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摘 要 介紹了反射內(nèi)存網(wǎng)的工作原理及在某半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用。結(jié)合該仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能要求，詳細(xì)討論了一種適用的反射內(nèi)存通信協(xié)議的設(shè)計(jì)方案。該通信協(xié)議已經(jīng)成功應(yīng)用于某半實(shí)物仿真系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò), 半實(shí)物仿真, 反射內(nèi)存網(wǎng) GEPCI5565 反射內(nèi)存卡 反射內(nèi)存卡價(jià)格 反射內(nèi)存出售
1 引 言
半實(shí)物仿真又稱為硬件在回路中仿真(Hardware-in-the-loop,簡稱HIL)，是一種在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型的仿真。它通過聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各仿真機(jī)連接在一起，以保證節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳遞。實(shí)時(shí)性是半實(shí)物仿真的基本要求。
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如以太網(wǎng)、FDDI等在實(shí)時(shí)應(yīng)用中存在以下幾方面的缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸速率不高；在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸延遲較大，且延遲具有不可預(yù)期性；網(wǎng)絡(luò)通信需要借助許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來完成，降低了通信效率[2]。
反射內(nèi)存網(wǎng)（Reflective memory network）是一種基于高速網(wǎng)絡(luò)的共享存儲(chǔ)器技術(shù)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，它除了具有嚴(yán)格的傳輸確定性和可預(yù)測(cè)性外，還具有速度高、通信協(xié)議簡單、宿主機(jī)負(fù)載輕、軟硬件平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)、支持中斷信號(hào)的傳輸?shù)忍攸c(diǎn)[5]。在本系統(tǒng)中，仿真的幀周期為ms級(jí)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法滿足系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性要求，所以采用VMIC公司的支持PCI總線的反射內(nèi)存卡(Reflective memory)VMIPCI-5565組建實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。
2 反射內(nèi)存網(wǎng)工作原理
反射內(nèi)存網(wǎng)主要是由反射內(nèi)存板通過光纖等傳輸介質(zhì)連接而成的。每個(gè)反射內(nèi)存板都占有一段內(nèi)存地址，網(wǎng)上任何計(jì)算機(jī)向本地反射內(nèi)存板寫數(shù)據(jù)時(shí)，該數(shù)據(jù)和相應(yīng)的內(nèi)存地址將被廣播到網(wǎng)上所有其他反射內(nèi)存板并存儲(chǔ)在相同的位置[2]。于是，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)寫入其本地反射內(nèi)存板后，在極短的時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)上所有計(jì)算機(jī)的CPU都可以訪問這個(gè)新數(shù)據(jù)。由于反射內(nèi)存使用簡單的讀寫方式，對(duì)CPU來說就相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)的RAM，而且反射內(nèi)存的數(shù)據(jù)更新是通過硬件操作實(shí)現(xiàn)的，其網(wǎng)絡(luò)延遲僅是仿真結(jié)點(diǎn)數(shù)n和所用帶寬比例B%的函數(shù)，有:τ=f(n，B%)[3]，網(wǎng)絡(luò)延遲大大減小，保證了實(shí)時(shí)性。
3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)概述
3.1 組成及功能
圖１ 某通信對(duì)抗半實(shí)物分布式仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
