RTX在分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要

計(jì)算機(jī)高速互聯(lián)是計(jì)算機(jī)界追求的目標(biāo)。集群系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)是分布處理。它將一個(gè)應(yīng)用分成多個(gè)子任務(wù)，這些子任務(wù)被分布在集群系統(tǒng)的各個(gè)成員上，成員之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，通過(guò)各子任務(wù)并發(fā)運(yùn)行來(lái)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。這種方式的致命弱點(diǎn)是系統(tǒng)的性能受到網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(shù)，特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、使用簡(jiǎn)單，通常兩結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延遲為納秒級(jí)（或微秒）級(jí)，比通用局域網(wǎng)快2個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前使用內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)實(shí)時(shí)通信的產(chǎn)品主要是美國(guó)GE公司的VMIC反射卡。在各個(gè)成員系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求對(duì)反射內(nèi)存卡完全支持，RTX是在Windows平臺(tái)上提供了一個(gè)實(shí)時(shí)子系統(tǒng)并完全支持GE反射內(nèi)存卡。這種方案，不對(duì)Windows系統(tǒng)本身做任何修改，使我們既可獲得微秒級(jí)的實(shí)時(shí)特性，又可完全利用Windows平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)。

一、基于反射內(nèi)存的實(shí)時(shí)局域網(wǎng)簡(jiǎn)介

1、 基于反射內(nèi)存實(shí)時(shí)局域網(wǎng)的特點(diǎn)

VMIC反射內(nèi)存卡是一種通過(guò)局域網(wǎng)在互連的計(jì)算機(jī)間提供高效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，強(qiáng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)越來(lái)越多地采用這種技術(shù)。VMIC反射內(nèi)存實(shí)時(shí)局域網(wǎng)的概念十分簡(jiǎn)單，就是設(shè)計(jì)一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存板，在分布系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)內(nèi)存至內(nèi)存的通信，并且沒(méi)有軟件開(kāi)銷(xiāo)。每臺(tái)結(jié)點(diǎn)機(jī)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(xiě)這些內(nèi)存，當(dāng)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入一臺(tái)機(jī)器的反射內(nèi)存卡的內(nèi)存中后，反射內(nèi)存卡自動(dòng)地通過(guò)光纖傳輸?shù)狡渌B在網(wǎng)絡(luò)上的反射內(nèi)存卡的內(nèi)存里，通常，只需幾百納秒的時(shí)間延遲，所有的反射內(nèi)存卡上的內(nèi)存將寫(xiě)入同樣的內(nèi)容。而各成員在訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，只要訪(fǎng)問(wèn)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(diǎn)：

（1） 高速度和高性能

VMIC5565系列，傳輸速度達(dá)到174M字節(jié)/秒。使用光纖，可以連接更多節(jié)點(diǎn)（最大到256個(gè)節(jié)點(diǎn)），具有很高的抗干擾能力。測(cè)試結(jié)果表明，從數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM到傳到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)的反射內(nèi)存卡上，只有不到400納秒的時(shí)延。

（2） 使用方便

反射內(nèi)存卡通過(guò)向每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)提供一套相同的數(shù)據(jù)備份使得各節(jié)點(diǎn)可以并發(fā)的訪(fǎng)問(wèn)相同的內(nèi)容在訪(fǎng)問(wèn)反射內(nèi)存卡的內(nèi)存時(shí)與訪(fǎng)問(wèn)自身的內(nèi)存沒(méi)有差別。各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)一致性是由反射內(nèi)存卡保證，對(duì)應(yīng)用軟件是透明的。安裝簡(jiǎn)單，將反射內(nèi)存卡插在主板一個(gè)可用槽口上，再將各臺(tái)主機(jī)通過(guò)光纖網(wǎng)或扁平數(shù)據(jù)線(xiàn)連在一起即可。

（3） 獨(dú)立于操作系統(tǒng)和處理機(jī)

反射內(nèi)存卡可以VME、PCI、PMC、CompactPCI、Multibus I等多種總線(xiàn)上使用，可以將ALPHA、PowerPC、Macintosh、奔騰等計(jì)算機(jī)通過(guò)反射內(nèi)存卡實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，組成一個(gè)集群系統(tǒng)。

（4） 確定的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間

在反射內(nèi)存卡中，當(dāng)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入本地的反射內(nèi)存卡板的內(nèi)存中時(shí)，就被同時(shí)傳輸?shù)狡渌噙B的計(jì)算機(jī)上，沒(méi)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(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)只需400納秒。這種確定的時(shí)間延遲為設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了有效的保證。

（5） 經(jīng)濟(jì)、高效

反射內(nèi)存卡的數(shù)據(jù)傳輸速率大，沒(méi)有以太網(wǎng)那樣要多層協(xié)議。其次，反射內(nèi)存卡使用簡(jiǎn)單，不需要開(kāi)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(kāi)發(fā)費(fèi)用。

