RTX在分布式實時仿真系統(tǒng)中的應用

摘要

計算機高速互聯(lián)是計算機界追求的目標。集群系統(tǒng)的一個特點是分布處理。它將一個應用分成多個子任務，這些子任務被分布在集群系統(tǒng)的各個成員上，成員之間通過網(wǎng)絡連接在一起，通過各子任務并發(fā)運行來滿足實時應用的要求。這種方式的致命弱點是系統(tǒng)的性能受到網(wǎng)絡通訊延遲的影響，如果不能提出一種有效的提高數(shù)據(jù)傳輸速度的技術，要提高集群系統(tǒng)的性能是很難做到的。目前，采用最多的是內(nèi)存映射技術，特點是實時性強、可靠性高、使用簡單，通常兩結(jié)點數(shù)據(jù)傳輸時延遲為納秒級（或微秒）級，比通用局域網(wǎng)快2個數(shù)量級。

目前使用內(nèi)存映射技術實現(xiàn)強實時通信的產(chǎn)品主要是美國GE公司的VMIC反射卡。在各個成員系統(tǒng)上的實時系統(tǒng)要求對反射內(nèi)存卡完全支持，RTX是在Windows平臺上提供了一個實時子系統(tǒng)并完全支持GE反射內(nèi)存卡。這種方案，不對Windows系統(tǒng)本身做任何修改，使我們既可獲得微秒級的實時特性，又可完全利用Windows平臺的優(yōu)點。

一、基于反射內(nèi)存的實時局域網(wǎng)簡介

1、 基于反射內(nèi)存實時局域網(wǎng)的特點

VMIC反射內(nèi)存卡是一種通過局域網(wǎng)在互連的計算機間提供高效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g，強實時網(wǎng)絡設計人員已經(jīng)越來越多地采用這種技術。VMIC反射內(nèi)存實時局域網(wǎng)的概念十分簡單，就是設計一種網(wǎng)絡內(nèi)存板，在分布系統(tǒng)中實現(xiàn)內(nèi)存至內(nèi)存的通信，并且沒有軟件開銷。每臺結(jié)點機上插一塊反射內(nèi)存卡，卡上帶有雙口內(nèi)存，各層軟件既可以讀也可以寫這些內(nèi)存，當數(shù)據(jù)被寫入一臺機器的反射內(nèi)存卡的內(nèi)存中后，反射內(nèi)存卡自動地通過光纖傳輸?shù)狡渌B在網(wǎng)絡上的反射內(nèi)存卡的內(nèi)存里，通常，只需幾百納秒的時間延遲，所有的反射內(nèi)存卡上的內(nèi)存將寫入同樣的內(nèi)容。而各成員在訪問數(shù)據(jù)時，只要訪問本地的反射內(nèi)存卡中的內(nèi)存即可。

VMIC反射內(nèi)存卡具有以下主要特點：

（1） 高速度和高性能

VMIC5565系列，傳輸速度達到174M字節(jié)/秒。使用光纖，可以連接更多節(jié)點（最大到256個節(jié)點），具有很高的抗干擾能力。測試結(jié)果表明，從數(shù)據(jù)寫入RAM到傳到另一個結(jié)點的反射內(nèi)存卡上，只有不到400納秒的時延。

（2） 使用方便

反射內(nèi)存卡通過向每個節(jié)點機提供一套相同的數(shù)據(jù)備份使得各節(jié)點可以并發(fā)的訪問相同的內(nèi)容在訪問反射內(nèi)存卡的內(nèi)存時與訪問自身的內(nèi)存沒有差別。各節(jié)點間數(shù)據(jù)一致性是由反射內(nèi)存卡保證，對應用軟件是透明的。安裝簡單，將反射內(nèi)存卡插在主板一個可用槽口上，再將各臺主機通過光纖網(wǎng)或扁平數(shù)據(jù)線連在一起即可。

（3） 獨立于操作系統(tǒng)和處理機

反射內(nèi)存卡可以VME、PCI、PMC、CompactPCI、Multibus I等多種總線上使用，可以將ALPHA、PowerPC、Macintosh、奔騰等計算機通過反射內(nèi)存卡實時網(wǎng)絡連接在一起，組成一個集群系統(tǒng)。

（4） 確定的數(shù)據(jù)傳輸時間

在反射內(nèi)存卡中，當數(shù)據(jù)被寫入本地的反射內(nèi)存卡板的內(nèi)存中時，就被同時傳輸?shù)狡渌噙B的計算機上，沒有軟件延遲，硬件延遲也非常小。5565光纖反射內(nèi)存卡在節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)時只需400納秒。這種確定的時間延遲為設計實時應用提供了有效的保證。

（5） 經(jīng)濟、高效

反射內(nèi)存卡的數(shù)據(jù)傳輸速率大，沒有以太網(wǎng)那樣要多層協(xié)議。其次，反射內(nèi)存卡使用簡單，不需要開發(fā)額外通訊軟件，利于提高系統(tǒng)的可靠性，也節(jié)省了軟件的開發(fā)費用。

