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基于反射內(nèi)存的實時網(wǎng)絡系統(tǒng)設計
閱讀:416 發(fā)布時間:2019-8-170 引言
在半實物仿真系統(tǒng)中需要實時地傳輸、操作和分析數(shù)據(jù),并在此基礎上作出相應的控制,實時網(wǎng)絡技術是半實物仿真系統(tǒng)中*技術之一。基于反射內(nèi)存的實時網(wǎng)絡技術目前已發(fā)展較為成熟的一種性能優(yōu)異、概念新穎的實時網(wǎng)絡技術[1]。相對于以往基于TCP/IP或UDP/IP實時網(wǎng)絡技術來說,它*的提高了系統(tǒng)實時通訊、數(shù)據(jù)反射和信號調(diào)試的能力,使分布式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計及實現(xiàn)更為簡單。本文介紹了基于VMI-5565反射內(nèi)存卡組建實時網(wǎng)絡的方法,并就利用VC++6.0實現(xiàn)實時網(wǎng)絡通訊進行了研究。
1反射內(nèi)存通訊原理及實時網(wǎng)絡構(gòu)建
1.1 反射內(nèi)存通訊原理
反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡采用了*特殊的技術,具備了很強的支持分布實時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力[2]。在每個需要實時通訊的節(jié)點上插入反射內(nèi)存網(wǎng)卡(節(jié)點卡),每塊節(jié)點卡都有自己獨立的局部內(nèi)存,它通過局部內(nèi)存映射將網(wǎng)卡上的局部內(nèi)存映射到主機內(nèi)存,用戶讀寫網(wǎng)卡上的數(shù)據(jù)就如同讀寫主機內(nèi)存上的數(shù)據(jù)一樣快速方便。另外,每塊反射內(nèi)存網(wǎng)卡又通過網(wǎng)絡內(nèi)存映射,將分布節(jié)點卡上的局部內(nèi)存映射到一個虛擬的全局內(nèi)存,即每個節(jié)點在寫入本地節(jié)點卡的數(shù)據(jù)同時也寫入所有其他節(jié)點卡的內(nèi)存。這樣,用戶對本地節(jié)點內(nèi)存的讀寫相當于對全局內(nèi)存進行讀寫,而這個全局內(nèi)存是所有分布節(jié)點都可見反射的,從而實現(xiàn)分布節(jié)點間的數(shù)據(jù)通訊[3]。通過這種方式,所有的節(jié)點能透明并確定地傳送中斷、消息或者數(shù)據(jù)塊到其他的節(jié)點。
1.2 VMI-5565實時網(wǎng)絡產(chǎn)品簡介
VMI-5565反射內(nèi)存產(chǎn)品是美國VMIC公司于本世紀初推出的網(wǎng)絡通訊產(chǎn)品系列。其特點是通過驅(qū)動軟件寫到某一個節(jié)點反射內(nèi)存板上某一地址單元的數(shù)據(jù),可同時通過HUB自動映射寫到實時網(wǎng)絡上所有節(jié)點的反射內(nèi)存板上的對應地址單元。同時,也支持直接內(nèi)存訪問(DMA)方式的數(shù)據(jù)塊傳輸。每塊反射內(nèi)存板通過卡上跳線設置在網(wǎng)絡上的ID號。其技術性能指標如下:
(1).實時性能:數(shù)據(jù)傳輸率可達47.1Mbyte/s到174Mbyte/s;
(2). 負載能力:通過選用兩種不同型號的反射內(nèi)存板,具有64M字節(jié)至128M字節(jié)的可選負載能力;
(3). 傳輸距離:支持10km長度的単模光纖300m長度的多模光纖;
(4). 擴展性:単個HUB支持8個節(jié)點。通過級聯(lián)HUB,多可支持256個節(jié)點。
1.3 基于反射內(nèi)存的實時網(wǎng)絡構(gòu)建
實時網(wǎng)絡現(xiàn)行的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)主要有環(huán)型、星型結(jié)構(gòu)等幾種結(jié)構(gòu)。一般來說,環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡單。下面以三個節(jié)點為例,簡單說明環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)過程。三個節(jié)點需要三塊VMI5565卡及3根單股光纖。首先將三塊卡進行統(tǒng)一編址,分別為節(jié)點0、節(jié)點1、節(jié)點2,并將其插入到對應的計算機中,具體編址方式見2.1節(jié)。將節(jié)點0的反射內(nèi)存卡的RX端與將節(jié)點1的反射內(nèi)存卡的TX端連接,同時將節(jié)點1的RX端與T節(jié)點2的TX端連接,節(jié)點2的RX與節(jié)點0的TX連接,如圖1所示:
