0 引言

在半實(shí)物仿真系統中需要實(shí)時(shí)地傳輸、操作和分析數據,并在此基礎上作出相應的控制，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是半實(shí)物仿真系統中必不可少技術(shù)之一�；�于反射內存的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)目前已發(fā)展較為成熟的一種性能優(yōu)異、概念新穎的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)[1]。相對于以往基于TCP/IP或UDP/IP實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)來(lái)說(shuō)，它極大的提高了系統實(shí)時(shí)通訊、數據反射和信號調試的能力，使分布式仿真系統結構的設計及實(shí)現更為簡(jiǎn)單。本文介紹了基于VMI-5565反射內存卡組建實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )的方法，并就利用VC++6.0實(shí)現實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )通訊進(jìn)行了研究。

1反射內存通訊原理及實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )構建1.1 反射內存通訊原理

反射內存光纖網(wǎng)絡(luò )采用了先進(jìn)特殊的技術(shù),具備了很強的支持分布實(shí)時(shí)系統的數據傳輸能力[2]。在每個(gè)需要實(shí)時(shí)通訊的節點(diǎn)上插入反射內存網(wǎng)卡(節點(diǎn)卡),每塊節點(diǎn)卡都有自己獨立的局部?jì)却?它通過(guò)局部?jì)却嬗成鋵⒕W(wǎng)卡上的局部?jì)却嬗成涞街鳈C內存,用戶(hù)讀寫(xiě)網(wǎng)卡上的數據就如同讀寫(xiě)主機內存上的數據一樣快速方便。另外,每塊反射內存網(wǎng)卡又通過(guò)網(wǎng)絡(luò )內存映射,將分布節點(diǎn)卡上的局部?jì)却嬗成涞揭粋�(gè)虛擬的全局內存,即每個(gè)節點(diǎn)在寫(xiě)入本地節點(diǎn)卡的數據同時(shí)也寫(xiě)入所有其他節點(diǎn)卡的內存。這樣,用戶(hù)對本地節點(diǎn)內存的讀寫(xiě)相當于對全局內存進(jìn)行讀寫(xiě),而這個(gè)全局內存是所有分布節點(diǎn)都可見(jiàn)反射的,從而實(shí)現分布節點(diǎn)間的數據通訊[3]。通過(guò)這種方式,所有的節點(diǎn)能透明并確定地傳送中斷、消息或者數據塊到其他的節點(diǎn)。

1.2  VMI-5565實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品簡(jiǎn)介

VMI-5565反射內存產(chǎn)品是美國VMIC公司于本世紀初推出的網(wǎng)絡(luò )通訊產(chǎn)品系列。其特點(diǎn)是通過(guò)驅動(dòng)軟件寫(xiě)到某一個(gè)節點(diǎn)反射內存板上某一地址單元的數據，可同時(shí)通過(guò)HUB自動(dòng)映射寫(xiě)到實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )上所有節點(diǎn)的反射內存板上的對應地址單元。同時(shí)，也支持直接內存訪(fǎng)問(wèn)（DMA）方式的數據塊傳輸。每塊反射內存板通過(guò)卡上跳線(xiàn)設置在網(wǎng)絡(luò )上的唯一ID號。其技術(shù)性能指標如下：

