在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)地傳輸、操作和分析數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上作出相應(yīng)的控制，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是半實(shí)物仿真系統(tǒng)中必不可少技術(shù)之一。基于反射內(nèi)存的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前已發(fā)展較為成熟的一種性能優(yōu)異、概念新穎的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。相對(duì)于以往基于TCP/IP或UDP/IP實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來說，它極大的提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊、數(shù)據(jù)反射和信號(hào)調(diào)試的能力，使分布式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單。本文介紹了基于VMI-5565反射內(nèi)存卡組建實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的方法，并就利用VC++6.0實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊進(jìn)行了研究。

反射內(nèi)存光纖網(wǎng)絡(luò)采用了先進(jìn)特殊的技術(shù),具備了很強(qiáng)的支持分布實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力[2]。在每個(gè)需要實(shí)時(shí)通訊的節(jié)點(diǎn)上插入反射內(nèi)存網(wǎng)卡(節(jié)點(diǎn)卡),每塊節(jié)點(diǎn)卡都有自己獨(dú)立的局部?jī)?nèi)存,它通過局部?jī)?nèi)存映射將網(wǎng)卡上的局部?jī)?nèi)存映射到主機(jī)內(nèi)存,用戶讀寫網(wǎng)卡上的數(shù)據(jù)就如同讀寫主機(jī)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(luò)內(nèi)存映射,將分布節(jié)點(diǎn)卡上的局部?jī)?nèi)存映射到一個(gè)虛擬的全局內(nèi)存,即每個(gè)節(jié)點(diǎn)在寫入本地節(jié)點(diǎn)卡的數(shù)據(jù)同時(shí)也寫入所有其他節(jié)點(diǎn)卡的內(nèi)存。這樣,用戶對(duì)本地節(jié)點(diǎn)內(nèi)存的讀寫相當(dāng)于對(duì)全局內(nèi)存進(jìn)行讀寫,而這個(gè)全局內(nèi)存是所有分布節(jié)點(diǎn)都可見反射的,從而實(shí)現(xiàn)分布節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通訊[3]。通過這種方式,所有的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。

1.2??VMI-5565實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品簡(jiǎn)介

VMI-5565反射內(nèi)存產(chǎn)品是美國(guó)VMIC公司于本世紀(jì)初推出的網(wǎng)絡(luò)通訊產(chǎn)品系列。其特點(diǎn)是通過驅(qū)動(dòng)軟件寫到某一個(gè)節(jié)點(diǎn)反射內(nèi)存板上某一地址單元的數(shù)據(jù)，可同時(shí)通過HUB自動(dòng)映射寫到實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)的反射內(nèi)存板上的對(duì)應(yīng)地址單元。同時(shí)，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(shè)置在網(wǎng)絡(luò)上的唯一ID號(hào)。其技術(shù)性能指標(biāo)如下：

(1).實(shí)時(shí)性能：數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)47.1Mbyte/s到174Mbyte/s；

(2). 負(fù)載能力：通過選用兩種不同型號(hào)的反射內(nèi)存板，具有64M字節(jié)至128M字節(jié)的可選負(fù)載能力；

(3). 傳輸距離：支持10km長(zhǎng)度的単模光纖300m長(zhǎng)度的多模光纖；

(4). 擴(kuò)展性：単個(gè)HUB支持8個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過級(jí)聯(lián)HUB，最多可支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3 基于反射內(nèi)存的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jiǎn)單。下面以三個(gè)節(jié)點(diǎn)為例，簡(jiǎn)單說明環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)過程。三個(gè)節(jié)點(diǎn)需要三塊VMI5565卡及3根單股光纖。首先將三塊卡進(jìn)行統(tǒng)一編址，分別為節(jié)點(diǎn)0、節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2，并將其插入到對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)中，具體編址方式見2.1節(jié)。將節(jié)點(diǎn)0的反射內(nèi)存卡的RX端與將節(jié)點(diǎn)1的反射內(nèi)存卡的TX端連接，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)1的RX端與T節(jié)點(diǎn)2的TX端連接，節(jié)點(diǎn)2的RX與節(jié)點(diǎn)0的TX連接，如圖1所示：

圖1環(huán)形拓?fù)鋵?shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)示意圖

環(huán)形結(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡(jiǎn)單，但是在使用的時(shí)候，必須將所有的節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)全部打開才能進(jìn)行通訊，在節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，使用不方便，且容易造成因人為失誤而導(dǎo)致仿真試驗(yàn)失敗的情況。

星型實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)HUB和實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)卡組成。安裝了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)卡的計(jì)算機(jī)通過光纖連接在HUB上。HUB提供了一個(gè)共享內(nèi)存空間，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在本地都有一個(gè)該共享內(nèi)存空間的映射。當(dāng)任意一個(gè)實(shí)時(shí)處理機(jī)在本地節(jié)點(diǎn)卡的內(nèi)存空間中操作時(shí)，HUB內(nèi)共享內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)就會(huì)被更新。同時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)上的共享內(nèi)存映射空間中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)會(huì)被立即更新。這種實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)具有低延遲、高傳輸率的優(yōu)點(diǎn)，確保所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)快速更新。仍以三個(gè)節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)網(wǎng)示意圖

