从软件架构演化看航空电子架构发展历程

前言

最近在阅读软件架构演化的相关书籍，软件架构从从单机架构 -> 客户端/服务器 (C/S) 架构 -> 面向服务的架构 (SOA) -> 微服务架构 (Microservices)。

硬件架构的发展呈现出从“分”到“合”（单机 -> 云计算）。
“分”的时代（单机/客户端-服务器）： 计算资源是分散的。每个企业都有自己的服务器机房，每台个人电脑独立处理任务。软件以光盘为载体分发，数据存储在本地硬盘。这是“分”的形态，资源利用率低，维护成本高，可扩展性差。
“合”的过程（云计算兴起）： 亚马逊、谷歌、微软等公司将全球海量的计算资源（服务器、存储、网络）集中起来，形成几个巨大的“资源池”（即云数据中心）。企业和个人不再需要维护自己的硬件，而是按需向云厂商购买计算力、存储空间和应用服务（SaaS）。这带来了巨大的规模效应、弹性和成本优势。

结合航空电子架构的发展，发现实际上也呈现出这种技术变化趋势。

航空电子架构对比

对比维度	联合式架构	IMA架构
核心理念	“一个功能，一个盒子” 或 “联合式”。每个航电功能由各自专用的硬件计算资源独立实现。	“资源共享，功能集成”。多个不同功能和关键等级的应用程序共享一套通用的计算硬件资源。
物理形态	多个独立的LRU，每个LRU包含自己的处理器、电源、内存、I/O接口等。电子舱内布满各种功能的黑盒子。	少数几个通用的LRM或CIM（核心处理模块、I/O模块、交换机模块）。电子舱布局简洁，模块可热插拔。
资源利用	专用且冗余。每个系统都有自己的计算资源，利用率通常很低（可能<50%），但无法被其他系统使用。导致重量大、功耗高、体积大。	共享且高效。强大的通用处理器被多个系统分区共享，资源利用率高。显著降低了SWaP（Size, Weight, and Power）。
互联方式	主要通过点对点的离散信号和低速、单向的数据总线（如ARINC 429）。布线极其复杂，重量大。	通过高速、双向、交换式的网络（主要是AFDX - ARINC 664）互联。布线大大简化，带宽高，支持确定性通信。
软硬件关系	紧密耦合。软件和其运行的专用硬件绑定在一起，无法分离。	松耦合。应用程序（软件分区）与底层通用硬件通过操作系统层（核心系统）分离。
关键技术与标准	ARINC 429（数据通信）、ARINC 708（气象雷达）、ARINC 739（MU）等设备级标准。	ARINC 653（分区操作系统API）、ARINC 664（AFDX网络）、ARINC 650（IMA设计指南）等系统级标准。
隔离与保护	物理隔离。一个LRU的故障（如处理器死机）通常不会直接影响另一个LRU，故障被 containment 在单个盒子内。	逻辑隔离。通过ARINC 653操作系统实现空间分区（内存保护）和时间分区（时间片调度）。一个软件分区的错误不会破坏其他分区，由OS保证。
认证方式	相对简单。每个LRU作为一个独立的设备进行DO-178C认证。一个设备的软件问题不影响其他设备的认证证据。	极其复杂。需要分层认证： 1. 硬件平台（包括OS）认证 2. 证明分区隔离机制的有效性 3. 每个应用分区独立认证 认证活动相互关联，需要全局考量。

做个类比，联合式架构就像一座传统的办公楼：每个公司（航电功能）租用自己独立的办公室（LRU），里面有自己独立的电脑、打印机、空调和电源（专用资源）。公司之间通过邮差送信（ARINC 429）沟通。一个公司倒闭（故障）不会直接影响隔壁公司，但整栋楼的资源利用率低，租金（重量、功耗）很高。

IMA架构就像一座现代化的云计算数据中心：所有公司（应用分区）都将其业务托管到同一个强大的云平台（通用核心处理器）上。云平台通过虚拟化技术（ARINC 653分区）为每个公司提供一个独立的、安全的“虚拟机”。公司之间通过高速局域网（AFDX）交换数据。平台保证了每个公司的数据安全和计算时间（隔离性）。楼主的运营成本（SWaP）极低，某个公司程序崩溃（故障）不会让整个服务器宕机，也不会影响其他公司。

天下大事分久必合，合久必分

从上面的对比和类比可以看出，硬件体系结构、软件架构到具体工业应用场景的发展是由共同性的。云计算的中心化模式并非完美无缺，其弊端在新的应用场景下逐渐暴露：延迟问题： 自动驾驶、工业机器人、VR/AR等应用要求毫秒级的响应，数据传送到千里之外的云数据中心再返回，延迟无法接受。带宽成本： IoT设备产生海量数据，全部上传到云会占用巨大带宽，成本高昂。单点故障风险： 过度集中意味着一旦云中心出现网络或电力问题，所有依赖它的服务都可能瘫痪。
为了解决这些问题，体系发展开始从“合”再次走向“分”：

边缘计算（Edge Computing）： 将计算、存储和分析能力从中央云“下沉”到更靠近数据源的地方（如工厂车间、零售商店、摄像头内部、智能手机上）。边缘节点处理实时、敏感的数据，只将必要的结果摘要上传到云。这是最典型的“分”的体现。

分布式云（Distributed Cloud）： 云服务商将其公有云服务部署到不同的物理位置（如客户的数据中心、第三方colo、甚至5G基站旁），但这些分散的节点仍由云服务商统一管理、更新和维护。它结合了公有云的“合”（统一管理）和边缘计算的“分”（分布式部署）。

混合云/多云（Hybrid/Multi-Cloud）： 企业不再将所有鸡蛋放在一个篮子里，而是同时使用多个公有云和私有云，根据工作负载的需求选择最合适的平台。这也是一种从“单一中心”到“多个中心”的“分”的策略。
Web3与去中心化应用（DApps）： 这甚至是一种更极端的“分”，旨在用区块链技术构建一个无需信任中心化机构（如云厂商）的计算和存储网络。

留下一个思考

那么航空电子的IMA架构又将如何从“合”走向“分”呢？