(1).實(shí)時(shí)性能：數據傳輸率可達47.1Mbyte/s到174Mbyte/s；

(2). 負載能力：通過(guò)選用兩種不同型號的反射內存板，具有64M字節至128M字節的可選負載能力；

(3). 傳輸距離：支持10km長(cháng)度的単模光纖300m長(cháng)度的多模光纖；

(4). 擴展性：単個(gè)HUB支持8個(gè)節點(diǎn)。通過(guò)級聯(lián)HUB，最多可支持256個(gè)節點(diǎn)。

1.3 基于反射內存的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )構建

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )現行的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構主要有環(huán)型、星型結構等幾種結構。一般來(lái)說(shuō)，環(huán)形結構組網(wǎng)簡(jiǎn)單。下面以三個(gè)節點(diǎn)為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明環(huán)形結構組網(wǎng)過(guò)程。三個(gè)節點(diǎn)需要三塊VMI5565卡及3根單股光纖。首先將三塊卡進(jìn)行統一編址，分別為節點(diǎn)0、節點(diǎn)1、節點(diǎn)2，并將其插入到對應的計算機中，具體編址方式見(jiàn)2.1節。將節點(diǎn)0的反射內存卡的RX端與將節點(diǎn)1的反射內存卡的TX端連接，同時(shí)將節點(diǎn)1的RX端與T節點(diǎn)2的TX端連接，節點(diǎn)2的RX與節點(diǎn)0的TX連接，如圖1所示：

圖1環(huán)形拓撲實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )示意圖

環(huán)形結構組網(wǎng)簡(jiǎn)單，但是在使用的時(shí)候，必須將所有的節點(diǎn)計算機全部打開(kāi)才能進(jìn)行通訊，在節點(diǎn)較多時(shí)，使用不方便，且容易造成因人為失誤而導致仿真試驗失敗的情況。

星型實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )HUB和實(shí)時(shí)節點(diǎn)卡組成。安裝了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)卡的計算機通過(guò)光纖連接在HUB上。HUB提供了一個(gè)共享內存空間，每個(gè)節點(diǎn)在本地都有一個(gè)該共享內存空間的映射。當任意一個(gè)實(shí)時(shí)處理機在本地節點(diǎn)卡的內存空間中操作時(shí)，HUB內共享內存空間的數據就會(huì )被更新。同時(shí)，其它節點(diǎn)上的共享內存映射空間中的對應數據會(huì )被立即更新。這種實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )具有低延遲、高傳輸率的優(yōu)點(diǎn)，確保所有節點(diǎn)數據快速更新。仍以三個(gè)節點(diǎn)為例，說(shuō)明其結構。其結構圖如圖2所示：

圖2 星型拓撲結構實(shí)時(shí)網(wǎng)示意圖

星型結構則使用時(shí)比較方便，只需打開(kāi)需用的節點(diǎn)計算機并給HUB加電即可，工作穩定、可靠，但相對環(huán)形拓撲結構來(lái)說(shuō)，增加了一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )HUB，相同節點(diǎn)數，需要的光纖也增加了一倍，增加了成本。

在具體使用中，可根據節點(diǎn)數量來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )拓撲結構選擇。節點(diǎn)較少時(shí)選擇環(huán)形拓撲，可有效地節省成本，節點(diǎn)較多時(shí)，可選擇星型拓撲，使用更為方便。

筆者參與設計并投入使用的仿真系統采用了星型拓撲結構，該系統共有8個(gè)節點(diǎn)，分別對應控制臺計算機、視景計算機、程序解算計算機、設備控制計算機等計算機。該系統目前已經(jīng)成功應與于某半實(shí)物仿真系統中。由于該半實(shí)物仿真系統不是本文重點(diǎn)內容，在此不做進(jìn)一步說(shuō)明。

2  反射內存存儲空間分配

2.1 反射內存編址

在組網(wǎng)前，需要對每塊反射內存卡進(jìn)行統一編址，以便反射內存網(wǎng)絡(luò )形成一致的連續的共享空間而不會(huì )發(fā)生沖突。在VMI5565反射內存卡上，有一排8個(gè)小開(kāi)關(guān)，用這些開(kāi)關(guān)即可完成統一編址。8個(gè)小開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)時(shí)，內部地址為00000000，對應的反射內存卡為節點(diǎn)0，僅第1個(gè)打開(kāi)時(shí)，內部地址為00000001，對應的反射內存卡為節點(diǎn)1，第二個(gè)打開(kāi)為節點(diǎn)2，依次類(lèi)推，按照二進(jìn)制編碼方式排列,依次為0，1，2，4，8，16，32，單個(gè)HUB支持8個(gè)節點(diǎn)。

