RTX在分布式實時仿真系統中的應用

摘要

計算機高速互聯是計算機界追求的目標。集群系統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的各個成員上，成員之間通過網絡連接在一起，通過各子任務并發運行來滿足實時應用的要求。這種方式的致命弱點是系統的性能受到網絡通訊延遲的影響，如果不能提出一種有效的提高數據傳輸速度的技術，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，特點是實時性強、可靠性高、使用簡單，通常兩結點數據傳輸時延遲為納秒級（或微秒）級，比通用局域網快2個數量級。

目前使用內存映射技術實現強實時通信的產品主要是美國GE公司的VMIC反射卡。在各個成員系統上的實時系統要求對反射內存卡完全支持，RTX是在Windows平臺上提供了一個實時子系統并完全支持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時特性，又可完全利用Windows平臺的優點。

一、基于反射內存的實時局域網簡介

1、 基于反射內存實時局域網的特點

VMIC反射內存卡是一種通過局域網在互連的計算機間提供高效的數據傳輸的技術，強實時網絡設計人員已經越來越多地采用這種技術。VMIC反射內存實時局域網的概念十分簡單，就是設計一種網絡內存板，在分布系統中實現內存至內存的通信，并且沒有軟件開銷。每臺結點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這些內存，當數據被寫入一臺機器的反射內存卡的內存中后，反射內存卡自動地通過光纖傳輸到其他連在網絡上的反射內存卡的內存里，通常，只需幾百納秒的時間延遲，所有的反射內存卡上的內存將寫入同樣的內容。而各成員在訪問數據時，只要訪問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：

（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（最大到256個節點），具有很高的抗干擾能力。測試結果表明，從數據寫入RAM到傳到另一個結點的反射內存卡上，只有不到400納秒的時延。

（2） 使用方便

反射內存卡通過向每個節點機提供一套相同的數據備份使得各節點可以并發的訪問相同的內容在訪問反射內存卡的內存時與訪問自身的內存沒有差別。各節點間數據一致性是由反射內存卡保證，對應用軟件是透明的。安裝簡單，將反射內存卡插在主板一個可用槽口上，再將各臺主機通過光纖網或扁平數據線連在一起即可。

（3） 獨立于操作系統和處理機

反射內存卡可以VME、PCI、PMC、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存卡實時網絡連接在一起，組成一個集群系統。

（4） 確定的數據傳輸時間

在反射內存卡中，當數據被寫入本地的反射內存卡板的內存中時，就被同時傳輸到其他相連的計算機上，沒有軟件延遲，硬件延遲也非常小。5565光纖反射內存卡在節點間傳輸數據時只需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） 經濟、高效

反射內存卡的數據傳輸速率大，沒有以太網那樣要多層協議。其次，反射內存卡使用簡單，不需要開發額外通訊軟件，利于提高系統的可靠性，也節省了軟件的開發費用。

2、基于反射內存卡實時局域網的實現機制

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，板上的高速邏輯會自動將此數據連同地址送到網上的其它反射內存卡板上，數據傳遞完全由硬件驅動，不需要CPU干預，結果網上下一結點在400納秒內（5565系列）就會在相同地址處有相同數據。反射內存卡可看成是由網上所有結點共享的單元內存卡，不存在訪問限制與仲裁，每個結點就像訪問本地內存一樣，實現了結點間的數據共享。

（1） 數據傳輸方式

VMIC的光纖反射內存卡最大可以連接256個互相獨立的節點，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）、節點間距離可以到10KM，。反射內存卡支持中斷，通過中斷機制可以實現節點機之間的通訊同步。

（2）使用中斷實現同步

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

（3）錯誤管理技術

VMIC5565反射內存卡有錯誤監測和報告的功能，通過對數據的奇偶校驗位的檢查，可以發現數據是否有錯。VMIC反射內存卡提供冗余傳輸模式，即每次傳輸數據時都傳兩份，當第一份出錯時，使用第二份。

二、Windows實時開發系統RTX簡介
1、通用實時系統RTX概述

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

RTX 是美國Ardence公司開發的Windows平臺的硬實時系統，可以為用戶提供優秀的實時控制性能，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時解決方案。

RTX 提供了對IRQ、I/O、內存的精確控制，以確保實時任務執行時具有100%的可靠性。RTX支持30KHz的持續中斷觸發速度，平均IST延遲小于1微秒。RTX與Windows 系統無縫的結合在一起，可以利用Windows 系統的各種優勢。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個獨立的進程，每個進程下可以運行的線程數不受限制。128個優先級可以滿足幾乎所有用戶的編程需要，RTX調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 可以實現和Windows之間的數據通訊。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平臺的實時開發和運行平臺，其是完全開放式的產品，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）提供實時系統的開發平臺，這由RTX的開發包RTX SDK來完成
（2）提供實時系統的運行環境，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使系統快速啟動、即時開關機，提高系統的健壯性。

4、RTX系統應用領域

由于RTX是基于Windows的實時子系統，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
● 工業生產自動化
●運動控制、機器人和數控設備
● 實時數據采集、測量
● 醫療儀器、設備

審核編輯 黃宇