星型結(jié)構(gòu)則使用時(shí)比較方便，只需打開需用的節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)并給HUB加電即可，工作穩(wěn)定、可靠，但相對(duì)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來說，增加了一個(gè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)HUB，相同節(jié)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)量來進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。節(jié)點(diǎn)較少時(shí)選擇環(huán)形拓?fù)洌捎行У毓?jié)省成本，節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，可選擇星型拓?fù)洌褂酶鼮榉奖恪?/p>

筆者參與設(shè)計(jì)并投入使用的仿真系統(tǒng)采用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)共有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)控制臺(tái)計(jì)算機(jī)、視景計(jì)算機(jī)、程序解算計(jì)算機(jī)、設(shè)備控制計(jì)算機(jī)等計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)目前已經(jīng)成功應(yīng)與于某半實(shí)物仿真系統(tǒng)中。由于該半實(shí)物仿真系統(tǒng)不是本文重點(diǎn)內(nèi)容，在此不做進(jìn)一步說明。

2.1 反射內(nèi)存編址

在組網(wǎng)前，需要對(duì)每塊反射內(nèi)存卡進(jìn)行統(tǒng)一編址，以便反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)形成一致的連續(xù)的共享空間而不會(huì)發(fā)生沖突。在VMI5565反射內(nèi)存卡上，有一排8個(gè)小開關(guān)，用這些開關(guān)即可完成統(tǒng)一編址。8個(gè)小開關(guān)全部打開時(shí)，內(nèi)部地址為00000000，對(duì)應(yīng)的反射內(nèi)存卡為節(jié)點(diǎn)0，僅第1個(gè)打開時(shí)，內(nèi)部地址為00000001，對(duì)應(yīng)的反射內(nèi)存卡為節(jié)點(diǎn)1，第二個(gè)打開為節(jié)點(diǎn)2，依次類推，按照二進(jìn)制編碼方式排列,依次為0，1，2，4，8，16，32，單個(gè)HUB支持8個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2反射內(nèi)存地址空間分配

由于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的內(nèi)存地址空間有限，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)寫入內(nèi)存的數(shù)據(jù)需科學(xué)、合理和嚴(yán)格規(guī)劃。常用的數(shù)據(jù)寫入方式有兩種,第一種是不進(jìn)行地址空間分配，而按照具體節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收端。例如，0號(hào)節(jié)點(diǎn)需要將名為ff的數(shù)據(jù)傳遞給1號(hào)節(jié)點(diǎn)，其語法如下（VC++6.0下）：

發(fā)送方(0號(hào)節(jié)點(diǎn)):

……

retstatus=RFM2gWrite(rh,1,(void *)ff,sizeof(float)*9);

……

接收方(1號(hào)節(jié)點(diǎn)):

……

retstatus=RFM2gRead(rh,1,(void *)ff,sizeof(float)*9);

……

此種方式在數(shù)據(jù)量大的時(shí)候，會(huì)引起溢出，無法保證同一幀數(shù)據(jù)的完整性,另外，當(dāng)一段數(shù)據(jù)為多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)需要時(shí)，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(jìn)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(diǎn)的計(jì)算機(jī)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(shí),由于節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算機(jī)在某個(gè)時(shí)刻寫到某一內(nèi)存地址段的多個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)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(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)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(biāo)志該段數(shù)據(jù)的讀寫狀態(tài)。用此種方式時(shí)，可利用如下句子進(jìn)行操作（VC++6.0下）：

數(shù)據(jù)寫入節(jié)點(diǎn)：

……

retstatus=RFM2gWrite(rh,0x500, (void *)ff,sizeof(float)*9);

……

數(shù)據(jù)讀取節(jié)點(diǎn)：

……

retstatus=RFM2gRead(rh,0x500,

(void *)ff,sizeof(float)*9);

……

數(shù)據(jù)寫入節(jié)點(diǎn)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(diǎn)均可到該地址進(jìn)行讀寫，此種方式下，發(fā)送法不需關(guān)注接受方，而只需按照事先約好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址寫入即可，同樣，接受方也是如此。

2.3 地址空間分配時(shí)的注意事項(xiàng)

在反射內(nèi)存空間地址分配時(shí)，須注意所分配的空間應(yīng)大于所需傳遞的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度并有一定的余量，應(yīng)按照單個(gè)數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)來進(jìn)行仔細(xì)計(jì)算所需的存儲(chǔ)空間。

