Design and architecture of real-time operating system

Современные авиалайнеры, такие как Airbus A320, Boeing 787, перспективный отечественный самолёт МС-21, используют новую архитектуру построения комплекса бортового оборудования, получившую название Интегрированная модульная авионика (ИМА). В её основе лежит объединение приборов и бортовых вычислителей в единую сеть реального времени, что позволяет существенно снизить количество кабелей на борту и, тем самым, уменьшить взлётный вес лайнера. В ИМА разделяются функции сбора информации (датчики), воздействия (актуаторы) и логики оказания управляющих воздействий, которая реализуется специализированным прикладным ПО в бортовых вычислительных модулях. Международный стандарт ARINC 653 описывает требования к операционной системе реального времени, устанавливаемой на таких модулях, и программный интерфейс между прикладным авиационным ПО и операционной системой. Данный стандарт регламентирует временное и пространственное разделение прикладного ПО в соответствии с принципами ИМА. Большинство ОСРВ соответствующих стандарту ARINC 653 являются коммерческим ПО. В данной статье представляется JetOS - ОСРВ с открытым исходным кодом полностью соответствующую требованиям ARINC 653 части 1 версии 3. JetOS была основана на открытом проекте французских исследователей POK. Некогда POK была единственной ОСРВ с открытым исходным кодом, которая хоть сколько-нибудь соответствовала требованиям стандарта ARINC 653, однако была непригодна для практического использования: POK не удовлетворяла ряду фундаментальных требований ARINC 653 и работала только в эмуляторе. При разработке JetOS код POK был существенно переработан. В статье мы обсуждаем недостатки POK и показываем, как нам удалось решить эти проблемы и какие изменения были внесены в архитектуру и реализацию POK и отдельным подсистем. В частности, был полностью переписан планировщик реального времени, сетевой стек и управление памятью. Также в JetOS были добавлены новые возможности. Наиболее интересной является поддержка системных разделов. Системный раздел - специальное прикладное ПО с расширенным набором возможностей, таких как прямой доступ к отдельным аппаратным средствам (сетевой карте, PCI контроллеру и т.п.). Наличие системных разделов позволяет вынести крупные подсистемы из ядра ОС и оставить в ядре минимальный набор задач, связанных с переключением контекстов, планировщиком и обменом сообщениями между компонентами ПО. В частности, в системный раздел вынесена подсистема, отвечающая за взаимодействие через сеть. Данное перемещение кода позволяет уменьшить размер ядра ОС, что теоретически уменьшает вероятность наличия ошибки в ядре и упрощает процесс верификации ядра.