基于Windows平臺的分布式實(shí)時(shí)仿真系統

摘要 通過(guò)介紹基于Windows的實(shí)時(shí)擴展子系統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。并比較了兩種架構與傳統Windows方案在實(shí)時(shí)性能上的差別。兩種方案在滿(mǎn)足分布式仿真系統實(shí)時(shí)性要求的基礎上，能為不同要求的仿真提供靈活可靠的選擇。
關(guān)鍵詞 RTX；反射內存網(wǎng)；令牌環(huán)網(wǎng)；實(shí)時(shí)；分布式仿真

基于Windows的分布式仿真系統當前面臨的最大問(wèn)題，在于如何提高分布式網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性能。其內容主要有兩方面：(1)如何最大限度的提高網(wǎng)絡(luò )傳輸性能，使數據盡可能的快速傳輸。(2)如何在盡可能小的影響傳輸性能的基礎上，滿(mǎn)足分布式系統數據傳輸確定性的需要。也即如何降低數據傳輸的平均延遲和最壞情況下的延遲兩方面的內容。
將RTX實(shí)時(shí)擴展子系統的技術(shù)引入Windows操作系統，不僅可將Windows改造成一個(gè)確定響應的硬實(shí)時(shí)操作系統，同時(shí)可以改造基于Windows平臺的以太網(wǎng)及反射內存網(wǎng)的應用。實(shí)現在分布式仿真系統中數據傳輸的快速性以及確定性的指標，達到構建基于Windows的分布式實(shí)時(shí)仿真系統的目的。
針對以太網(wǎng)和反射內存網(wǎng)，提出了基于RTX的實(shí)時(shí)數據傳輸的改造方案，使得以上兩種方案都可以在Windows平臺上實(shí)現確定傳輸的能力，從而可以構建基于Windows平臺的分布式仿真系統，以滿(mǎn)足不同客戶(hù)對于實(shí)時(shí)響應的不同需要。

1 RTX-基于Windows的實(shí)時(shí)擴展子系統
1．1 RTX實(shí)時(shí)擴展子系統簡(jiǎn)介
RTX是Ardence公司研發(fā)的基于Windows的實(shí)時(shí)擴展子系統。是目前Windows平臺最優(yōu)秀的純軟件實(shí)時(shí)解決方案。RTX通過(guò)在Windows硬件抽象層增加實(shí)時(shí)擴展實(shí)現基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)任務(wù)管理和調度。使得整個(gè)Windows任務(wù)體系變成了RTX子系統下優(yōu)先級最低的任務(wù)。
1．2 RTX實(shí)時(shí)擴展子系統架構
圖1為RTX實(shí)時(shí)擴展子系統架構。

RTX被設計為Windows上的一個(gè)實(shí)時(shí)擴展子系統，其本身并不是一個(gè)獨立的操作系統。它提供了對IRQ、I／O和內存的精確控制，以確保實(shí)時(shí)任務(wù)執行時(shí)具有100％的可靠性。由于其操作均在Ring 0級實(shí)現，可以在保證性能的基礎上實(shí)現最少的配置操作。同時(shí)RTX還支持30 kHz的持續中斷觸發(fā)速度，最大IST延遲16 μs。
RTX與Windows操作系統無(wú)縫兼容，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。作為一個(gè)完全的Windows擴展系統，RTX并不對Windows系統架構作任何封裝和修改。
RTX子系統(RTSS，Real-time Sub-system)擁有精確高速的任務(wù)調度器，同時(shí)支持基于優(yōu)先級和時(shí)間片輪詢(xún)兩種調度算法。RTX最高支持1 000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 ns～2μs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。選用適合的時(shí)鐘，RTX的時(shí)鐘分辨率可達到100 ns，并且不會(huì )產(chǎn)生任何漂移現象。

2 構建分布式實(shí)時(shí)仿真系統
2．1 反射內存網(wǎng)工作原理
反射內存網(wǎng)主要由反射內存卡通過(guò)光纖等傳輸介質(zhì)連接而成。反射內存卡是一組雙口內存板。每個(gè)反射內存卡都占有一段內存地址，網(wǎng)上任何計算機向本地反射內存卡寫(xiě)數據時(shí)，該數據和相應的內存地址將被反射到網(wǎng)上所有其他反射內存卡，并存儲在相同的位置。計算機將數據寫(xiě)入其本地反射內存卡后，板上的高速邏輯會(huì )自動(dòng)將此數據連同地址送到網(wǎng)上的其他反射內存卡板上，數據傳遞完全由硬件驅動(dòng)，不需要CPU干預，結果網(wǎng)上的下一結點(diǎn)在400 ns內就會(huì )在相同地址處有相同數據。
當數據存儲到反射內存卡時(shí)，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，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。由于CPU對反射內存操作如同讀寫(xiě)標準的RAM，且反射內存的數據更新是通過(guò)硬件實(shí)現的，因此其網(wǎng)絡(luò )延遲極小。
2．2 使用RTX技術(shù)改造反射內存網(wǎng)
反射內存卡有兩種工作方式：中斷或查詢(xún)。在基于Windows操作系統的分布式實(shí)時(shí)仿真中，通常使用查詢(xún)方式。
由于Windows操作系統并不具有確定性的響應機制，不能保證立刻響應外部中斷，如果Windows系統繁忙，對中斷響應的處理速度會(huì )顯著(zhù)變慢，從而大大增加處理中斷的延遲時(shí)間。從仿真的穩定性考慮，不宜采用中斷方式。因此，傳統的在Windows環(huán)境下使用反射內存卡時(shí)，普遍采用基于定時(shí)器的查詢(xún)方式。然而這種不間斷的查詢(xún)方式，占用了大量的系統資源，Windows幾乎無(wú)法進(jìn)行其他操作，用戶(hù)界面響應很慢，
從而影響了仿真用戶(hù)的使用。同時(shí)，這種方法由于放棄了響應速度較快的中斷處理方式，犧牲了反射內存網(wǎng)硬件本身的良好性能，使其在Windows操作系統中，不能達到比較理想的數據傳輸指標。而RTX由于其對外設和中斷處理的確定性，可以在保證Windows操作系統正常響應的基礎上，實(shí)時(shí)地處理反射內存卡的中斷響應。因此，采用基于RTX的反射內存網(wǎng)方案可以達到構建基于Windows的分布式實(shí)時(shí)仿真系統的目的。