A Reconfigurable Framework for Safety-Critical and Self-Reconfiguring Avionic Systems

Der am Institut für Luftfahrtsysteme in Stuttgart entwickelte Plug&Fly-Avionik Ansatz ermöglicht die Realisierung selbst-rekonfigurierender Avioniksysteme. Der Ansatz beinhaltet Mechanismen für die automatische Erkennung und Nutzung von Hardware. Das in dieser Arbeit vorgestellte Reconfigurable Framework stellt die für den Plug&Fly-Avionik Ansatz grundlegenden Mechanismen zur rekonfigurierbaren Partitionierung, Partitionsnutzung und Kommunikation zwischen Partitionen bereit. In der Arbeit wird ein Virtualisierungsansatz zur rekonfigurierbaren Partitionierung vorgestellt, der die inhärente Segregation virtueller Maschinen nutzt. Dabei wird speziell der Xen-Hypervisor verwendet, welcher systematisch auf seine Rekonfigurations- und Segregationsfähigkeiten untersucht wird. Die Ergebnisse zeigen Einschränkungen bei der Cache-Partitionierung und beim Echtzeit-Scheduling, die verhindern, dass eine vollständige Erfüllung der Partitionierungsanforderungen gemäß Avionikstandards erreicht werden kann. Trotz dieser Einschränkungen kann die Interferenz zwischen Partitionen durch Xen auf ein Minimum reduziert werden. Die Partitionen können mithilfe der speziell entwickelten Softwarekomponente Executor vielseitig genutzt werden, wobei Zeitabweichungen von nur 0,23 % bei hochfrequenten vorgegebenen Schedules eingehalten werden. Ein abstrahiertes Kommunikationskonzept sowie die implementierte Middleware: Communication Abstraction Layer ermöglichen den hardware-unabhängigen Austausch von Nachrichten über heterogene Netzwerktechnologien wie Ethernet und CAN, ohne dass Anpassungen an den Systemfunktionen erforderlich sind. Die Softwarekomponenten zur Partitionierung, Partitionsnutzung und Kommunikation werden in zwei Demonstratoren, bestehend aus Embedded-ARM-Hardware-Komponenten, integriert. Die Ergebnisse zeigen die Tauglichkeit des Ansatzes für hochfrequente, sicherheitskritische Anwendungen anhand eines redundant ausgelegten statischen Oktokopter-Aufbaus.