2、基于反射內(nèi)存卡實(shí)時(shí)局域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

反射內(nèi)存卡是一組雙口內(nèi)存板。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到反射內(nèi)存卡時(shí)，板上的高速邏輯會(huì)自動(dòng)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(dòng)，不需要CPU干預(yù)，結(jié)果網(wǎng)上下一結(jié)點(diǎn)在400納秒內(nèi)（5565系列）就會(huì)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(diǎn)共享的單元內(nèi)存卡，不存在訪(fǎng)問(wèn)限制與仲裁，每個(gè)結(jié)點(diǎn)就像訪(fǎng)問(wèn)本地內(nèi)存一樣，實(shí)現(xiàn)了結(jié)點(diǎn)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(gè)互相獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，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(dá)174M/秒（5565系列）、節(jié)點(diǎn)間距離可以到10KM，。反射內(nèi)存卡支持中斷，通過(guò)中斷機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)機(jī)之間的通訊同步。

（2）使用中斷實(shí)現(xiàn)同步

VMIC反射內(nèi)存卡支持用中斷方式通知節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被送到某節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以通過(guò)中斷告訴該節(jié)點(diǎn)。VMIC反射內(nèi)存卡提供了三個(gè)中斷，用戶(hù)可以定義這些中斷的優(yōu)先級(jí)、中斷相量及具體功能。

（3）錯(cuò)誤管理技術(shù)

VMIC5565反射內(nèi)存卡有錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和報(bào)告的功能，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位的檢查，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)。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(shí)都傳兩份，當(dāng)?shù)谝环莩鲥e(cuò)時(shí)，使用第二份。

二、Windows實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)RTX簡(jiǎn)介
1、通用實(shí)時(shí)系統(tǒng)RTX概述

通用實(shí)時(shí)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(jī)界面，有可利用的豐富的第三方軟硬件開(kāi)發(fā)編程資源，又使得這些系統(tǒng)具有極好的實(shí)時(shí)的調(diào)度用戶(hù)所需要的任務(wù)功能。RTX已經(jīng)廣泛應(yīng)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(dòng)化等行業(yè)領(lǐng)域。
2、RTX的工作原理

RTX 是美國(guó)Ardence公司開(kāi)發(fā)的Windows平臺(tái)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，可以為用戶(hù)提供優(yōu)秀的實(shí)時(shí)控制性能，高效的可擴(kuò)展性及穩(wěn)定性，是迄今為止在Windows 平臺(tái)上唯一基于軟件的硬實(shí)時(shí)解決方案。

RTX 提供了對(duì)IRQ、I/O、內(nèi)存的精確控制，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行時(shí)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(wú)縫的結(jié)合在一起，可以利用Windows 系統(tǒng)的各種優(yōu)勢(shì)。包括大量標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)；高效的內(nèi)存管理機(jī)制；以及各種Windows 下的通用資源。RTX最高支持1000個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程下可以運(yùn)行的線(xiàn)程數(shù)不受限制。128個(gè)優(yōu)先級(jí)可以滿(mǎn)足幾乎所有用戶(hù)的編程需要，RTX調(diào)度器可以確保線(xiàn)程切換時(shí)間保持在500納秒到2微秒之間。

通過(guò)應(yīng)用高速的IPC信息和同步機(jī)制，RTX 可以實(shí)現(xiàn)和Windows之間的數(shù)據(jù)通訊。RTX 的時(shí)鐘分辨率可以達(dá)到100納秒，定時(shí)器周期最低可以做到1000、500、200、100微秒。

3、應(yīng)用架構(gòu)

RTX是Windows平臺(tái)的實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)，其是完全開(kāi)放式的產(chǎn)品，支持幾乎所有的PC架構(gòu)的硬件，如PC/104、ETX、CPCI、VME、PXI等。其主要功能如下：
（1）提供實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這由RTX的開(kāi)發(fā)包RTX SDK來(lái)完成
（2）提供實(shí)時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，這由RTX的運(yùn)行包RTX Runtime來(lái)完成

RTX的應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。當(dāng)在機(jī)載、艦載或車(chē)載等對(duì)系統(tǒng)大小要求嚴(yán)格得場(chǎng)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(dòng)、即時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)，提高系統(tǒng)的健壯性。

4、RTX系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

由于RTX是基于Windows的實(shí)時(shí)子系統(tǒng)，因此最適合應(yīng)用在既要求圖形等Windows高級(jí)任務(wù)，又需要實(shí)時(shí)任務(wù)的場(chǎng)合，如下面的領(lǐng)域：
● 航空、航天、軍事測(cè)控
● 基于PC的控制軟件/設(shè)備
● 分布式實(shí)時(shí)仿真
● 工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化
●運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人和數(shù)控設(shè)備
● 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、測(cè)量
● 醫(yī)療儀器、設(shè)備

審核編輯 黃宇