L'avènement d'applications en temps réel de plus en plus riches, multitâches et distribuées a marqué un tournant dans le développement des systèmes avioniques. Ces applications s'appuient désormais sur des systèmes d'exploitation en temps réel ou sont écrites dans des langages informatiques multitâches comme l'Ada. L'ARINC 653 a joué un rôle clé en établissant un environnement de développement pour le logiciel applicatif au sein d'Architectures Intégrées Modulaires (IMA), succédant à l'Architecture Fédérée (FA).
Avionique et Federated Architecture (FA)
La FA est caractérisée par des modules de calcul dédiés, répartis dans l'aéronef, chaque module gérant une application unique pour une fonction spécifique. Ces modules communiquent généralement via le protocole ARINC 429, offrant une communication half-duplex à basse vitesse de pair à pair. Excellant dans l'isolation et la tolérance aux fautes, l'architecture FA présente cependant des inconvénients et notamment la duplication des ressources, chaque module possédant son unité de traitement, sa mémoire et ses périphériques.
Transition vers l'avionique IMA
Avec la développement de l'industrie aérospatiale, les acquéreurs de flotte, en particulier les compagnies aériennes et les corps armés, exigent de plus en plus d'équipements avec de plus en plus de fonctionnalités à bord des avions. Ces attentes nouvelles requièrent une puissance de traitement accrue, une bande passante de communication plus large et d'héberger plusieurs applications fédérées sur une seule plateforme intégrée. L'IMA répond à ces besoins avec une approche où plusieurs applications partagent les mêmes ressources, telles que l'unité de traitement et le bus de communication. En 2005 est publiée la norme DO-297 (ED-124 en Europe) pour encadrer le développement et la certification des systèmes IMA. Vous pouvez vous procurer ce document sur le site l'EUROCAE.
Crédit : Architecture IMA comme sur A380 ou B787 - Aerospace Lab
Avantages des architectures IMA
Les caractéristiques de l'IMA incluent une réduction de la taille, du poids et de la consommation d'énergie, car les ressources sont partagées entre plusieurs applications au lieu d'être dupliquées. L'IMA facilite également la compétitivité en dissociant les applications du matériel, la portabilité et la réutilisation grâce à des modules standardisés, et permet des modifications plus aisées des applications. A présent, le logiciel applicatif et le module matériel peuvent être développé indépendamment par des entités distinctes.
Challenge de la Reconfigurabilité de l'avionique
Le rapport New Challenges for Future Avionic Architectures souligne l'importance de la reconfigurabilité dans les systèmes IMA pour maintenir la fiabilité opérationnelle et réduire les coûts de maintenance². Par reconfigurabilité, on entend la capacité à redéployer des fonctions sur des modules opérationnels en cas de défaillance matérielle, ce qui implique une conception logicielle et matérielle flexible et robuste. Ce processus complexe nécessite une coordination précise et une compréhension approfondie des dépendances entre les différentes applications et modules de l'avion.
Crédit : Calculateur CPIOM hébergeant plusieurs logiciels connectés au réseau AFDX - DIEHL Aviation
Challenge des Architectures Multicœurs
L'intégration des processeurs multicœurs dans les IMA offre une puissance de calcul accrue, mais apporte son lot de défis en termes de prédictibilité temporelle en raison du partage intensif des ressources. Parmi les préoccupations des ingénieurs, on peut citer la gestion des conflits de cache et la coordination des multiples cœurs, ce qui rend difficile la prédiction des comportements temporels pour des applications temps réels les plus critiques. Les solutions potentielles comprennent des architectures et des stratégies de planification spécifiques qui permettent une analyse précise du pire scénario d'exécution et assurent le respect des exigences en temps réel. Le standard ARINC 653 apporte des solutions pour mitiger les risques.
Conclusion
L'évolution de la FA vers l'IMA représente une avancée majeure dans le domaine avionique. Toutefois, cette transition s'accompagne de nouveaux défis, notamment en termes de reconfigurabilité et de gestion des architectures multicœurs, qui peuvent devenir des atouts forts dans le développement de systèmes avioniques sûr et efficaces.
Références
[1] Mittelsted, K. A. (2012). V&V of Integrated Modular Avionics and Partitioned Flight Software. NASA IV&V Program.
[2] Bieber, P., Boniol, F., Boyer, M., Noulard, E., & Pagetti, C. (2012). New Challenges for Future Avionic Architectures. Aerospace Lab, 4, 1-10.
[3] Kose, M. C. (2019). A Simple Introduction to ARINC 653. Medium.
[4] Ranjith, K. R. (2016). Addressing Integrated Modular Avionics architecture challenges with early system-level modeling/simulation. Military & Aerospace Electronics.