来源：lnf
Effective Data Acquisition and Control automation are constructed often from ordinary PC-based desktop systems. Advanced microelectronics opens new possibilities in developing of PC-based non-desktop compact Modular systems with Distributed systems architectures. Three levels of distributed Data processing according to proposed model should be built with compact PC MB interconnected by tradition LAN or System Area Networks (SAN). Interconnections of distributed nodes should be based on tradition Ethernet 10/100/1000 Switches or parallel-pipeline Scalable Interconnections for high-speed data processing Data Centers and distributed RT-systems. The basic system architecture levels include 3 types of nodes - Control Terminals (CT), Engineering Stations (ES) and Data Center (DC) connected by LAN or SAN. First two levels of integrated nodes are Virtual Engineering Stations (VES) and a lot of Virtual Control Terminal (VCT) as terminal RT-system nodes both with compact construction and modular architecture with active or passive backplane Bus. Conceptual approach to VCT and VES architecture integrated by LAN and SAN switches are proposed and discussed below for Control Systems.
一般而言，有效的数据获取和自动控制系统都是由基于PC的普通桌面系统来构建。先进的微电子技术为开发具有分布式系统体系的基于PC的非桌面紧凑型模块化系统开启了新的可能性。根据提出的模型[1]，需要利用紧凑PC的主板（Main Board, MB）构建三个层次的分布式数据处理，且彼此间利用传统的LAN或SAN达到互联。分布式节点间的互联应该基于传统的以太网10/100/1000转换器，或是用于高速数据处理的数据中心或分布式实时系统的并行流水线的可扩展互联。基本的系统结构层次包括以LAN或SAN互联的三种节点，即：控制终端（Control Terminals, CT），工程站（Engineering Stations, ES），和数据中心（Data Center, DC）。前两种层次的综合节点是虚拟工程站（Virtual Control Stations, VES）和为数众多的作为终端实时系统节点的虚拟控制终端（Control Terminals, VCT），两者都具有紧凑的结构和带有源/无源背板总线的模结构。以下将提出并讨论由LAN和SAN切换器集成的VCT和VES结构的方案设计。
1. 具有无源和有源总线的模块化紧凑VCT和VES节点系统
现代的CT节点应该基于现代处理器主板或兼容PC的微型计算机以及LAN。
早期的微型计算机多基于IBM PC（ISA总线）插入模块，其余的作为独立（非背板）系统在单板上实现，以及基于背板（VME/VXI）和单板机（Single Board Computers, SBC）。早期的集成电路具有先进功能，但占据了整块板子，现在可以被单个大容量集成芯片限制而变成了单片机（SCM）或DSP。PC/104和 PC/104+模块趋向于利用标准PC桌面和便携式组件来制造，并被嵌入式Linux所支持。而PC/104+增加了PCI总线，使用板到板总线（120 针）。由众多板子组成的模块化微型计算机包括了CPU，内存，硬盘控制器，以及串行/并行端口。基于背板的单板计算机可用于数据获取，过程控制，以及各种研究开发项目，但是由于过于庞大而无法作为嵌入式智能使用。一种具有最佳性价比的实时系统结构是工业计算机系统主板或现代紧凑型PC主板和 cPCI/PXI，并根据需要而由LAN或SAN连成不同的布局。人们对嵌入式和非桌面系统中的IBM PC兼容性的兴趣日益浓厚，其原因在于PC芯片外围设备的兼容可以降低成本，支持简单而容易；PC兼容性还能够促进PC操作系统（Windows, Linux）、语言和工具的进步。通过新的接口（USB，FireWire，蓝牙），体系结构（MIPS，PowerPC，ARM）和操作系统（QNX， RT-Linux，RTEMS），嵌入式SBC平台更适合于用作控制的嵌入式模块化实时系统。具有有源背板的基于PCI的紧凑型模块化计算机系统和具有无源式背板的先进的模块化系统cPCI/PXI应该有效地用于先进控制和数据获取系统节点。
1）. 第一个版本的模块化兼容PC的主板，带有有源背板总线和两个用于多通道测量控制（MAC）的带嵌入式DSP的模块的插槽，以工业计算机系统（ICS）为基础而构建，用LAN连接，适于控制用的实时系统。基于小ICS主板并具有2-4插槽的紧凑式模块化实时系统配有嵌入式DSP和微处理器被用作系统控制终端（SCT）站。在分布式网络中，利用以太网10/100/1000（TCP/IP）连接虚拟工程站（VES）.
