基于Windows平臺的分布式實時仿真系統

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

基于Windows的分布式仿真系統當前面臨的最大問題，在于如何提高分布式網絡的實時性能。其內容主要有兩方面：(1)如何最大限度的提高網絡傳輸性能，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實時擴展子系統的技術引入Windows操作系統，不僅可將Windows改造成一個確定響應的硬實時操作系統，同時可以改造基于Windows平臺的以太網及反射內存網的應用。實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的分布式實時仿真系統的目的。
針對以太網和反射內存網，提出了基于RTX的實時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，以滿足不同客戶對于實時響應的不同需要。

1 RTX-基于Windows的實時擴展子系統
1．1 RTX實時擴展子系統簡介
RTX是Ardence公司研發(fā)的基于Windows的實時擴展子系統。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基于優(yōu)先級的搶占式實時任務管理和調度。使得整個Windows任務體系變成了RTX子系統下優(yōu)先級最低的任務。
1．2 RTX實時擴展子系統架構
圖1為RTX實時擴展子系統架構。

RTX被設計為Windows上的一個實時擴展子系統，其本身并不是一個獨立的操作系統。它提供了對IRQ、I／O和內存的精確控制，以確保實時任務執(zhí)行時具有100％的可靠性。由于其操作均在Ring 0級實現，可以在保證性能的基礎上實現最少的配置操作。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操作系統無縫兼容，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調度器，同時支持基于優(yōu)先級和時間片輪詢兩種調度算法。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調度器可以確保線程切換時間保持在500 ns～2μs之間。通過應用高速的IPC信息和同步機制，RTX可以實現和Windows之間的數據通訊。選用適合的時鐘，RTX的時鐘分辨率可達到100 ns，并且不會產生任何漂移現象。

2 構建分布式實時仿真系統
2．1 反射內存網工作原理
反射內存網主要由反射內存卡通過光纖等傳輸介質連接而成。反射內存卡是一組雙口內存板。每個反射內存卡都占有一段內存地址，網上任何計算機向本地反射內存卡寫數據時，該數據和相應的內存地址將被反射到網上所有其他反射內存卡，并存儲在相同的位置。計算機將數據寫入其本地反射內存卡后，板上的高速邏輯會自動將此數據連同地址送到網上的其他反射內存卡板上，數據傳遞完全由硬件驅動，不需要CPU干預，結果網上的下一結點在400 ns內就會在相同地址處有相同數據。
當數據存儲到反射內存卡時，反射內存卡可看成是由網上所有結點共享的單元內存，不存在訪問限制與仲裁，每個結點就像訪問本地內存一樣，實現了結點間的數據共享。由于CPU對反射內存操作如同讀寫標準的RAM，且反射內存的數據更新是通過硬件實現的，因此其網絡延遲極小。
2．2 使用RTX技術改造反射內存網
反射內存卡有兩種工作方式：中斷或查詢。在基于Windows操作系統的分布式實時仿真中，通常使用查詢方式。
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，傳統的在Windows環(huán)境下使用反射內存卡時，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，占用了大量的系統資源，Windows幾乎無法進行其他操作，用戶界面響應很慢，
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速度較快的中斷處理方式，犧牲了反射內存網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，實時地處理反射內存卡的中斷響應。因此，采用基于RTX的反射內存網方案可以達到構建基于Windows的分布式實時仿真系統的目的。