在航空電子設(shè)備中，將軟件集中到一個硬件平臺中被認為是一種很好的做法。事實上的標準 ARINC653 根據(jù)排除和緩解硬件資源沖突的分區(qū)模型描述了它如何正常工作。隨著此模型的成功和多核處理器 （MCP） 的出現(xiàn)越來越多，證書頒發(fā)機構(gòu)已開始擴大其對使用多核處理器的接受程度。

CAST-32 方法為多核處理器打開了大門。..

關(guān)于這一點，認證機構(gòu)軟件小組（CAST），一個由認證和監(jiān)管機構(gòu)代表組成的國際小組（EASA，F(xiàn)AA），發(fā)表了一篇名為CAST-32的論文，描述了允許在機載系統(tǒng)中使用多核處理器的條件。從本質(zhì)上講，本文確定了可能對系統(tǒng)安全產(chǎn)生影響的主要主題，在大多數(shù)情況下，事實證明確定性是關(guān)鍵。CAST-32的最終結(jié)論是可以使用多核處理器，但范圍僅限于最多兩個活動內(nèi)核。

。..但隨后的開發(fā)實際上允許有效地利用它們

隨著CAST-32文件CAST-32A（2016）的更新，這種情況發(fā)生了變化?，F(xiàn)在可以在機載系統(tǒng)中并行使用處理器的所有內(nèi)核。該文件明確允許使用多個內(nèi)核，只要提交認證的組織（申請人）可以為上述問題提供最先進的解決方案。這些問題涉及硬件設(shè)計的各個方面以及軟件體系結(jié)構(gòu)的問題。后者需要通過適當?shù)?a target="_blank">操作系統(tǒng)打下堅實的基礎(chǔ)。高級操作系統(tǒng)已經(jīng)將多核支持緊密地整合到其分區(qū)管理中。

規(guī)劃的挑戰(zhàn)

CAST-32A 定位文件的“規(guī)劃”部分討論了與處理器、架構(gòu)、操作系統(tǒng)和工具選擇相關(guān)的所有主題。它始于申請人確定MCP的責任。此外，CAST-32A要求申請人注意軟件架構(gòu)（包括IMA考慮），資源分區(qū)模型和要使用的開發(fā)工具。

最大的挑戰(zhàn)：管理共享處理器緩存而不發(fā)生沖突

CAST-32A最具爭議的討論主題被稱為“干擾信道和資源使用”。它讓申請人來識別應(yīng)用程序之間的干擾，定義資源使用情況，并評估對整個系統(tǒng)的確定性行為的影響。共享處理器緩存和主內(nèi)存帶寬的影響這兩個問題正在挑戰(zhàn)申請人構(gòu)建系統(tǒng)。

由于高級緩存在處理器內(nèi)核之間共享，因此 CPU 的硬件必須處理同步問題。此外，共享緩存的狀態(tài)可能會受到錯誤應(yīng)用程序的影響，從而嚴重影響安全關(guān)鍵分區(qū)的性能。

及時處理任務(wù)的內(nèi)存沖突解決方案

為了應(yīng)對最壞的情況，符合 CAST-32A 標準的操作系統(tǒng)必須提供緩存帶寬監(jiān)控，以便關(guān)閉錯誤的應(yīng)用程序。除了這些在運行時適用的技術(shù)方法之外，申請人應(yīng)該有可能（幾乎）消除架構(gòu)級別的緩存影響。最明顯的方法是增加時間分區(qū)窗口的安全裕度，以便即使共享緩存永久不穩(wěn)定，也可以滿足最壞情況執(zhí)行時間 （WCET）。這樣做時，性能將受到重大影響。相反，申請人可以將應(yīng)用程序分成具有相同軟件級別的組。通過確保安全關(guān)鍵流程并行運行，緩存可以在關(guān)鍵時間范圍開始時失效。這應(yīng)該類似于單核處理器上的情況，其中應(yīng)用程序按順序調(diào)度，在關(guān)鍵安全應(yīng)用程序啟動時執(zhí)行資源清理。

另一個干擾源是主內(nèi)存總線。即使內(nèi)存區(qū)域被劃分并因此相互保護，對總線的訪問也需要一定的時間。一個應(yīng)用程序?qū)?nèi)存總線的密集使用是以并行運行的應(yīng)用程序為代價的。本主題與共享緩存討論非常相似，緩解措施幾乎相同。

細粒度鎖定和清晰的前景

當在不同內(nèi)核上執(zhí)行的應(yīng)用程序同時進入內(nèi)核空間時，也可能發(fā)生爭用，從而可能訪問相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)上，對整個內(nèi)核內(nèi)存的訪問受全局鎖保護，一次只允許一個內(nèi)核執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)。這在技術(shù)上可能已經(jīng)足夠，但在可擴展性方面并不令人滿意。為了減少這種干擾通道的影響，一個兼容良好的操作系統(tǒng)必須使用細粒度鎖定，這大大降低了應(yīng)用程序同時請求同一鎖的概率。

除了識別干擾信道外，CAST-32A論文還要求對每個內(nèi)核的資源使用情況進行分析。例如，申請人仍然需要在合理條件下確定安全任務(wù)的WCET，并且最終必須確定安全裕度。這同樣適用于存儲區(qū)域大小的分析。一個好的操作系統(tǒng)必須通過提供有關(guān)內(nèi)存預(yù)算和執(zhí)行時間的信息來支持用戶。

總結(jié)

證書頒發(fā)機構(gòu)團隊 （CAST） 小組勾勒出在航空電子系統(tǒng)中使用多個處理器內(nèi)核的方法。他們的定位文件CAST-32A提到了硬件設(shè)計的各個方面以及軟件架構(gòu)的問題。通過PikeOS操作系統(tǒng)，SYSGO公司提供了主要的構(gòu)建塊之一，將強大的資源和時間分區(qū)擴展到具有多個內(nèi)核的CPU，完美地應(yīng)用了CAST-32A論文中描述的需求。

審核編輯：郭婷