基于Windows平臺的分布式實時仿真系統(tǒng)

摘要 通過介紹基于Windows的實時擴展子系統(tǒng)RTX，提出了解決Windows下分布式仿真的兩種方案：基于RTX的反射內(nèi)存網(wǎng)分布式仿真和基于以太網(wǎng)的令牌環(huán)分布式仿真架構(gòu)。并比較了兩種架構(gòu)與傳統(tǒng)Windows方案在實時性能上的差別。兩種方案在滿足分布式仿真系統(tǒng)實時性要求的基礎(chǔ)上，能為不同要求的仿真提供靈活可靠的選擇。
關(guān)鍵詞 RTX；反射內(nèi)存網(wǎng)；令牌環(huán)網(wǎng)；實時；分布式仿真

基于Windows的分布式仿真系統(tǒng)當(dāng)前面臨的最大問題，在于如何提高分布式網(wǎng)絡(luò)的實時性能。其內(nèi)容主要有兩方面：(1)如何最大限度的提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，使數(shù)據(jù)盡可能的快速傳輸。(2)如何在盡可能小的影響傳輸性能的基礎(chǔ)上，滿足分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸確定性的需要。也即如何降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄舆t和最壞情況下的延遲兩方面的內(nèi)容。
將RTX實時擴展子系統(tǒng)的技術(shù)引入Windows操作系統(tǒng)，不僅可將Windows改造成一個確定響應(yīng)的硬實時操作系統(tǒng)，同時可以改造基于Windows平臺的以太網(wǎng)及反射內(nèi)存網(wǎng)的應(yīng)用。實現(xiàn)在分布式仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩砸约按_定性的指標(biāo)，達(dá)到構(gòu)建基于Windows的分布式實時仿真系統(tǒng)的目的。
針對以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)，提出了基于RTX的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)母脑旆桨?，使得以上兩種方案都可以在Windows平臺上實現(xiàn)確定傳輸?shù)哪芰?，從而可以?gòu)建基于Windows平臺的分布式仿真系統(tǒng)，以滿足不同客戶對于實時響應(yīng)的不同需要。

1 RTX-基于Windows的實時擴展子系統(tǒng)
1．1 RTX實時擴展子系統(tǒng)簡介
RTX是Ardence公司研發(fā)的基于Windows的實時擴展子系統(tǒng)。是目前Windows平臺最優(yōu)秀的純軟件實時解決方案。RTX通過在Windows硬件抽象層增加實時擴展實現(xiàn)基于優(yōu)先級的搶占式實時任務(wù)管理和調(diào)度。使得整個Windows任務(wù)體系變成了RTX子系統(tǒng)下優(yōu)先級最低的任務(wù)。
1．2 RTX實時擴展子系統(tǒng)架構(gòu)
圖1為RTX實時擴展子系統(tǒng)架構(gòu)。

RTX被設(shè)計為Windows上的一個實時擴展子系統(tǒng)，其本身并不是一個獨立的操作系統(tǒng)。它提供了對IRQ、I／O和內(nèi)存的精確控制，以確保實時任務(wù)執(zhí)行時具有100％的可靠性。由于其操作均在Ring 0級實現(xiàn)，可以在保證性能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)最少的配置操作。同時RTX還支持30 kHz的持續(xù)中斷觸發(fā)速度，最大IST延遲16 μs。
RTX與Windows操作系統(tǒng)無縫兼容，可以利用Windows系統(tǒng)的各種優(yōu)勢。包括大量標(biāo)準(zhǔn)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。作為一個完全的Windows擴展系統(tǒng)，RTX并不對Windows系統(tǒng)架構(gòu)作任何封裝和修改。
RTX子系統(tǒng)(RTSS，Real-time Sub-system)擁有精確高速的任務(wù)調(diào)度器，同時支持基于優(yōu)先級和時間片輪詢兩種調(diào)度算法。RTX最高支持1 000個獨立的進(jìn)程，每個進(jìn)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 ns～2μs之間。通過應(yīng)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。選用適合的時鐘，RTX的時鐘分辨率可達(dá)到100 ns，并且不會產(chǎn)生任何漂移現(xiàn)象。

2 構(gòu)建分布式實時仿真系統(tǒng)
2．1 反射內(nèi)存網(wǎng)工作原理
反射內(nèi)存網(wǎng)主要由反射內(nèi)存卡通過光纖等傳輸介質(zhì)連接而成。反射內(nèi)存卡是一組雙口內(nèi)存板。每個反射內(nèi)存卡都占有一段內(nèi)存地址，網(wǎng)上任何計算機向本地反射內(nèi)存卡寫數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)和相應(yīng)的內(nèi)存地址將被反射到網(wǎng)上所有其他反射內(nèi)存卡，并存儲在相同的位置。計算機將數(shù)據(jù)寫入其本地反射內(nèi)存卡后，板上的高速邏輯會自動將此數(shù)據(jù)連同地址送到網(wǎng)上的其他反射內(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(yù)，結(jié)果網(wǎng)上的下一結(jié)點在400 ns內(nèi)就會在相同地址處有相同數(shù)據(jù)。
當(dāng)數(shù)據(jù)存儲到反射內(nèi)存卡時，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，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。由于CPU對反射內(nèi)存操作如同讀寫標(biāo)準(zhǔn)的RAM，且反射內(nèi)存的數(shù)據(jù)更新是通過硬件實現(xiàn)的，因此其網(wǎng)絡(luò)延遲極小。
2．2 使用RTX技術(shù)改造反射內(nèi)存網(wǎng)
反射內(nèi)存卡有兩種工作方式：中斷或查詢。在基于Windows操作系統(tǒng)的分布式實時仿真中，通常使用查詢方式。
由于Windows操作系統(tǒng)并不具有確定性的響應(yīng)機制，不能保證立刻響應(yīng)外部中斷，如果Windows系統(tǒng)繁忙，對中斷響應(yīng)的處理速度會顯著變慢，從而大大增加處理中斷的延遲時間。從仿真的穩(wěn)定性考慮，不宜采用中斷方式。因此，傳統(tǒng)的在Windows環(huán)境下使用反射內(nèi)存卡時，普遍采用基于定時器的查詢方式。然而這種不間斷的查詢方式，占用了大量的系統(tǒng)資源，Windows幾乎無法進(jìn)行其他操作，用戶界面響應(yīng)很慢，
從而影響了仿真用戶的使用。同時，這種方法由于放棄了響應(yīng)速度較快的中斷處理方式，犧牲了反射內(nèi)存網(wǎng)硬件本身的良好性能，使其在Windows操作系統(tǒng)中，不能達(dá)到比較理想的數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)。而RTX由于其對外設(shè)和中斷處理的確定性，可以在保證Windows操作系統(tǒng)正常響應(yīng)的基礎(chǔ)上，實時地處理反射內(nèi)存卡的中斷響應(yīng)。因此，采用基于RTX的反射內(nèi)存網(wǎng)方案可以達(dá)到構(gòu)建基于Windows的分布式實時仿真系統(tǒng)的目的。