每一个VES都是基于 Windows 或/和Linux平台，并带有LabView；而每一个VCS都是基于实时LabView或实时Linux，用于数据获取，监控和控制。上述中的一个插槽用于基于DSP的MAC模块，另一个则用于MAC扩展或第二个以太网。所提出的带有有源式总线的VCT节点是基于仅带有两个插槽的紧凑式主板而用于基于 DSP的MAC模块。业已开发的目标信号界面（Object Signal Interface, OSI）设备被连接到主板上的MAC而作为实时系统的前端模块化电子设备。第二个版本的SCT被设计成为紧凑的嵌入式主板，并在OSI中包括了基于DSP 的MAC模块。具有VCS节点的实时系统包括了面向目标的信号（模拟和数字模块化电子设备），条件界面（OSI）设备，以及具有16个通道和紧凑式PC主板的MAC模块。每一个开发的VCS包括了前端电子器件（具有ADSP218×的16个模拟和32-64数字通道）和紧凑型单板控制SBC（带有2个用于 MAC的PCI插槽并与PC兼容的主板），或者带4个PCI插槽并连接到LAN（SAN）的嵌入式处理器节点。第三个层次的体系结构是DC（Data Base and servers, 数据库和服务器）。其中，所有虚拟节点都采用了同样的网络连接。
2）. 具有无源式总线的高级紧凑型模块化系统应该如国际标准（IEEE 1101.1）那样基于单个欧洲卡（Euro-card, 3U格式）。按照这个标准，VME总线允许以3U形式的因子进行16位数据转换（只有6U支持全数据总线带宽）。与VME（3U）相比，cPCI（3U）具有更高的性价比，总线性能优异，并且在VME架构上实现PC功能具有相当的难度。cPCI/PXI总线支持在单板和双宽板上的全32位或64位数据转换。比较而言，嵌入式PC板呈现出几方面的优点。cPCI/PXI扩展了只有4个PCI插槽的局限（最多8个模块），使得系统具有更大的柔性。cPCI被设计成既如VME那样用于工业环境，又可如VXI那样适用于仪器系统。3U cPCI的无源式被板体积小并且是可扩展的。被板的设计大大简化了模块的维护和升级。cPCI/PXI（3U）支持工业自动化所要求的分布式I/O，也支持用于DAQ，控制，监控和过程上报的现场总线，还支持用于cPCI单板计算机的高级联网功能（Ethernet 10/100, USB, FireWire和现场总线）。总之，模块化为基于cPCI/PXI的SBC提供了最广泛的应用范围和柔性。
3）. 嵌入式模块系统应该利用带4个插槽的PCI或cPCI/PXI（3U）来构建。而后者具有如下的优点：1) 小外形因素（220针，2mm端子）有利于平台抵挡冲击和振动而用于控制；2)构建完整的PC模块（图形界面，快速以太网，IEEE 1394，USB，现场总线，闪存，和128Mb的SDRAM）；3)减低功耗是低价格的重要步骤，而更小的处理布局已经把降低了功率级别。研究表明典型的由3U cPCI实现的控制仪器可以少消耗20W的功率；以及 4)具有64位总线和8个插槽的cPCI被板（无源和有源）在使用支架装置和防电磁干扰外壳方面也具有经济性。