圖1環(huán)形拓撲實時網(wǎng)絡示意圖
環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡單,但是在使用的時候,必須將所有的節(jié)點計算機全部打開才能進行通訊,在節(jié)點較多時,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。
星型實時網(wǎng)絡由一個實時網(wǎng)絡HUB和實時節(jié)點卡組成。安裝了實時網(wǎng)絡節(jié)點卡的計算機通過光纖連接在HUB上。HUB提供了一個共享內(nèi)存空間,每個節(jié)點在本地都有一個該共享內(nèi)存空間的映射。當任意一個實時處理機在本地節(jié)點卡的內(nèi)存空間中操作時,HUB內(nèi)共享內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)就會被更新。同時,其它節(jié)點上的共享內(nèi)存映射空間中的對應數(shù)據(jù)會被立即更新。這種實時網(wǎng)絡具有低延遲、高傳輸率的優(yōu)點,確保所有節(jié)點數(shù)據(jù)快速更新。仍以三個節(jié)點為例,說明其結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示:
圖2 星型拓撲結(jié)構(gòu)實時網(wǎng)示意圖
星型結(jié)構(gòu)則使用時比較方便,只需打開需用的節(jié)點計算機并給HUB加電即可,工作穩(wěn)定、可靠,但相對環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)來說,增加了一個實時網(wǎng)絡HUB,相同節(jié)點數(shù),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(jù)節(jié)點數(shù)量來進行實時網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)選擇。節(jié)點較少時選擇環(huán)形拓撲,可有效地節(jié)省成本,節(jié)點較多時,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(tǒng)采用了星型拓撲結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)共有8個節(jié)點,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(tǒng)目前已經(jīng)成功應與于某半實物仿真系統(tǒng)中。由于該半實物仿真系統(tǒng)不是本文重點內(nèi)容,在此不做進一步說明。
2 反射內(nèi)存存儲空間分配
2.1 反射內(nèi)存編址
在組網(wǎng)前,需要對每塊反射內(nèi)存卡進行統(tǒng)一編址,以便反射內(nèi)存網(wǎng)絡形成一致的連續(xù)的共享空間而不會發(fā)生沖突。在VMI5565反射內(nèi)存卡上,有一排8個小開關,用這些開關即可完成統(tǒng)一編址。8個小開關全部打開時,內(nèi)部地址為00000000,對應的反射內(nèi)存卡為節(jié)點0,僅第1個打開時,內(nèi)部地址為00000001,對應的反射內(nèi)存卡為節(jié)點1,第二個打開為節(jié)點2,依次類推,按照二進制編碼方式排列,依次為0,1,2,4,8,16,32,單個HUB支持8個節(jié)點。
2.2反射內(nèi)存地址空間分配
由于實時網(wǎng)絡系統(tǒng)的內(nèi)存地址空間有限,所以每個節(jié)點計算機寫入內(nèi)存的數(shù)據(jù)需科學、合理和嚴格規(guī)劃。常用的數(shù)據(jù)寫入方式有兩種,種是不進行地址空間分配,而按照具體節(jié)點進行數(shù)據(jù)通訊,即將數(shù)據(jù)發(fā)送端直接將所需的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到對應的數(shù)據(jù)接收端。例如,0號節(jié)點需要將名為ff的數(shù)據(jù)傳遞給1號節(jié)點,其語法如下(VC++6.0下):