在地址空間分配及實(shí)時(shí)通訊過程中，應(yīng)有專用的數(shù)據(jù)記錄空間和節(jié)點(diǎn)，做好試驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的記錄。同時(shí)在每次仿真開始前應(yīng)清空射內(nèi)存中原有的數(shù)據(jù)，以防造成誤操作，從而對(duì)仿真設(shè)備造成損壞。

在VC++下利用反射內(nèi)存網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊之前，要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)安裝與環(huán)境變量設(shè)置。具體內(nèi)容見參考文獻(xiàn)[4]。設(shè)置完成后，方可進(jìn)行相關(guān)操作。在筆者完成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，采用VC環(huán)消息Message方式進(jìn)行傳遞進(jìn)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(jìn)行通訊協(xié)議設(shè)計(jì)，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(shí)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(shí)時(shí)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(diǎn)在牽扯到仿真設(shè)備初始化的半實(shí)物仿真過程中尤為重要。設(shè)發(fā)送方在0X500地址處寫入TX=1，等待接受方應(yīng)答信號(hào)。接受方在0X500處讀到TX并確定TX=1，完成準(zhǔn)備工作后在0X1000處寫入RX=1。當(dāng)發(fā)送方收到RX并確認(rèn)為RX=1時(shí)，正式數(shù)據(jù)開始發(fā)送，實(shí)時(shí)仿真開始。雙方具體操作如下。

發(fā)送方首先進(jìn)行握手信號(hào)發(fā)送，等待應(yīng)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(duì)方應(yīng)答后，關(guān)閉反射內(nèi)存，實(shí)時(shí)通訊結(jié)束。

以發(fā)送名為ff數(shù)據(jù)至0X500為例，整個(gè)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(guān)閉使能反射內(nèi)存；

RFM2gClose(&rh);//關(guān)閉反射內(nèi)存；

}//仿真過程結(jié)束，關(guān)閉反射內(nèi)存

……

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(gè)等待事件觸發(fā)的命令即可。當(dāng)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(dāng)收到的數(shù)據(jù)同預(yù)設(shè)一致時(shí)，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)至0X510，并準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)。當(dāng)接受到數(shù)據(jù)為Tx=2時(shí)，即返回RX=2并停止使能反射內(nèi)存卡，關(guān)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(guān)閉使能反射內(nèi)存；

RFM2gClose(&rh);//關(guān)閉反射內(nèi)存；

}//仿真過程結(jié)束，關(guān)閉反射內(nèi)存

……

利用上述方法即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊過程。

由于Windows是多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此常見的實(shí)時(shí)系統(tǒng)常采用DOS等單任務(wù)系統(tǒng)，或者是購(gòu)買RTW模塊并實(shí)現(xiàn)Windows下的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。但是，在實(shí)時(shí)性要求不是很高的情況下(仿真步長(zhǎng)>0.5ms)時(shí)，可以通過提高進(jìn)程優(yōu)先級(jí)并強(qiáng)制關(guān)閉其他進(jìn)程的方法來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)實(shí)時(shí)計(jì)算。同時(shí)，可以通過獲取計(jì)算機(jī)機(jī)器時(shí)間并以此來進(jìn)行仿真步長(zhǎng)的準(zhǔn)確定時(shí)。采用此方法，可有效地實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間統(tǒng)一管理，可有效地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在實(shí)際使用過程中，仿真步長(zhǎng)可根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的單步計(jì)算、控制的耗時(shí)情況以及仿真對(duì)象的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，并選擇合適的方式（中斷、查詢）來實(shí)現(xiàn)仿真周期的準(zhǔn)確定時(shí)。

筆者完成的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過查詢方式并采用死循環(huán)的形式，實(shí)現(xiàn)了仿真周期為0.5毫秒的半實(shí)物仿真。實(shí)際測(cè)試（測(cè)試環(huán)境：CPUP4 2.8GHZ 512M）統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在采用實(shí)時(shí)處理以后，完成一步計(jì)算幀周期定時(shí)誤差最大為1.2毫秒，采用實(shí)時(shí)處理以后，平均幀誤差在30微妙，最大為130微妙。采用實(shí)時(shí)處理后的反射內(nèi)存網(wǎng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間誤差均值小于80微妙，最大值小于200微妙。經(jīng)過任務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)整后的仿真進(jìn)程受操作系統(tǒng)影響較小，在所得到的測(cè)試結(jié)果中，99%在40-50微妙以內(nèi)，最大值不超過130微妙，實(shí)時(shí)網(wǎng)數(shù)據(jù)延時(shí)最大值不超過150微妙，完全滿足仿真步長(zhǎng)在0.5毫秒以上的系統(tǒng)仿真任務(wù)。

本文主要介紹了基于反射內(nèi)存卡的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并給出了具體的通訊協(xié)議及注意事項(xiàng)，同時(shí)，就如何在Windows系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。利用該方法設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)已在某半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有通信實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸可靠性高的特點(diǎn)，滿足實(shí)時(shí)仿真需要，取得了良好的效果，被實(shí)踐證明是一種成熟、有效的方法。

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