CN102929158B - 一种多核多模型并行分布式实时仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多核多模型并行分布式实时仿真系统，包括主控模块，用于通过调用不同的仿真调度算法完成相应的功能，在每个仿真周期内根据硬件I/O调度策略向数据通道控制模块发送按仿真设置完成模型数据映射的指令，并向硬件接口模块发送完成一个周期内的IO数据读取与写入的调度指令，以及向模型模块发送激励运行的指令；模型模块用于根据指令在每个仿真周期内获取输入数据一次、解算一次和输出数据一次；数据通道控制模块用于根据按指令完成模型或硬件I/O每周期的数据映射及相关的程序处理；硬件接口模块用于根据文件的数据配置格式对硬件I/O设备的输入输出流进行配置读取与输出，并完成对各种硬件I/O设备进行读取或写入操作工作。

Description

一种多核多模型并行分布式实时仿真系统

技术领域

本发明涉及一种多核多模型并行分布式实时仿真系统，属于工程系统实时仿真技术领域。

背景技术

工程系统（包括飞机、导弹、卫星、汽车等）在设计定型之前必须经过大量的地面测试，测试所需要的外部环境通常需要在实验室中通过半实物仿真系统模拟。实时仿真系统通常是半实物仿真系统的重要组成部分，通过实时仿真系统实现物理系统的数字模型的实时解算，并通过硬件I/O与外部系统交联以实现半实物仿真测试的目的。

随着工程系统复杂度的提高，实时仿真系统需要模拟的外部环境的复杂度和准确度也不断提高，并通过各种I/O板卡进行外部数据交互。通常需要实时仿真系统具有多个CPU，一个CPU具有多个解算核，能够同时解算多个系统模型，并且进行与物理时钟同步的解算，并能够实现不同模型之间的数据交互以及模型与I/O之间的数据交互，而且需要统一的仿真管理及数据监控。

目前，现有的实时仿真系统主要存在如下问题：

1.通常仅支持单核单模型分布式实时仿真，不仅不能有效发挥多核计算的优势，而且一个CPU仅能计算一个模型，无法实现在单CPU上多模型并行计算，解算效率低下；

2.模型解算与硬件I/O合并在一起执行，不仅不能实现模型与硬件I/O并行执行，而且如果硬件I/O板卡改变则需要重新编辑模型，降低了模型的独立性和重用性；

3.部分硬件I/O执行需要较长时间，与模型解算若混合在一起串行执行将花费更长的时间，而实时仿真需要在规定时间内完成解算，容易解算时间过长而导致仿真失败；

4.多数实时仿真系统无法支持实时测试脚本执行，这不仅需要实时脚本执行引擎，而且需要实时仿真系统内部设置数据通道控制层，通过实时脚本执行引擎与数据通道控制层共同作用实现实时测试脚本执行；

5.多数实时仿真系统内部没有完整的独立的仿真引擎，以实现各种仿真控制与功能。目前仿真调度通常与模型混合在一起非独立工作，功能很有限，并且不利于维护、升级与扩展。

发明内容

本发明为解决现有的实时仿真系统存在的仅支持单核单模型分布式实时仿真、不能实现模型与硬件I/O并行执行、硬件I/O执行时间较长、无法支持实时测试脚本执行以及实时仿真系统内部没有完整独立的仿真引擎的问题，进而提供了一种多核多模型并行分布式实时仿真系统。为此，本发明提供了如下的技术方案：

一种多核多模型并行分布式实时仿真系统，包括：

主控模块，用于通过调用不同的仿真调度算法完成相应的功能，在每个仿真周期内根据硬件I/O调度策略向数据通道控制模块发送按仿真设置完成模型数据映射的指令，并向硬件接口模块发送完成一个周期内的IO数据读取与写入的调度指令，以及向模型模块发送激励运行的指令；