該系統(tǒng)分為數(shù)字仿真和實(shí)時(shí)仿真兩部分。數(shù)字仿真由仿真管理與控制仿真機(jī)、數(shù)據(jù)庫、效能評(píng)估工作站及視景仿真機(jī)通過1000M以太網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)完成仿真數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示及效能評(píng)估功能。實(shí)時(shí)仿真由仿真管理、控制仿真機(jī)與四臺(tái)實(shí)物及實(shí)物仿真機(jī)組成，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真功能；其中，實(shí)物通過接口處理卡與實(shí)物仿真機(jī)相連，各仿真機(jī)之間通過反射內(nèi)存網(wǎng)進(jìn)行仿真命令、仿真參數(shù)及實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)的傳輸。
3.2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真工作過程
當(dāng)實(shí)時(shí)仿真開始，仿真管理與控制仿真機(jī)根據(jù)不同的仿真階段，向?qū)嵨锓抡鏅C(jī)發(fā)送不同的仿真參數(shù)，并通過發(fā)送命令來控制仿真機(jī)進(jìn)行參數(shù)加載工作；各實(shí)物仿真機(jī)在加載參數(shù)后，每隔100ms向仿真管理與控制仿真機(jī)發(fā)送一次實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，并由仿真管理與控制仿真機(jī)分發(fā)給數(shù)字仿真的各節(jié)點(diǎn)。
4 反射內(nèi)存網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)方案
根據(jù)系統(tǒng)的功能及實(shí)時(shí)仿真工作過程，反射內(nèi)存網(wǎng)協(xié)議可分為兩個(gè)部分：命令通信協(xié)議和實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。
4.1 命令通信協(xié)議
主要傳輸仿真管理與控制仿真機(jī)的各項(xiàng)命令給實(shí)物仿真機(jī)，以實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，包括初始化、仿真開始/暫停/恢復(fù)/停止，參數(shù)加載、偵查干擾等。
命令通信分為兩種。第一種為帶參數(shù)命令通信，即發(fā)送方先將該命令所需參數(shù)寫入RFM的命令參數(shù)區(qū)，然后發(fā)送命令；接收方收到命令后，到相應(yīng)參數(shù)區(qū)域獲取數(shù)據(jù)。如“想定參數(shù)加載”命令，先向命令參數(shù)區(qū)寫入作戰(zhàn)想定參數(shù)，再發(fā)送該命令；接收方收到命令后，到想定參數(shù)區(qū)讀取數(shù)據(jù)。第二種為無參數(shù)命令通信，即不寫參數(shù)直接發(fā)送命令，如“仿真暫停/恢復(fù)”命令。下面主要討論命令的發(fā)送和接收過程。
4.1.1 通信流程設(shè)計(jì)
由于系統(tǒng)的仿真命令有時(shí)需要連續(xù)發(fā)送，所以，必須確認(rèn)接收方已正確收到該命令，才能發(fā)送下一條命令。根據(jù)這種情況，采用1byte（8位）表示命令類型（即最多可以表示2×8 - 1 = 255個(gè)命令），并為發(fā)送方設(shè)置一個(gè)發(fā)送標(biāo)志位Status_Send（1byte）用以寫入命令，一個(gè)回復(fù)標(biāo)志位Status_Reply（1byte）用來察看接收方的回復(fù)。其中，寫入命令采用RFM提供的Poke函數(shù)，查詢命令采用Peek函數(shù)。發(fā)送命令和接收命令的流程如圖2所示：
圖２ 反射內(nèi)存網(wǎng)命令發(fā)送和接收流程圖
發(fā)送命令流程：發(fā)送方向Status_Send寫入命令值，并不斷查詢Status_Reply。當(dāng)查詢到同樣的命令值時(shí)，表示接收方已經(jīng)正確收到發(fā)送方命令；當(dāng)查詢到與發(fā)送不同的命令值時(shí)，表示接收方?jīng)]有正確接收到命令；當(dāng)查詢時(shí)間大于1s時(shí)，表示接收方?jīng)]有收到命令；然后發(fā)送方復(fù)位Status_Reply為0。
接收命令流程：接收方獲知有命令后，從Status_Send讀取命令值，并將該命令值寫入Status_Reply，同時(shí)復(fù)位Status_Send為0。
4.1.2 傳輸方式
接收方獲知命令有兩種方式：①中斷方式，即發(fā)送方寫入命令值后，發(fā)送中斷SendEvent；接收方響應(yīng)中斷CallEvent，到Status_Send讀取命令。②查詢方式，即接收方定時(shí)查詢Status_Send，當(dāng)Status_Send等于0為無命令狀態(tài)，不等于0為有命令狀態(tài)。
查詢標(biāo)志區(qū)也存在兩種方式：while循環(huán)查詢和1ms多媒體定時(shí)器查詢。
根據(jù)傳輸方式的不同，我們?cè)O(shè)計(jì)了4種方案：
●方案一：發(fā)送方寫入(Poke)命令值，發(fā)送中斷SendEvent，用while查詢(Peek) Status_Reply；接收方響應(yīng)中斷CallEvent。