發(fā)送方(0號節(jié)點):
……
retstatus=RFM2gWrite(rh,1,(void *)ff,sizeof(float)*9);
……
接收方(1號節(jié)點):
……
retstatus=RFM2gRead(rh,1,(void *)ff,sizeof(float)*9);
……
此種方式在數(shù)據(jù)量大的時候,會引起溢出,無法保證同一幀數(shù)據(jù)的完整性,另外,當一段數(shù)據(jù)為多個節(jié)點同時需要時,此種方法就不夠方便。因此,目前常用的方式是將反射內(nèi)存空間進行分配。
反射內(nèi)存地址空間分配是通過軟件接口控制文件定義好所有須使用內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)變量地址,同類數(shù)據(jù)連續(xù)分配地址單元,以便其它節(jié)點的計算機可以用直接內(nèi)存訪問方式一次性快速讀取大量數(shù)據(jù)。同時,由于節(jié)點上的計算機在某個時刻寫到某一內(nèi)存地址段的多個數(shù)據(jù)會在下一仿真周期以新的結(jié)果刷新此段數(shù)據(jù),為了保證其它計算機節(jié)點讀到該地址段幀的數(shù)據(jù)是同一幀的數(shù)據(jù),需為這段數(shù)據(jù)定義專門的地址單元標志該段數(shù)據(jù)的讀寫狀態(tài)。用此種方式時,可利用如下句子進行操作(VC++6.0下):
數(shù)據(jù)寫入節(jié)點:
……
retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500, (void *)ff,sizeof(float)*9);
……
數(shù)據(jù)讀取節(jié)點:
……
retstatus=RFM2gRead(rh,0x500,
(void *)ff,sizeof(float)*9);
……
數(shù)據(jù)寫入節(jié)點只需將ff數(shù)據(jù)寫入到固定的地址(0X500),需要用到此段數(shù)據(jù)的節(jié)點均可到該地址進行讀寫,此種方式下,發(fā)送法不需關注接受方,而只需按照事先約好的數(shù)據(jù)存儲地址寫入即可,同樣,接受方也是如此。
2.3 地址空間分配時的注意事項
在反射內(nèi)存空間地址分配時,須注意所分配的空間應大于所需傳遞的數(shù)據(jù)長度并有一定的余量,應按照單個數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)個數(shù)來進行仔細計算所需的存儲空間。
在地址空間分配及實時通訊過程中,應有的數(shù)據(jù)記錄空間和節(jié)點,做好試驗狀態(tài)和實驗結(jié)果的記錄。同時在每次仿真開始前應清空射內(nèi)存中原有的數(shù)據(jù),以防造成誤操作,從而對仿真設備造成損壞。
3 在VC++下的實時通訊協(xié)議設計
在VC++下利用反射內(nèi)存網(wǎng)實現(xiàn)實時通訊之前,要進行驅(qū)動安裝與環(huán)境變量設置。具體內(nèi)容見參考文獻[4]。設置完成后,方可進行相關操作。在筆者完成的實時系統(tǒng)中,采用VC環(huán)消息Message方式進行傳遞進行。首先是完成頭文件加載與反射內(nèi)存卡打開并使之處于使能狀態(tài),隨后是等待觸發(fā)。按照反射內(nèi)存統(tǒng)一編址方式進行通訊協(xié)議設計,具體如下。
3.1 反射內(nèi)存卡初始化及使能
在VC++環(huán)境下,首先要完成反射內(nèi)存卡的頭文家加載與發(fā)射內(nèi)存卡打開及使能,參考代碼如下:
#Include "rfm2g.h"http://反射內(nèi)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 );
} //判斷是否打開成功
retstatus=RFM2gEnableEvent(rh,RFM2GEVENT_INTR1); //使能反射內(nèi)存卡,等待時間觸發(fā);
……
}
3.2 發(fā)送接受協(xié)議
初始化完成后,通訊開始。為了確保數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)恼_性,數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收雙方需要握手協(xié)議。這一點在牽扯到仿真設備初始化的半實物仿真過程中尤為重要。設發(fā)送方在0X500地址處寫入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處寫入RX=1。當發(fā)送方收到RX并確認為RX=1時,正式數(shù)據(jù)開始發(fā)送,實時仿真開始。雙方具體操作如下。