2.2反射內存地址空間分配

由于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )系統的內存地址空間有限，所以每個(gè)節點(diǎn)計算機寫(xiě)入內存的數據需科學(xué)、合理和嚴格規劃。常用的數據寫(xiě)入方式有兩種,第一種是不進(jìn)行地址空間分配，而按照具體節點(diǎn)進(jìn)行數據通訊,即將數據發(fā)送端直接將所需的數據打包發(fā)送到對應的數據接收端。例如，0號節點(diǎn)需要將名為ff的數據傳遞給1號節點(diǎn)，其語(yǔ)法如下（VC++6.0下）：

發(fā)送方(0號節點(diǎn)):

……

retstatus=RFM2gWrite(rh,1,(void *)ff,sizeof(float)*9);

  ……

接收方(1號節點(diǎn)):

 ……

retstatus=RFM2gRead(rh,1,(void *)ff,sizeof(float)*9);

  ……

此種方式在數據量大的時(shí)候，會(huì )引起溢出，無(wú)法保證同一幀數據的完整性,另外，當一段數據為多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)需要時(shí)，此種方法就不夠方便。因此，目前常用的方式是將反射內存空間進(jìn)行分配。

反射內存地址空間分配是通過(guò)軟件接口控制文件定義好所有須使用內存空間的數據變量地址，同類(lèi)數據連續分配地址單元，以便其它節點(diǎn)的計算機可以用直接內存訪(fǎng)問(wèn)方式一次性快速讀取大量數據。同時(shí),由于節點(diǎn)上的計算機在某個(gè)時(shí)刻寫(xiě)到某一內存地址段的多個(gè)數據會(huì )在下一仿真周期以新的結果刷新此段數據，為了保證其它計算機節點(diǎn)讀到該地址段幀的數據是同一幀的數據，需為這段數據定義專(zhuān)門(mén)的地址單元標志該段數據的讀寫(xiě)狀態(tài)。用此種方式時(shí)，可利用如下句子進(jìn)行操作（VC++6.0下）：

數據寫(xiě)入節點(diǎn)：

……

    retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500, (void *)ff,sizeof(float)*9);

……

數據讀取節點(diǎn)：

……

retstatus=RFM2gRead(rh,0x500,

(void *)ff,sizeof(float)*9);

……

數據寫(xiě)入節點(diǎn)只需將ff數據寫(xiě)入到固定的地址（0X500），需要用到此段數據的節點(diǎn)均可到該地址進(jìn)行讀寫(xiě)，此種方式下，發(fā)送法不需關(guān)注接受方，而只需按照事先約好的數據存儲地址寫(xiě)入即可，同樣，接受方也是如此。

2.3 地址空間分配時(shí)的注意事項

在反射內存空間地址分配時(shí)，須注意所分配的空間應大于所需傳遞的數據長(cháng)度并有一定的余量，應按照單個(gè)數據的字節數和數據段的數據個(gè)數來(lái)進(jìn)行仔細計算所需的存儲空間。

在地址空間分配及實(shí)時(shí)通訊過(guò)程中，應有專(zhuān)用的數據記錄空間和節點(diǎn)，做好試驗狀態(tài)和實(shí)驗結果的記錄。同時(shí)在每次仿真開(kāi)始前應清空射內存中原有的數據，以防造成誤操作，從而對仿真設備造成損壞。

3  在VC++下的實(shí)時(shí)通訊協(xié)議設計

   在VC++下利用反射內存網(wǎng)實(shí)現實(shí)時(shí)通訊之前，要進(jìn)行驅動(dòng)安裝與環(huán)境變量設置。具體內容見(jiàn)參考文獻[4]。設置完成后，方可進(jìn)行相關(guān)操作。在筆者完成的實(shí)時(shí)系統中，采用VC環(huán)消息Message方式進(jìn)行傳遞進(jìn)行。首先是完成頭文件加載與反射內存卡打開(kāi)并使之處于使能狀態(tài)，隨后是等待觸發(fā)。按照反射內存統一編址方式進(jìn)行通訊協(xié)議設計，具體如下。

