理计算机虚拟仿真平台系统框图。虚拟飞机管理计算机仿真平台可以提高仿真飞行试验环境的集成度,当不同的仿真系统分布在不同的机器上时,会导致繁琐的操作和频繁的切换。在不同的机器上移动,以及操作不同机器的人员之间的沟通也会占据大量时间。而虚拟飞机管理计算机仿真平台将仿真系统集成在一台或两台 PC 物理机上,便于开展测试工作。虚拟飞机管理计算机仿真平台可以降低飞机试验成本,在虚拟飞机管理计算机仿真平台搭建完毕之后,不需要计算机实物部署到各个系统上,降低了试验采购成本。其次,不会出现飞机管理计算机损坏的情况。第三,实物飞机管理计算机的使用寿命有限,大量的试验时间会缩短其在飞机上的使用寿命,而虚拟飞机管理计算机不存在这个问题。
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2.2 计算机系统模拟器技术研究
计算机系统模拟器运行在宿主机上,以硬件或软件去模拟目标主机的架构、指令集和设备模块,从而在宿主机上搭建一个内核与外设均可高度配置与裁剪的模拟平台,方便开发人员对目标主机的研究和分析。使用模拟器有如下优点:(1) 使用模拟器可以让软件和硬件开发同步进行,不需要额外的硬件设计,缩短开发周期,减少硬件成本;(2) 模拟器具有可扩展、可裁剪的优点,可以根据设计需求选择内核或外设,方便搭建新的系统,并对其进行可行性验证;(3) 模拟器能够实现对软硬件的配置和观察,方便开发人员对软硬件的开发与测试;(4) 模拟器能够提供比硬件环境下更丰富的测试环境和手段,比如变量查看、性能分析等手段,便于开发和测试人员对目标机软硬件的测试分析;(5) 能为系统的时间约束建立精确的模型。对于具体硬件设备的模拟,模拟器主要分为三部分模拟:指令集模拟、存储器模拟和 I/O 及外设模拟,其基本框图如图 2-2 所示。指令集模拟是将目标机指令转换成同语义的宿主机指令,并在宿主机上执行。存储器模型通过软件来模拟真实的 RAM、FLASH 等存储器模型,保证目标机指令的逻辑地址和物理地址的一致性。I/O 接口及外设模型中对于 I/O 部件主要是对标准 I/O 部件模型进行定制和修改,而外设部件主要进行功能性模拟,使其能模拟用于跟踪文件的获取和系统软件的开发。
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第三章 虚拟飞机管理计算机控制管理系统的需求分析....21
3.1 虚拟飞机管理计算机的需求分析..............21
3.2 虚拟飞机管理计算机控制管理系统的需求分析................21
3.3 DIF 模型的需求分析..........29
3.4 虚拟飞机管理计算机的非功能性需求......30
3.5 技术难点...............30
3.6 本章小结...............31
第四章 虚拟飞机管理计算机控制管理系统的设计与实现.............32
4.1 虚拟飞机管理计算机总体方案设计..........32
4.2 虚拟飞机管理计算机控制管理系统方案设计.......33
4.3 DIF 模型的设计与实现......47
4.4 本章小结...............56
第五章 虚拟飞机管理计算机控制管理系统的测试与验证.............57
5.1 测试环境的设计与搭建....57
5.2 CP2 单板模型的测试与验证.......... 59
5.3 DIF 模型的测试与验证......68
5.4 虚拟飞机管理计算机的集成测试与验证...............70
5.5 虚拟飞机管理计算机的闭环测试与验证...............71
5.6 虚拟飞机管理计算机特性对比分析..........74
5.7 本章小结...............76
 
第五章 虚拟飞机管理计算机控制管理系统的测试与验证
 
本章节首先对测试环境进行设计与搭建并给出了虚拟飞机管理计算机控制管理系统模型的测试项和测试内容表,然后对各模型进行功能性单元测试,以保证模型中各模型功能的完善性和正确性。其次对 DIF 模型进行功能性测试,通过 DIF固化、构型,对虚拟飞机管理计算机模型进行操作系统和机载应用的加载,对模型进行跨平台的 GDB 调试。最后结合总线模型对虚拟飞机管理计算机模型进行集成测试验证和对虚拟飞机管理计算机仿真验证平台进行整体的闭环测试,以验证虚拟飞机管理仿真验证平台中各子系统的通信通路及性能。
 
5.1 测试环境的设计与搭建
本论文中对虚拟飞机管理计算机控制管理系统模型的测试有三种方式,一是使用 Simics 平台的图形化界面,二是使用 Lambda_SVM 调试器,三是使用综合测试设备 DIF 软件。如图 5-1 所示,主机 HOST PC 运行在 Windows 环境下,Simics、Lambda_SVM 和 DIF 软件运行在主机上,外围的仿真软件分别运行在不同的计算机上,通过中间件 dds 与虚拟飞机管理计算机通信。Simics 图形化界面集成了多种测试窗口,比如 Disassembly 窗口可以对机载代码进行汇编级调试,MemoryContents 窗口可以实时的查看内存地址上的状态和数据,Register 窗口可以实时查看虚拟 CPU 核的寄存器状态信息。Lambda_SVM可以实现对单余度的虚拟飞机管理计算机实现跨平台的GDB调试,在虚拟飞机管理计算机模型中搭建 MPSC 串口模型,MPSC 串口模型通过Simics 虚拟串口 API 与虚拟串口连接,同时离散卡驱动模块与虚拟串口相连接,从而完成了 Lambda_SVM 与虚拟飞机管理计算机模型的连接通路。综合测试设备 DIF 软件集成了丰富的调式功能,比如控制多余度虚拟飞机管理计算机的同步调式、异步调式、复位停止等。DIF 软件集成了常用的 GDB 调试命令,可实时的读取模型寄存器状态,读写内存地址数据,固化 OS、机载应用程序等二进制文件等功能。
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总结
 
本论文设计的虚拟飞机管理计算机控制管理系统模型具有真实飞机管理计算机控制管理系统的架构、设备模块及所有功能,控制管理系统模型与总线模型的兼容性良好,共同组成的虚拟飞机管理计算机具有功能完备性、数据可靠性、配置灵活性、稳定性等优点,能够加载运行真实的 TA、操作系统及机载应用程序。以虚拟飞机管理计算机为核心搭建的虚拟飞机管理计算机仿真验证平台运行在全虚拟化环境下,可以对整个飞机管理系统进行闭环测试验证。运用该平台解决了机载软件必须依赖真实飞机管理计算机才能开发调试的弊端,在此平台上提前对机载软件进行测试验证,以便在软件研发前期就尽早暴露软件问题,提高后期交付系统集成测试时的软件质量及开发效率。本论文的虚拟飞机管理计算机控制管理系统模型有如下三个创新点:
(1)设计搭建了 MV64460 桥接器模型,使 CPU 与外围设备连接不再是硬连接而使用功能丰富的主桥接器连接;
(2) 将并口卡通信方式虚拟化设计,使其更加符合虚拟环境下的通信要求;
(3) 在串口调试和网卡调试的基础上,搭建了 DIF 模型用于对虚拟飞机管理计算机进行跨平台的 GDB 调试,DIF 模型相较于串口调试、网卡调试功能更加完善,测试手段更加丰富,测试结果更加可靠。
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参考文献(略)

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论文关键字:软件工程硕士论文 虚拟飞机管理