2、基于反射內(nèi)存卡實時局域網(wǎng)的實現(xiàn)機制

反射內(nèi)存卡是一組雙口內(nèi)存板。當數(shù)據(jù)存儲到反射內(nèi)存卡時，板上的高速邏輯會自動將此數(shù)據(jù)連同地址送到網(wǎng)上的其它反射內(nèi)存卡板上，數(shù)據(jù)傳遞完全由硬件驅(qū)動，不需要CPU干預，結(jié)果網(wǎng)上下一結(jié)點在400納秒內(nèi)（5565系列）就會在相同地址處有相同數(shù)據(jù)。反射內(nèi)存卡可看成是由網(wǎng)上所有結(jié)點共享的單元內(nèi)存卡，不存在訪問限制與仲裁，每個結(jié)點就像訪問本地內(nèi)存一樣，實現(xiàn)了結(jié)點間的數(shù)據(jù)共享。

（1） 數(shù)據(jù)傳輸方式

VMIC的光纖反射內(nèi)存卡最大可以連接256個互相獨立的節(jié)點，共享內(nèi)存的最大量可以到128M字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速度可達174M/秒（5565系列）、節(jié)點間距離可以到10KM，。反射內(nèi)存卡支持中斷，通過中斷機制可以實現(xiàn)節(jié)點機之間的通訊同步。

（2）使用中斷實現(xiàn)同步

VMIC反射內(nèi)存卡支持用中斷方式通知節(jié)點接收數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)被送到某節(jié)點時，可以通過中斷告訴該節(jié)點。VMIC反射內(nèi)存卡提供了三個中斷，用戶可以定義這些中斷的優(yōu)先級、中斷相量及具體功能。

（3）錯誤管理技術

VMIC5565反射內(nèi)存卡有錯誤監(jiān)測和報告的功能，通過對數(shù)據(jù)的奇偶校驗位的檢查，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)是否有錯。VMIC反射內(nèi)存卡提供冗余傳輸模式，即每次傳輸數(shù)據(jù)時都傳兩份，當?shù)谝环莩鲥e時，使用第二份。

二、Windows實時開發(fā)系統(tǒng)RTX簡介
1、通用實時系統(tǒng)RTX概述

通用實時系統(tǒng)RTX繼承Windows 2000、Windows XP和Windows XP Embedded操作系統(tǒng)的優(yōu)秀人機界面，有可利用的豐富的第三方軟硬件開發(fā)編程資源，又使得這些系統(tǒng)具有極好的實時的調(diào)度用戶所需要的任務功能。RTX已經(jīng)廣泛應用在軍事航空航天、火控、艦艇船舶、公共交通、醫(yī)療、工業(yè)自動化等行業(yè)領域。
2、RTX的工作原理

RTX 是美國Ardence公司開發(fā)的Windows平臺的硬實時系統(tǒng)，可以為用戶提供優(yōu)秀的實時控制性能，高效的可擴展性及穩(wěn)定性，是迄今為止在Windows 平臺上唯一基于軟件的硬實時解決方案。

RTX 提供了對IRQ、I/O、內(nèi)存的精確控制，以確保實時任務執(zhí)行時具有100%的可靠性。RTX支持30KHz的持續(xù)中斷觸發(fā)速度，平均IST延遲小于1微秒。RTX與Windows 系統(tǒng)無縫的結(jié)合在一起，可以利用Windows 系統(tǒng)的各種優(yōu)勢。包括大量標準的API函數(shù)；高效的內(nèi)存管理機制；以及各種Windows 下的通用資源。RTX最高支持1000個獨立的進程，每個進程下可以運行的線程數(shù)不受限制。128個優(yōu)先級可以滿足幾乎所有用戶的編程需要，RTX調(diào)度器可以確保線程切換時間保持在500納秒到2微秒之間。

通過應用高速的IPC信息和同步機制，RTX 可以實現(xiàn)和Windows之間的數(shù)據(jù)通訊。RTX 的時鐘分辨率可以達到100納秒，定時器周期最低可以做到1000、500、200、100微秒。

3、應用架構

RTX是Windows平臺的實時開發(fā)和運行平臺，其是完全開放式的產(chǎn)品，支持幾乎所有的PC架構的硬件，如PC/104、ETX、CPCI、VME、PXI等。其主要功能如下：
（1）提供實時系統(tǒng)的開發(fā)平臺，這由RTX的開發(fā)包RTX SDK來完成
（2）提供實時系統(tǒng)的運行環(huán)境，這由RTX的運行包RTX Runtime來完成

RTX的應用架構如圖1所示。當在機載、艦載或車載等對系統(tǒng)大小要求嚴格得場合下，我們可以采用Windows XP Embedded+RTX+ReadyOn的方案；ReadyOn使系統(tǒng)快速啟動、即時開關機，提高系統(tǒng)的健壯性。

4、RTX系統(tǒng)應用領域

由于RTX是基于Windows的實時子系統(tǒng)，因此最適合應用在既要求圖形等Windows高級任務，又需要實時任務的場合，如下面的領域：
● 航空、航天、軍事測控
● 基于PC的控制軟件/設備
● 分布式實時仿真
● 工業(yè)生產(chǎn)自動化
●運動控制、機器人和數(shù)控設備
● 實時數(shù)據(jù)采集、測量
● 醫(yī)療儀器、設備

審核編輯 黃宇