3.1 反射內存卡初始化及使能

   在VC++環(huán)境下，首先要完成反射內存卡的頭文家加載與發(fā)射內存卡打開(kāi)及使能，參考代碼如下：

 

#include "rfm2g.h"http://反射內存頭文件；

……

Main()

{

……

If((retstatus=RFM2gOpen(rfmFn,&rh))!= RFM2G_SUCCESS)

    {

        printf("Cannot open RFM2G\n");

        exit(0);

    }  

    if(rh == (RFM2GHANDLE) NULL){

        printf( "%s>  rh = %x ", me, rh );

    }   //判斷是否打開(kāi)成功

retstatus=RFM2gEnableEvent(rh,RFM2GEVENT_INTR1); //使能反射內存卡，等待時(shí)間觸發(fā)；

……

}

3.2 發(fā)送接受協(xié)議

    初始化完成后，通訊開(kāi)始。為了確保數據實(shí)時(shí)傳輸的正確性，數據的發(fā)送、接收雙方需要握手協(xié)議。這一點(diǎn)在牽扯到仿真設備初始化的半實(shí)物仿真過(guò)程中尤為重要。設發(fā)送方在0X500地址處寫(xiě)入TX=1，等待接受方應答信號。接受方在0X500處讀到TX并確定TX=1，完成準備工作后在0X1000處寫(xiě)入RX=1。當發(fā)送方收到RX并確認為RX=1時(shí)，正式數據開(kāi)始發(fā)送，實(shí)時(shí)仿真開(kāi)始。雙方具體操作如下。

3.2.1發(fā)送操作

   發(fā)送方首先進(jìn)行握手信號發(fā)送，等待應答成功后，開(kāi)始發(fā)送數據。仿真過(guò)程結束后發(fā)送TX=2，通知接收方通訊完成，待到對方應答后，關(guān)閉反射內存，實(shí)時(shí)通訊結束。

以發(fā)送名為ff數據至0X500為例，整個(gè)通訊過(guò)程參考代碼如下：

  ……

RFM2gClear(&rh)；

TX=1；

retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500, (void *)TX,sizeof(float)*9);//發(fā)送TX

retstatus=RFM2gSendEvent(rh,32,

RFM2GEVENT_INTR1,0x0);//發(fā)送消息事件；

while(1){

retstatus=RFM2gRead(rh,0x51, (void *)RX,sizeof(float)*9);

    if（fabs(RX-1)<0.000001 )

          break;

printf("wait RX…%lf\n",fabs(RX-1));

}

printf("RX Readly...\n");//握手成功

retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500,(void *)ff,sizeof(float)*9);//發(fā)送ff

retstatus=RFM2gSendEvent(rh,32,RFM2GEVENT_INTR1,0x0);//發(fā)送消息

……

If(stop=start)//仿真完成

{

TX=2；

retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500,(void *)TX,sizeof(float)*9);//發(fā)送TX

retstatus=RFM2gSendEvent(rh,32,RFM2GEVENT_INTR1,0x0);//發(fā)送消息事件；

while(1){    retstatus=RFM2gRead(rh,0x510,(void *)RX,sizeof(float)*9);

if（fabs(RX-2)<0.000001 )

         break;

printf("wait RX…%lf\n",fabs(RX-1));