3.2.1發(fā)送操作
發(fā)送方首*行握手信號發(fā)送,等待應答成功后,開始發(fā)送數(shù)據(jù)。仿真過程結(jié)束后發(fā)送TX=2,通知接收方通訊完成,待到對方應答后,關閉反射內(nèi)存,實時通訊結(jié)束。
以發(fā)送名為ff數(shù)據(jù)至0X500為例,整個通訊過程參考代碼如下:
……
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);//關閉使能反射內(nèi)存;
RFM2gClose(&rh);//關閉反射內(nèi)存;
}//仿真過程結(jié)束,關閉反射內(nèi)存
……
3.2.2 接受操作
接受操作類似于發(fā)送操作,只需要在初始化完成后,有一個等待事件觸發(fā)的命令即可。當收到事件觸發(fā)后,即從0X500處讀入數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù),當收到的數(shù)據(jù)同預設一致時,發(fā)送應答信號至0X510,并準備接受數(shù)據(jù)。當接受到數(shù)據(jù)為Tx=2時,即返回RX=2并停止使能反射內(nèi)存卡,關閉反射內(nèi)存卡,通訊結(jié)束。等待觸發(fā)的代碼如下,其他類似于發(fā)送方。
……
RFM2gClear(&rh);
retstatus=RFM2gWaitForEvent(rh,&info);
……
retstatus=RFM2gDisableEvent(rh,RFM2GEVENT_INTR1);//關閉使能反射內(nèi)存;
RFM2gClose(&rh);//關閉反射內(nèi)存;
}//仿真過程結(jié)束,關閉反射內(nèi)存
……
利用上述方法即可實現(xiàn)實時通訊過程。
4 在Windows下實現(xiàn)實時通訊
由于Windows是多任務操作系統(tǒng),因此常見的實時系統(tǒng)常采用DOS等單任務系統(tǒng),或者是購買RTW模塊并實現(xiàn)Windows下的實時性設計。但是,在實時性要求不是很高的情況下(仿真步長>0.5ms)時,可以通過提高進程優(yōu)先級并強制關閉其他進程的方法來實現(xiàn)強實時計算。同時,可以通過獲取計算機機器時間并以此來進行仿真步長的準確定時。采用此方法,可有效地實現(xiàn)各個節(jié)點的時間統(tǒng)一管理,可有效地提高系統(tǒng)的實時性。在實際使用過程中,仿真步長可根據(jù)整個系統(tǒng)的單步計算、控制的耗時情況以及仿真對象的實際情況進行選擇,并選擇合適的方式(中斷、查詢)來實現(xiàn)仿真周期的準確定時。
筆者完成的實時系統(tǒng)設計中,通過查詢方式并采用死循環(huán)的形式,實現(xiàn)了仿真周期為0.5毫秒的半實物仿真。實際測試(測試環(huán)境:CPUP4 2.8GHZ 512M)統(tǒng)計結(jié)果表明,在采用實時處理以后,完成一步計算幀周期定時誤差大為1.2毫秒,采用實時處理以后,平均幀誤差在30微妙,大為130微妙。采用實時處理后的反射內(nèi)存網(wǎng)兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸時間誤差均值小于80微妙,大值小于200微妙。經(jīng)過任務優(yōu)先級調(diào)整后的仿真進程受操作系統(tǒng)影響較小,在所得到的測試結(jié)果中,99%在40-50微妙以內(nèi),大值不超過130微妙,實時網(wǎng)數(shù)據(jù)延時大值不超過150微妙,*仿真步長在0.5毫秒以上的系統(tǒng)仿真任務。
5 小結(jié)
本文主要介紹了基于反射內(nèi)存卡的實時網(wǎng)絡系統(tǒng)設計方法,并給出了具體的通訊協(xié)議及注意事項,同時,就如何在Windows系統(tǒng)下實現(xiàn)實時通訊進行了簡要介紹。利用該方法設計的實時系統(tǒng)已在某半實物仿真實驗室中應用,經(jīng)驗證,該系統(tǒng)具有通信實時性好,數(shù)據(jù)傳輸速度快,傳輸可靠性高的特點,滿足實時仿真需要,取得了良好的效果,被實踐證明是一種成熟、有效的方法。
參考文獻:
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