Intégration d'un simulateur de partitionnement spatial et temporel à un flot de conception basé sur les modèles

L'architecture avionique modulaire intégrée (IMA) représente une préoccupation cruciale pour l'industrie aérospatiale dans le développement de systèmes de plus en plus complexes, afin de réduire les coûts, ainsi que les temps, de développement, de certification et de production. D'un point de vue logiciel, cet objectif pousse les développeurs à développer ou migrer une multitude d'applications vers des systèmes d'exploitation temps réel (RTOS) conformes à la norme ARINC 653. Cette norme propose un partitionnement dans l'espace et dans le temps sécuritaire pour les systèmes critiques, un élément crucial aux IMA. Toutefois, le prix des licences pour les principaux environnements de développement commerciaux peut être très élevé. Il devient donc intéressant de s'attarder aux alternatives moins dispendieuses qui pourraient très bien être utilisées en début de développement aux fins de simulations, préalablement au déploiement sur la plateforme cible. D'un autre côté, plusieurs alternatives offrent peu de documentation ou de support, et sont souvent limitées quant aux approches de développement basé sur les modèles, ou quant à la conformité à la norme ARINC 653. Pour répondre à cette problématique, ce projet se concentre sur ces environnements de développement peu coûteux ou libres de licences, et propose un flot de conception novateur incluant à la fois un environnement de modélisation efficace pour l'analyse basée sur les modèles, ainsi qu'un environnement de simulation. Le flot proposé utilise le langage « Architecture Analysis and Design Language (AADL) » pour modéliser le système, et le simulateur commercial de système IMA (SIMA) développé par l'entreprise GMV pour exécuter les applications. Ce simulateur est conforme à la norme ARINC 653, et s'exécute sur un ordinateur de bureau par dessus un système d'exploitation Linux comportant un noyau temps-réel. Pour faire le pont entre les deux environnements, le générateur de code libre OCARINA, qui prend en entrée du AADL, a été étendu pour réaliser la génération de fichiers de configurations, et de codes sources, vers la cible SIMA. Le code source généré vise la gestion des appels aux services de l'interface de programmation ARINC 653. Une application avionique a été développée en tant qu'étude de cas pour expérimenter ce flot. Elle consiste en une unité de contrôle et d'affichage multiusage (de l'anglais : « Multi-purpose Control and Display Unit » ou MCDU) communiquant avec un système de gestion de vol simulé fourni par CMC Électronique. Durant l'expérimentation, le simulateur s'est démontré utile en permettant l'identification et la correction d'erreurs de conception dans la configuration et dans l'implémentation du MCDU, ce qui a réduit considérablement les erreurs de transmission de pages. Il a aussi été démontré qu'il pouvait être déployé sur une plateforme dotée d'une distribution Linux embarquée. Concernant le générateur étendu, les résultats furent concluants. La version actuelle de l'outil réduit considérablement le temps alloué à la configuration du système, et à la migration d'application vers l'environnement ARINC 653. De plus, le simulateur SIMA a dorénavant accès à une approche de développement basé sur les modèles. Par contre, des limitations fondamentales ont été identifiées quant à la génération de code source. Néanmoins, nous considérons que le flot que nous proposons est un point de départ satisfaisant qui pourra être étendu à d'autres technologies dans le cadre de futurs travaux.

Abstract

The Integrated Modular Avionics (IMA) architecture has been a crucial concern for the aerospace industry in developing more complex systems, while seeking to reduce cost as well as development, certification and production time. From a software perspective, that objective pushes developers to develop or migrate most applications toward real-time operating systems (RTOS) compliant to the ARINC 653 standard which offers a safety critical space and time partitioning central to IMA. However, due to very high license costs, mainstream commercial development environments can be restrictive. That situation is even more striking considering low-cost alternatives could instead be used in early simulation, before deployment on target platform. On the other hand, many alternatives offer little documentation or support, and are often limited when it comes to either model-based engineering (MBE) approach, or compliance to the ARINC 653 standard. To answer that problematic, this project reviewed existing low-cost and open-source development environments, and proposes a novel flow including both a modeling environment effective for model-based analysis and a simulation level. The proposed flow uses the Architecture and Analysis Design Language (AADL) to model the system, and the commercial Simulated IMA (SIMA) simulator developed by GMV to execute its applications. That simulator is ARINC 653 compliant, and runs on a desktop computer over a Linux distribution with a real-time kernel. To bridge the two environments, the open-source OCARINA generator, which takes AADL inputs, was extended to achieve source code and configuration generation toward the SIMA target. The generated source code aims to manage calls to the ARINC 653 programming interface services. An avionic application was developed as a case study to experiment the latter flow. It consisted of a Multi-purpose Control and Display Unit (MCDU) communicating with an external Flight Management System (FMS) simulation provided by CMC Electronics. During the experiment, the simulator proved useful in leading to the identification and correction of design flaws in the MCDU system configuration, which considerably reduced page transmission failures. It also demonstrated that it could be deployed on a platform with an embedded Linux distribution. Concerning the extended generator, results have proved successful so far. The current version of the tool greatly reduces the time required to configure the system or migrate applications to an ARINC 653 environment. It also enhances the simulator with a MBE approach. However, fundamental limitations were identified as far as source code generation is concerned. Nevertheless, we consider our proposed flow to be a satisfying starting point, which could be extended to other technologies in future work.