●方案二：發(fā)送方寫入(Poke)命令值，用1msTimer查詢Status_Reply；接收方用1msTimer查詢(Peek)Status_Send。
●方案三：發(fā)送方寫入(Poke)命令值，用while查詢Status_Reply；接收方用1msTimer查詢(Peek)Status_Send。
●方案四：發(fā)送方寫入(Poke)命令值，用while查詢Status_Reply；接收方用while查詢(Peek)Status_Send。
4種方案的性能測(cè)試結(jié)果見表1。
測(cè)試結(jié)果分析：
根據(jù)表1所給出的測(cè)試結(jié)果，方案一的單次通信時(shí)間最短，但平均時(shí)間較大，原因是當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行其他操作時(shí)，RFM中斷響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)并不是Windows系統(tǒng)中的最高級(jí)，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)該中斷響應(yīng)處理較慢。從仿真的穩(wěn)定性考慮，不宜采用該方案。方案四單次通信時(shí)間和平均時(shí)間最為穩(wěn)定，但測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，接收方采用while循環(huán)方式查詢RFM，即使程序創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的線程來完成該接收工作，占用的系統(tǒng)資源也是很大的，系統(tǒng)幾乎無法進(jìn)行其他操作，用戶界面響應(yīng)很慢。從系統(tǒng)資源考慮，不宜采用該方案。根據(jù)方案二和方案三的時(shí)間對(duì)比，宜采用較為穩(wěn)定的方案三作為本系統(tǒng)的命令通信協(xié)議。
4.2 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)
主要傳輸各實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)給仿真管理與控制仿真機(jī)。
如果按帶參數(shù)命令方式進(jìn)行發(fā)送，即寫入仿真數(shù)據(jù)后發(fā)送命令通知仿真管理與控制仿真機(jī)，則需要3~4(ms)× 4(臺(tái)) = 12~16(ms)的時(shí)間完成數(shù)據(jù)接收過程，而本系統(tǒng)要求仿真的幀周期小于10ms，無法達(dá)到性能指標(biāo)。
根據(jù)各仿真機(jī)所傳數(shù)據(jù)量不大的特點(diǎn)，采用一種在反射內(nèi)存卡上設(shè)置數(shù)據(jù)緩存區(qū)的方法，即通過改變偏移地址將一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)增加為多個(gè)(N個(gè))相同的數(shù)據(jù)區(qū)，每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)都設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)志位Data_Flag_N。當(dāng)Data_Flag_ N為0時(shí)，表示該數(shù)據(jù)區(qū)為空，即沒有數(shù)據(jù)可以被讀�。划�(dāng)Data_Flag_ N為1時(shí)，表示該數(shù)據(jù)區(qū)已寫完，可以被讀取。仿真開始后，發(fā)送方開啟100ms定時(shí)器，按照從1到N的順序向緩存區(qū)寫入數(shù)據(jù)，并置位Data_Flag_ N = 1；接收方開啟50ms定時(shí)器，按照同樣的順序查詢Data_Flag_ N，當(dāng)Data_Flag_ N = 1時(shí)讀取第N個(gè)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)，并復(fù)位Data_Flag_ N為0。
由于該協(xié)議減少了雙方通信握手的復(fù)雜度，而反射內(nèi)存卡的讀寫操作時(shí)間約為1ms，實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)傳輸只需要1~2(ms)× 4(臺(tái)) = 4~8(ms)即可完成，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠滿足本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。
5 小 結(jié)
本文根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和性能指標(biāo)，為反射內(nèi)存網(wǎng)提出了一種采用查看命令回復(fù)的命令通信協(xié)議和采用讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。該協(xié)議簡單明了、易于編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有很好的擴(kuò)展性，在本仿真系統(tǒng)中已得到很好的驗(yàn)證。
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