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RTX在分布式實(shí)時(shí)仿真系統中的應用 摘要
計算機高速互聯(lián)是計算機界追求的目標。集群系統的一個(gè)特點(diǎn)是分布處理。它將一個(gè)應用分成多個(gè)子任務(wù)，這些子任務(wù)被分布在集群系統的各個(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)運行來(lái)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應用的要求。這種方式的致命弱點(diǎn)是系統的性能受到網(wǎng)絡(luò )通訊延遲的影響，如果不能提出一種有效的提高數據傳輸速度的技術(shù)，要提高集群系統的性能是很難做到的。目前，采用最多的是內存映射技術(shù)，特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強、可靠性高、使用簡(jiǎn)單，通常兩結點(diǎn)數據傳輸時(shí)延遲為納秒級（或微秒）級，比通用局域網(wǎng)快2個(gè)數量級。
目前使用內存映射技術(shù)實(shí)現強實(shí)時(shí)通信的產(chǎn)品主要是美國GE公司的VMIC反射卡。在各個(gè)成員系統上的實(shí)時(shí)系統要求對反射內存卡完全支持，RTX是在Windows平臺上提供了一個(gè)實(shí)時(shí)子系統并完全支持GE反射內存卡。這種方案，不對Windows系統本身做任何修改，使我們既可獲得微秒級的實(shí)時(shí)特性，又可完全利用Windows平臺的優(yōu)點(diǎn)。
一、基于反射內存的實(shí)時(shí)局域網(wǎng)簡(jiǎn)介
1、 基于反射內存實(shí)時(shí)局域網(wǎng)的特點(diǎn)
VMIC反射內存卡是一種通過(guò)局域網(wǎng)在互連的計算機間提供高效的數據傳輸的技術(shù)，強實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )設計人員已經(jīng)越來(lái)越多地采用這種技術(shù)。VMIC反射內存實(shí)時(shí)局域網(wǎng)的概念十分簡(jiǎn)單，就是設計一種網(wǎng)絡(luò )內存板，在分布系統中實(shí)現內存至內存的通信，并且沒(méi)有軟件開(kāi)銷(xiāo)。每臺結點(diǎn)機上插一塊反射內存卡，卡上帶有雙口內存，各層軟件既可以讀也可以寫(xiě)這些內存，當數據被寫(xiě)入一臺機器的反射內存卡的內存中后，反射內存卡自動(dòng)地通過(guò)光纖傳輸到其他連在網(wǎng)絡(luò )上的反射內存卡的內存里，通常，只需幾百納秒的時(shí)間延遲，所有的反射內存卡上的內存將寫(xiě)入同樣的內容。而各成員在訪(fǎng)問(wèn)數據時(shí)，只要訪(fǎng)問(wèn)本地的反射內存卡中的內存即可。
VMIC反射內存卡具有以下主要特點(diǎn)：
（1） 高速度和高性能
VMIC5565系列，傳輸速度達到174M字節/秒。使用光纖，可以連接更多節點(diǎn)（最大到256個(gè)節點(diǎn)），具有很高的抗干擾能力。測試結果表明，從數據寫(xiě)入RAM到傳到另一個(gè)結點(diǎn)的反射內存卡上，只有不到400納秒的時(shí)延。
（2） 使用方便
反射內存卡通過(guò)向每個(gè)節點(diǎn)機提供一套相同的數據備份使得各節點(diǎn)可以并發(fā)的訪(fǎng)問(wèn)相同的內容在訪(fǎng)問(wèn)反射內存卡的內存時(shí)與訪(fǎng)問(wèn)自身的內存沒(méi)有差別。各節點(diǎn)間數據一致性是由反射內存卡保證，對應用軟件是透明的。安裝簡(jiǎn)單，將反射內存卡插在主板一個(gè)可用槽口上，再將各臺主機通過(guò)光纖網(wǎng)或扁平數據線(xiàn)連在一起即可。
（3） 獨立于操作系統和處理機
反射內存卡可以VME、PCI、PMC、Compact PCI、Multibus I等多種總線(xiàn)上使用，可以將ALPHA、PowerPC、Macintosh、奔騰等計算機通過(guò)反射內存卡實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )連接在一起，組成一個(gè)集群系統。
（4） 確定的數據傳輸時(shí)間
在反射內存卡中，當數據被寫(xiě)入本地的反射內存卡板的內存中時(shí)，就被同時(shí)傳輸到其他相連的計算機上，沒(méi)有軟件延遲，硬件延遲也非常小。5565光纖反射內存卡在節點(diǎn)間傳輸數據時(shí)只需400納秒。這種確定的時(shí)間延遲為設計實(shí)時(shí)應用提供了有效的保證。
（5） 經(jīng)濟、高效
反射內存卡的數據傳輸速率大，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，利于提高系統的可靠性，也節省了軟件的開(kāi)發(fā)費用。
2、基于反射內存卡實(shí)時(shí)局域網(wǎng)的實(shí)現機制
