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近年来，航空业一直在寻求为飞行员提供增强的态势感知，并提高飞机的运行效率，对航空电子显示系统提出了新的要求。航空电子显示系统需要处理和显示更复杂的信息，同时，随着多核处理器的采用，技术发生了颠覆性的变化，航空电子显示系统在尺寸、重量和功率（SWaP）方面显著受益，但也可能为RTCA DO-178C/EUROCAE ED-12C、RTCA DO-254/EUROCAE ED-80航空电子软件、硬件安全认证带来挑战。为解决这些挑战，原始设备制造商（OEMs）、系统集成商（Tier 1）和组件供应商（Tier 2）之间的关系发生了巨大变化。OEMs要求更多地参与系统设计，并要求解决方案具有更多的灵活性和可配置性——即，要求更加模块化和开放的系统设计方法。基于航空电子显示系统的发展态势，2024年4月，风河公司、CoreAVI和ScioTeq公司发布了名为《现代多核处理器与开放式架构相结合》白皮书，白皮书对下一代航空显示器平台的平台架构、CPU、GPU的要求进行了展望，并简要介绍风河公司的Helix平台实时操作系统、CoreAVI的Vulkan 图形和计算驱动程序及ScioTeq的第五代MOSArt实时处理模块化开放系统架构，本文总结如下。智能航空显示器的发展趋势
航空电子驾驶舱的表盘和仪表最初执行单一的专用功能，并且作为使用可更换单元（LRUs）的联合式航空电子架构的一部分，广泛部署于民用和军用飞机上。美国宇航局兰利研究中心的737飞行实验室进行了开创性的显示研究，使得飞机系统数据和飞行数据能够以集成图像的形式呈现在电子数字显示器上，这被称为玻璃驾驶舱。随着技术的成熟，这一概念已在民用和军用飞机上得到广泛采用，实现了用数字显示替换多个模拟表盘和仪表。
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现代数字显示器和显示计算机旨在执行多个模拟显示器的等效功能，通常实现为多功能显示器（MFDs），由玻璃显示器和固定功能的机械按钮组成，通过按钮可以选择屏幕上显示的内容。![]()
控制显示器和控制设备总体上遵循了集成的进化趋势，为飞行员提供了丰富的子系统控制和交互能力。触摸屏控制单元的出现进一步将多个驾驶舱功能集成到单个设备上。市场上也存在向更大显示屏尺寸和更高分辨率发展的趋势。15英寸显示器目前在民用航空运输中很常见，例如波音787梦想飞机和空客A380、A350飞机。在国防领域，继洛克希德·马丁公司的F-35闪电II（即联合攻击战斗机）采用全景驾驶舱显示器后，大屏显示器也逐渐成为其他军用高速喷气式飞机、教练机和旋翼机的发展趋势。这进一步推动了更高级别的集成，精简了仪表面板，为冗余设计、安全和性能带来了新的挑战。将传统独立的功能单元整合起来并不是应用层面的唯一变化。诸如传感器融合、合成显示、视觉增强（特别是在直升机能见度降低的解决方案中）等功能，通常需要软件层级的集成。对功能新增与整合的需求，以及更强大的处理器硬件（包括CPU和GPU）的引入，不可避免地导致了在共同硬件上的混合关键系统的出现。对软件的要求
数字航空系统的不断应用带来了操作需求的变化，导致航空电子系统需要持续的设计迭代，其中包括处理架构由单核向多核迁移。目前，遗留系统仍大多基于单核架构和专有接口，最终用户可能面临系统难以维护的严重挑战。
当前军民用航空领域面临的挑战之一是开发与硬件无关的软件应用框架，并提供可扩展的功能，以满足随着硬件性能提升而日益增长的新功能需求。并且，航空显示器制造商不仅寻求多供应商应对“过时”等供应风险，还希望应用投资（产品生命周期中投资通常高达数千万甚至数亿美元）能够得到快速回报。因此，航空显示器制造商一方面通过使用基于开放标准的软件架构、模块化设计方法、硬件抽象层和相关的应用程序接口（API），并顺应硬件元素软件化的趋势，提高软件的可移植性，提高投资回报率；另一方面，机身制造商通过将经认证的安全关键型应用程序与一般非认证的任务关键型应用程序分开，以期达到独立于主承包商（即系统集成商），在采购应用程序方面提高灵活性的目的。![]()
图 5 ScioTeq公司的MOSArt V高级架构
智能航空显示器对数据处理的需求
目前，许多航空电子显示器设计基于Power架构，独立GPU与CPU配合使用。Power架构由恩智浦主推，在多核航空行业工作组（MCFA）支持下，在航空电子领域有着广泛的使用和良好的记录。然而，随着技术的不断进步，航空电子领域的数据处理将迎来以下转变。恩智浦的基于Power架构的QorIQ系列P3041四核通信处理器以及PowerPC T系列T2080处理器在航空电子系统中已经广泛使用，其中NXP的“产品寿命计划”表明，QorIQ T系列将在2035年停产，这距离该处理器架构推出已有23年之久。届时Power的架构设计已然落伍，难以满足下一代航空显示器的数据处理需求。由于需要提供更高的性能和支持更复杂的应用，全球半导体市场在过去十年中从单核处理器向多核处理器的转变十分显著。单核处理器的可用性逐渐下降，导致多核处理器成为下一代航空电子平台的实际选择。在航空电子中使用多核处理器引入了确定性和安全认证的新挑战。对此，EASA发布的AMC 20-193与FAA发布的AC 20-193文件提供了监管指导。并且最初在多核处理器内只使用单个核心的部分应用程序正在逐步过渡到多核功能。智能航空显示器对图形处理的需求