DAQ和控制应用中，应该使用不同的实时操作系统（RT-LabView，RT-Linux，RTEMS和QNX）。现代嵌入式计算机解决方案需要基于Windows的软件以达到更好的人机交互，联网和文件管理。因此，在VES中的第二层次的数据处理应具有较好的接口，但在VCS中的第一层次的数据处理应该使用确定性的高实时软件（RT- Linux，RTEMS，QNX，OS-9和VxWork）。支持兼容PC的嵌入式SBC的Linux正在被以常用方式使用的芯片所提供，并包括了一些特别的功能，如：显示控制器模式，LCD面板控制信号，PCMCIA，板上固态磁盘，以及非标准功能（看门狗定时器）。而不同版本的软件业已开发。已开发的系统模型版本是基于LabView的，而把Windows（或Linux）作为基本的系统软件平台。用于测量，信号处理和数据处理的模块化应用软件正在基于上述平台基础进行开发。虚拟仪器和标准应用软件都是基于Windows（或Linux），且应该工作在连接有众多的分布式CS的VES上；其中，CS带有RT-LabView（或RT-Linux）并被Ethernet10/100所连接；而每一个VES应该能够连接到多服务器层上的数据中心。
2. 用于分布式系统的基于SAN的体系结构
最好的SAN之一便是被用于高级多处理器体系的可扩展的计算机连接接口（Scalable Coherent Interconnections，SCI），其被开发的原因在于分布式数据处理系统中众多的并行处理器带来的总线约束。多处理器SAN架构被描绘成高性能的实时系统或者作为数据处理集群的数据中心。而SAN互联被视为可用于高性能数据中心的高级模块化架构。相同的方法对于具有并行线路实时数据流处理的 DAQ系统也是有效的。SCI互联的目的在于可扩展的多处理器簇和高性能多处理器模块化实时系统。以下提议几种用于分布式多处理器系统的实时系统多处理器核和操作系统，它们可以作为实时系统有效地用于数据中心和DAQ，在实验领域和工程中有众多应用。
1）. 分布式并行数据处理模型被用于对称多重处理（SMP），整体并行处理（MMP）和集群系统（RMC和NUMA）。RMC（Reflecting Memory Cluster，反射记忆簇）是一个具有节点间记忆复制或记忆传输机制以及业务互联的簇系统。开发基于SCI的并与硬件一致的高性能模块化多处理器系统的第一人是Sequent。根据多层物理模型，基于标准紧凑式PC模块（PC板）和连接模块（Dolphin）的具有有效SAN架构的高级集成实时系统，具有高性价比，可以应用于实验物理研究领域的高性能DAQ，控制和分布式数据处理。辅之以连接模块，分布式集成系统的高模块化结构应该有效地支持分布式处理器和内存之间的交互作用，以应用于高性能的数据中心。
2）. 实时系统可被描述为节点间具有弱和强作用的核子，原子以及分子。核子结构包括一组内核处理器，内存，I/O控制器，以及互联结构。新的单芯片微处理器具有短连接，且相比芯片外同板上的内存，数据存取和传输时间更佳。原子结构包括紧凑型板和用于特别或者一般目的的处理器。对于DAQ和控制应用，最简单有效的实时系统可以基于带有1/2/3个微处理器的标准PC主板。在同样的总线上，处理器模块的数目是有限制的。SMP是基本的多处理器软件模型。分子结构依赖于SAN拓扑；其中，多处理器节点互相连接（“大总线”模型）至一个大系统（kilo-processor，基洛级处理器）。
分布式系统的互联是基于连接模块，桥模块和切换模块的。传统的通信基于总线，制约了处理器数目。通信速度的代价下降得远快于针和板空间的成本。实用的解决方法在于使用基于信息包的信令取代大量独立的点对点连接。但是这又带来了一个新问题：在内存共享的系统模型中维护Cache的一致性。处理器模块间的弱相互作用是基于信息传输的（Ethernet）。中间交互是利用了簇系统中的外部存储设备（磁盘，磁带）。处理器内核间的强相互作用是基于对分布式内存的直接存取，而在SCI上得以实现，也支持上述的弱相互作用。强SCI相互作用包括了小信息包的处理，即利用回波切割信息包。信息包的格式包括：writexx， readxx，movexx，和locksb。其中，xx代表一个允许的数据块程度（信息头右边开始的数据字节数）。
