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個獨立的進程，每個進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)方案可以達到構(gòu)建基于Windows的分布式實時仿真系統(tǒng)的目的。
2．3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    基于RTX的反射內(nèi)存網(wǎng)有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為環(huán)形結(jié)構(gòu)和星形結(jié)構(gòu)，如圖2，圖3所示。

2．4 與傳統(tǒng)Windows下反射內(nèi)存網(wǎng)的性能比較
    表1是在Windows環(huán)境和RTX環(huán)境下的測試結(jié)果。

    以上結(jié)果是在PentiumⅣ2．8 GHz雙核CPU的Pc上，基于VMIC-5565反射內(nèi)存卡，RTX獨占一個CPU核，數(shù)據(jù)發(fā)送出去，再收回來采用中斷傳輸方式的測試結(jié)果，即以上數(shù)據(jù)除以2為單次數(shù)據(jù)發(fā)送的結(jié)果。

    圖4～圖8分別是在Windows環(huán)境和RTX環(huán)境下，通過實時網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時所需時間的圖表。

3 構(gòu)建分布式實時仿真系統(tǒng)
3．1 RTX下的RT-TCP／IP簡介
    通過RTSS子系統(tǒng)(Real-time Subsystem)對底層網(wǎng)卡的實時支持，RTX在RTSS子系統(tǒng)中建立獨立的TCP／IP協(xié)議棧。為實現(xiàn)更好的實時性能，RTX對TCP／IP協(xié)議棧作了部分修改，同時對數(shù)據(jù)包大小進行了限制，使其更加適合于實時數(shù)據(jù)傳輸。RTX將TCP／P協(xié)議的實現(xiàn)和硬件的操作集成在網(wǎng)卡的實時驅(qū)動中，用戶無需加載額外的鏈接庫。通過底層的封裝機制，程序員在編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序時可直接使用Windows Socket 1．1和2．0。

3．2 基于以太網(wǎng)的令牌環(huán)網(wǎng)原理
    令牌環(huán)(Token Ring)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個環(huán)的形狀。環(huán)上有多個節(jié)點逐次相連，相鄰節(jié)點之間是點對點的鏈路。令牌環(huán)網(wǎng)與普通以太網(wǎng)的不同體現(xiàn)在兩個方面：(1)它是一種順次向下一站傳送的LAN，與廣播方式的以太網(wǎng)不同。(2)令牌環(huán)網(wǎng)可以在負(fù)載較大的情況下實現(xiàn)確定性的響應(yīng)時間。
    令牌環(huán)網(wǎng)下面的各個節(jié)點，按照標(biāo)準(zhǔn)方式連接在以太網(wǎng)下，通過軟件實現(xiàn)的令牌環(huán)將其組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為令牌環(huán)網(wǎng)的LAN。其中令牌環(huán)是一種特殊標(biāo)示的數(shù)據(jù)包，只有當(dāng)節(jié)點接收到這種數(shù)據(jù)包時才能發(fā)送數(shù)據(jù)。
    令牌環(huán)網(wǎng)不同于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，其數(shù)據(jù)傳輸具有確定性。在以太網(wǎng)上實現(xiàn)令牌環(huán)網(wǎng)，可以在一定程度加大系統(tǒng)平均響應(yīng)時間的基礎(chǔ)上，減少系統(tǒng)的最壞響應(yīng)延遲，為基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸提供確定性保證。

    標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸之所以不確定的原因在于網(wǎng)絡(luò)本身并不能控制當(dāng)前發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點數(shù)量，當(dāng)大量節(jié)點要求發(fā)送數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會出現(xiàn)擁堵，網(wǎng)絡(luò)仲裁會延遲其中某些節(jié)點的數(shù)據(jù)包發(fā)送行為，從而造成不確定的數(shù)據(jù)延遲。
    采用令牌環(huán)的以太網(wǎng)架構(gòu)，由于在軟件層實現(xiàn)了令牌環(huán)的架構(gòu)，使得在任一瞬間最多只有一個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包，人為避免了數(shù)據(jù)沖突的檢測重發(fā)。從而以增大平均數(shù)據(jù)響應(yīng)時間為代價降低了系統(tǒng)在最壞情況下的數(shù)據(jù)響應(yīng)時間。
3．3 基于RTX的令牌環(huán)網(wǎng)的測試
    測試環(huán)境使用百兆以太網(wǎng)卡進行測試，在RTX實時網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行令牌網(wǎng)循環(huán)測試，實驗采用3臺主機，IP地址分別為192．168．1．51(A)，192．168．1．52(B)，192．168．1．53(C)，測試時各采集10 000個數(shù)據(jù)進行采樣分析，測試結(jié)果如表2所示，單位s：設(shè)IP地址為192．168．1．51的主機為A主機，地址為192．168．1．52的主機為B主機，地址為192．168．1．53的主機為C主機。

    將采集到的數(shù)據(jù)在Matlab中制作成散點圖的形式，如圖11所示。

4 結(jié)束語
    由上述反射內(nèi)存網(wǎng)及令牌環(huán)網(wǎng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和圖表可以看出，使用基于RTX的反射內(nèi)存網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)進行實時數(shù)據(jù)的傳輸，可以使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和確定性，得到進一步提高，從而滿足在Windows系統(tǒng)上進行實時仿真的需要。在仿真周期為毫秒級，傳輸數(shù)據(jù)量不大的情況下，可以使用基于以太網(wǎng)的令牌環(huán)網(wǎng)；在仿真周期接近1 ms，甚至為μs級時，并且傳輸數(shù)據(jù)量較大的情況下，可以使用基于RTX的反射內(nèi)存方案。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，為具有不同要求的分布式仿真提供了靈活可靠的選擇。