目前在高可靠性应用中，图形程序接口由OpenGL SC1和OpenGL SC2开放标准提供支持，FACE技术标准将其作为规范标准加以引用，这些标准已经被航空电子供应商广泛使用，并得到硬件制造商的开发工具和现有应用的支持。在未来，新的图形程序接口Vulkan SC将更加适用于航空安全关键型应用，可在应用层提供更多GPU功能的灵活性和控制，包括在图形处理的同时为计算应用启用通用GPU（GPGPU）功能。以MOSArt V5航电架构为例，该架构支持OpenGL SC1/SC2和Vulkan SC，一方面适配现有的OpenGL功能，另一方面为Vulkan SC的未来功能提供途径。1. 从OpenGL到Vulkan SC的图形软件演进
OpenGL SC1和SC2是单体驱动程序，对CPU造成重大开销，并且无法利用如多核CPU和下一代GPU的低级加速能力等新技术。
Vulkan是为了解决OpenGL的限制而开发的，它为应用程序开发人员提供了更低级别的控制和更有效的GPU使用。它消除了OpenGL在多核CPU架构中的应用瓶颈。一系列半导体制造商（包括AMD、恩智浦、Nvidia、Intel和Arm）的GPU上均实现了对Vulkan的支持。
图 6 Basemark发布的GPU 基准
Basemark公司对Vulkan和OpenGL进行了图形性能基准测试，测试表明Vulkan性能平均超过OpenGL的2.9倍。Basemark表示，在GPU密集型应用中，OpenGL驱动程序将很快成为限制性能的因素。未来图形程序接口将由OpenGL到Vulkan SC演进。
2. 市场趋势向集成GPU发展
GPU主导市场趋势现在是向带有集成GPU的系统级芯片（SoC）发展。SoC通常在许多组件之间共享系统内存（RAM），包括CPU和GPU。与独立GPU相比，集成GPU的设计通常以较低的性能为代价来降低功耗。但SoC复杂性的增加也为行业带来了新挑战，需要各组织之间开展合作。此外，尽管集成GPU的出现使系统设计的SWaP更低，但从性能和功能的角度来看，集成GPU为系统设计提供的选择更少。
ScioTeq在开发混合多核处理器与开放式架构平台中遇到的挑战
ScioTeq公司在硬件方面选择了恩智浦i.MX 8QuadMax (i.MX8QM)处理器；在软件方面，ScioTeq选择了Helix Platform27（VxWorks 653的演进版本）来提供在显示平台的i.MX8QM处理器上运行的RTOS环境。本章节旨在通过介绍ScioTeq在开发MOSArt V5时遇到的问题，为国产相关软件开发提供参考。1. Arm Cortex-A72核心L1缓存保护的多核干扰问题Arm Cortex-A72 双核心各有一个带奇偶校验位保护的 L1 指令高速缓存和一个不带保护的 L1 数据高速缓存。但对于 DO-178C/ED-12C DAL A安全关键型航空电子应用来说是不够的，因为在航电应用中，必须对单位错误进行检测和纠正，可以使用纠错码（ECC）硬件来实现。为解决这一问题，ScioTeq决定只使用恩智浦i.MX8QM的Arm A53四核，每个四核都有一个带奇偶校验位检测功能的L1指令缓存和一个带单错校正/双错检测（SECDED）功能的L1数据缓存。未使用的内核将进入空闲模式并受到监控，以确保不会造成多核干扰。2. Arm A53核心L2缓存分区的功能等效问题Arm共享的L2缓存无法提供与恩智浦QorIQ T2080中可用的缓存分区功能等效的功能。对此ScioTeq计划通过在每个分区使用非连续内存来进行缓存着色来解决，但是需要评估对性能的潜在影响。在复杂的SoC中单个处理器内核可以使用多个潜在的时钟源。然而，在ARINC 653周期性处理系统中，需要一个通用的时间基准，以确保在各个处理器内核上的ARINC 653次要帧保持一致，并最大限度地减少抖动。CPU和GPU性能的许多进步来自于难以预测或控制的抢占和调度技术，因此给确保系统执行的确定性方面造成了挑战。此外，在管理独立处理单元之间的共享资源方面也存在开发挑战。与CPU不同的是，GPU没有能力控制处理器的调度活动，使得GPU调度的问题更加困难。ScioTeq在图形应用程序中解决这个问题的方法是使用环形缓冲区将GPU的运行与CPU和主应用程序线程解耦。当应用程序准备好显示图像时，即使GPU此时可能正在处理新的图像，它也会从最后完成的环形缓冲区中提取图像并将其传递给显示控制器。只要GPU能够保持符合或超过应用要求的图像处理速度，最终用户就不会看到处理器的解耦。应用程序需要能够确定任何图像的最坏情况执行时间（WCET）小于应用程序性能允许的最大渲染时间。ScioTeq显示解决方案采用IPC方法。对低关键性应用分区使用IPC协议，可以实现混合DAL部署所需的隔离。高关键性应用分区可以自由使用IPC或直接调用通信方法，如图所示。图 7 双GPU架构
总结
为下一代智能航空电子显示平台选择完全不同的处理器架构并引入多核处理器，将会带来多重挑战和未知因素。然而，通过业界多方合作和参考案例经验可以解决挑战和风险。未来航空电子显示系统通过软件架构抽象层设计和开放标准的使用，能够最大限度地降低对底层硬件架构的依赖性，提高应用程序可移植性，显著提高航电软件系统的性能并降低换装、升级成本。来源 I 民机战略观察
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