反射內存卡是一組雙口內存板。當數據存儲到反射內存卡時(shí)，板上的高速邏輯會(huì )自動(dòng)將此數據連同地址送到網(wǎng)上的其它反射內存卡板上，數據傳遞完全由硬件驅動(dòng)，不需要CPU干預，結果網(wǎng)上下一結點(diǎn)在400納秒內（5565系列）就會(huì )在相同地址處有相同數據。反射內存卡可看成是由網(wǎng)上所有結點(diǎn)共享的單元內存卡，不存在訪(fǎng)問(wèn)限制與仲裁，每個(gè)結點(diǎn)就像訪(fǎng)問(wèn)本地內存一樣，實(shí)現了結點(diǎn)間的數據共享。 （1） 數據傳輸方式
VMIC的光纖反射內存卡最大可以連接256個(gè)互相獨立的節點(diǎn)，共享內存的最大量可以到128M字節，數據傳輸速度可達174M/秒（5565系列）、節點(diǎn)間距離可以到10KM，。反射內存卡支持中斷，通過(guò)中斷機制可以實(shí)現節點(diǎn)機之間的通訊同步。
（2）使用中斷實(shí)現同步
VMIC反射內存卡支持用中斷方式通知節點(diǎn)接收數據，當數據被送到某節點(diǎn)時(shí)，可以通過(guò)中斷告訴該節點(diǎn)。VMIC反射內存卡提供了三個(gè)中斷，用戶(hù)可以定義這些中斷的優(yōu)先級、中斷相量及具體功能。
（3）錯誤管理技術(shù)
VMIC5565反射內存卡有錯誤監測和報告的功能，通過(guò)對數據的奇偶校驗位的檢查，可以發(fā)現數據是否有錯。VMIC反射內存卡提供冗余傳輸模式，即每次傳輸數據時(shí)都傳兩份，當第一份出錯時(shí)，使用第二份。
二、Windows實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)系統RTX簡(jiǎn)介
1、通用實(shí)時(shí)系統RTX概述
通用實(shí)時(shí)系統RTX繼承Windows 2000、Windows XP和Windows XP Embedded操作系統的優(yōu)秀人機界面，有可利用的豐富的第三方軟硬件開(kāi)發(fā)編程資源，又使得這些系統具有極好的實(shí)時(shí)的調度用戶(hù)所需要的任務(wù)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Ardence公司開(kāi)發(fā)的Windows平臺的硬實(shí)時(shí)系統，可以為用戶(hù)提供優(yōu)秀的實(shí)時(shí)控制性能，高效的可擴展性及穩定性，是迄今為止在Windows 平臺上唯一基于軟件的硬實(shí)時(shí)解決方案。
RTX 提供了對IRQ、I/O、內存的精確控制，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)執行時(shí)具有100%的可靠性。RTX支持30KHz的持續中斷觸發(fā)速度，平均IST延遲小于1微秒。RTX與Windows 系統無(wú)縫的結合在一起，可以利用Windows 系統的各種優(yōu)勢。包括大量標準的API函數；高效的內存管理機制；以及各種Windows 下的通用資源。RTX最高支持1000個(gè)獨立的進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程下可以運行的線(xiàn)程數不受限制。128個(gè)優(yōu)先級可以滿(mǎn)足幾乎所有用戶(hù)的編程需要，RTX調度器可以確保線(xiàn)程切換時(shí)間保持在500納秒到2微秒之間。
通過(guò)應用高速的IPC信息和同步機制，RTX 可以實(shí)現和Windows之間的數據通訊。RTX 的時(shí)鐘分辨率可以達到100納秒，定時(shí)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(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)和運行平臺，其是完全開(kāi)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(shí)時(shí)系統的開(kāi)發(fā)平臺，這由RTX的開(kāi)發(fā)包RTX SDK來(lái)完成
（2）提供實(shí)時(shí)系統的運行環(huán)境，這由RTX的運行包RTX Runtime來(lái)完成
RTX的應用架構如圖1所示。當在機載、艦載或車(chē)載等對系統大小要求嚴格得場(chǎng)合下，我們可以采用Windows XP Embedded+RTX+ReadyOn的方案；ReadyOn使系統快速啟動(dòng)、即時(shí)開(kāi)關(guān)機，提高系統的健壯性。 ![]()
4、RTX系統應用領(lǐng)域
由于RTX是基于Windows的實(shí)時(shí)子系統，因此最適合應用在既要求圖形等Windows高級任務(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、軍事測控
● 基于PC的控制軟件/設備
● 分布式實(shí)時(shí)仿真
● 工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化
● 運動(dòng)控制、機器人和數控設備
● 實(shí)時(shí)數據采集、測量
● 醫療儀器、設備
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