}

printf("Retaime TR over...\n");

retstatus=RFM2gDisableEvent(rh,

RFM2GEVENT_INTR1);//關(guān)閉使能反射內存；

RFM2gClose(&rh);//關(guān)閉反射內存；

}//仿真過(guò)程結束，關(guān)閉反射內存

……

3.2.2 接受操作

接受操作類(lèi)似于發(fā)送操作，只需要在初始化完成后，有一個(gè)等待事件觸發(fā)的命令即可。當收到事件觸發(fā)后，即從0X500處讀入數據并判斷數據，當收到的數據同預設一致時(shí)，發(fā)送應答信號至0X510，并準備接受數據。當接受到數據為T(mén)x=2時(shí)，即返回RX=2并停止使能反射內存卡，關(guān)閉反射內存卡，通訊結束。等待觸發(fā)的代碼如下，其他類(lèi)似于發(fā)送方。

……

RFM2gClear(&rh)；

retstatus=RFM2gWaitForEvent(rh,&info);

……

retstatus=RFM2gDisableEvent(rh,RFM2GEVENT_INTR1);//關(guān)閉使能反射內存；

RFM2gClose(&rh);//關(guān)閉反射內存；

}//仿真過(guò)程結束，關(guān)閉反射內存

……

利用上述方法即可實(shí)現實(shí)時(shí)通訊過(guò)程。

4 在Windows下實(shí)現實(shí)時(shí)通訊

由于Windows是多任務(wù)操作系統，因此常見(jiàn)的實(shí)時(shí)系統常采用DOS等單任務(wù)系統，或者是購買(mǎi)RTW模塊并實(shí)現Windows下的實(shí)時(shí)性設計。但是，在實(shí)時(shí)性要求不是很高的情況下(仿真步長(cháng)>0.5ms)時(shí)，可以通過(guò)提高進(jìn)程優(yōu)先級并強制關(guān)閉其他進(jìn)程的方法來(lái)實(shí)現強實(shí)時(shí)計算。同時(shí)，可以通過(guò)獲取計算機機器時(shí)間并以此來(lái)進(jìn)行仿真步長(cháng)的準確定時(shí)。采用此方法，可有效地實(shí)現各個(gè)節點(diǎn)的時(shí)間統一管理，可有效地提高系統的實(shí)時(shí)性。在實(shí)際使用過(guò)程中，仿真步長(cháng)可根據整個(gè)系統的單步計算、控制的耗時(shí)情況以及仿真對象的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，并選擇合適的方式（中斷、查詢(xún)）來(lái)實(shí)現仿真周期的準確定時(shí)。

筆者完成的實(shí)時(shí)系統設計中，通過(guò)查詢(xún)方式并采用死循環(huán)的形式，實(shí)現了仿真周期為0.5毫秒的半實(shí)物仿真。實(shí)際測試（測試環(huán)境：CPUP4 2.8GHZ 512M）統計結果表明，在采用實(shí)時(shí)處理以后，完成一步計算幀周期定時(shí)誤差最大為1.2毫秒，采用實(shí)時(shí)處理以后，平均幀誤差在30微妙，最大為130微妙。采用實(shí)時(shí)處理后的反射內存網(wǎng)兩個(gè)節點(diǎn)之間的數據傳輸時(shí)間誤差均值小于80微妙，最大值小于200微妙。經(jīng)過(guò)任務(wù)優(yōu)先級調整后的仿真進(jìn)程受操作系統影響較小，在所得到的測試結果中，99%在40-50微妙以?xún)�，最大值不超過(guò)130微妙，實(shí)時(shí)網(wǎng)數據延時(shí)最大值不超過(guò)150微妙，完全滿(mǎn)足仿真步長(cháng)在0.5毫秒以上的系統仿真任務(wù)。

5 小結

本文主要介紹了基于反射內存卡的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )系統設計方法，并給出了具體的通訊協(xié)議及注意事項，同時(shí)，就如何在Windows系統下實(shí)現實(shí)時(shí)通訊進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。利用該方法設計的實(shí)時(shí)系統已在某半實(shí)物仿真實(shí)驗室中應用，經(jīng)驗證，該系統具有通信實(shí)時(shí)性好，數據傳輸速度快，傳輸可靠性高的特點(diǎn)，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)仿真需要，取得了良好的效果，被實(shí)踐證明是一種成熟、有效的方法。