SAN架构的分布式内存模型支持在单地址空间（如SMP模型）中的并行数据处理（计算）。在每一个节点64位地址支持256T字节。可扩展性是指连接到基洛级处理器系统的多处理器实时系统的性能提升。
Cache 一致性支持分布式并行数据处理实时系统中所有处理器的数据可用性，并试图修改单独的数据或者同时在Cache中保持其拷贝。由软件或者硬件实现的一致性即是阻止多个处理器同时修改同一个数据。硬件（实现的）一致性支持高性能，但是软件（实现的）一致性具有更好的性价比。
模块化实时系统的拓扑结构应该基于一组选择的模块去开发针对问题的最优系统。DAQ和控制领域的系统拓扑应该根据大型设备的结构来确定。
新的64位微处理器适用于基于SAN的高级系统；其中，系统簇共享一个64位SCI地址，其中高16位用于发送信息包至合适的节点。系统拓扑可以基于一个简单的小环，多个小环，桥结构，或强大的切换结构而用于处理器间并行强相互作用。SCI基于点对点连接并支持同时处理所有处理器模块。商业性的 Dolphin连接模块（L-module）提供800Mb/s双向SCI连接以移动大量分布式数据，其应用对应用的等待时间仅有2.3ms；降低了节点间控制信息开销，达到了多节点应用的最佳可扩展性。分布式高性能节点应该同时基于弱和强连接。其中，弱连接可以用于安装，维护和远程存取；而强连接则用于实时数据流处理。
3. 总结
1）. 为了应用于控制领域，兼容PC的紧凑式模块化实时系统构架应该得到有效利用；作为VCT节点，其带有2个PCI插槽作为MAC模块，连接于信号条件设备，并由包括现场总线的单LAN接口实现一体化。
--紧凑式VES由LAN切换模块连接到分布式VCST是有效的用户与分布式实时系统间的接口，可以用于DAQ和控制应用的数据搜集，诊断和分析。
--高级VCT应该基于嵌入式cPCI/PXI模块化系统或者带有4个插槽作为MAC模块的PCI和OSI，在单个设备上作为有LAN接口的节点。
--分布式模块化实时系统的基本操作系统应该基于带LabView的Windows和Linux平台。
2）. 嵌入式模块化实时系统具有如下优点：
--增强嵌入式智能，有较多的用户友好图形界面和语音接口；
--待连接的电子设备需求的增长（TCP/IP，PPP，HTTP，和FTP）；
--USB取代了一切串口，并口和PS/2端口；FireWire（IEEE 1394）正逐步使用；
--现代处理器（高度集成的以应用为导向的片上系统ARM，MIPS，PowerPC和x86系列）正在开发；
--标准LAN（Ethernet10/100/1000）和现场总线已经随处可见；
--作为模块化实时系统，正在应用中的QNX/RT-Linux/RT-LabView提供了低成本的开放源码的解决方案，并且支持开放标准，组网，通信和Internet。
3）. 可扩展多处理器系统构架被提议作为高性能系统，用于在DAQ和有效的数据中心簇中执行并行数据流处理和实时分析。
--基于提出的联合通用模型，分布式可扩展模块化实时系统集成了DAQ，触发器和控制系统，并以LAN（Ethernet）和SAN（SCI）进行互联。
--在最近的未来，基于SAN的带有32位和新64位微处理器和LAN的分布式架构是实现高性能系统的较好选择。 |
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