模型模块，用于根据激励运行的指令，完成模型初始化，并在每个仿真周期内获取输入数据一次、解算一次和输出数据一次；

数据通道控制模块，用于根据按仿真设置完成模型数据映射的指令，完成模型或硬件I/O每周期的数据映射及相关的程序处理；

硬件接口模块，用于根据调度指令，根据文件的数据配置格式对硬件I/O设备的输入输出流进行配置读取与输出，并完成对各种硬件I/O设备进行读取或写入操作工作。

本发明的有益效果包括：提出了分布式实时仿真分层架构，每一层之间相互配合、相对独立，使配置与维护更加灵活；提出了数据控制层，将硬件I/O、模型之间隔离开来，进行统一的数据控制，扩展了仿真的功能及应用；提出了多核多模型分布式实时仿真调度算法，增加了实时仿真的适用性，充分发挥了多核并行计算的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式提供的多核多模型并行分布式实时仿真系统的结构示意图；

图2是本发明的具体实施方式提供的并行仿真调度算法示意图；

图3是本发明的具体实施方式提供的串行仿真调度算法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本具体实施方式提供了一种多核多模型并行分布式实时仿真系统，如图1所示，包括：

主控模块1，用于通过调用不同的仿真调度算法完成相应的功能，在每个仿真周期内根据硬件I/O调度策略向数据通道控制模块3发送按仿真设置完成模型数据映射的指令，并向硬件接口模块4发送完成一个周期内的IO数据读取与写入的调度指令，以及向模型模块2发送激励运行的指令；

模型模块2，用于根据激励运行的指令，完成模型初始化，并在每个仿真周期内获取输入数据一次、解算一次和输出数据一次；

数据通道控制模块3，用于根据按仿真设置完成模型数据映射的指令，完成模型或硬件I/O每周期的数据映射及相关的程序处理；

硬件接口模块4，用于根据调度指令，根据文件的数据配置格式对硬件I/O设备的输入输出流进行配置读取与输出，并完成对各种硬件I/O设备进行读取或写入操作工作。

本具体实施方式提出的支持多核多模型并行分布式实时仿真的系统架构由四个模块组成，同时通过分布式实时数据传输物理层及仿真测试管控主机实现分布式数据传输与仿真管理，并通过物理I/O接口(AIO/DIO/ARINC429/CAN/AFDX等)实现与系统外部数据交互，从而组成完整的实时仿真系统，具体结构如图1所示。

具体的，主控模块完成分布式实时仿真调度引擎功能，包含的子模块及功能如下：

1.任务调度子模块负责所有实时仿真测试任务调度，是实时仿真的调度中枢，其通过调用不同的仿真调度算法完成其功能；

2.任务调度子模块激活时钟控制子模块，时钟控制子模块用于提供全局统一的时钟管理，通过模型信息及系统设置自动计算系统时钟基频，并将时钟信息正确且不间断发送给所有相关模块；

3.任务调度子模块在每个仿真周期内激励数据通道控制模块中的分布式数据传输服务子模块，分布式数据传输服务子模块负责将时钟基频发送给不同解算节点，同时将不同CPU的不同解算核内部计算的模型之间、不同计算节点硬件I/O接口之间的数据交互及时准确进行分布式传输。

4.任务调度子模块在每个仿真周期内依据硬件I/O调度策略向数据通道控制模块发送指令，完成各硬件I/O通道数据初始化；

5.任务调度子模块向硬件接口模块发送调度指令，激励其完成一个周期内的IO数据读取与写入；

6.任务调度子模块在每个仿真周期内依据硬件I/O调度策略向数据通道控制模块发送指令，使其按仿真设置完成硬件I/O数据映射及其他相关处理；

7.任务调度子模块在每个仿真周期内依据模型调度策略向数据通道控制模块发送指令，完成本周期待运行模型输入数据的初始化；

8.任务调度子模块向模型模块发送指令，激励模型运行；

9.任务调度子模块在每个仿真周期内依据模型调度策略向数据通道控制模块发送指令，使其按仿真设置完成模型数据映射及其他相关处理；

10.任务调度子模块在每个仿真周期内依据数据传输策略激励仿真数据传输子模块运行，主要用于仿真引擎与仿真测试管控主机进行数据传输；

11.任务调度子模块在每个仿真周期内激励数据记录子模块，用于根据各模型和硬件I/O不同的数据采样策略进行数据记录；

12.任务调度子模块在仿真结束时激励文件传输服务子模块运行，该模型主要用于仿真引擎与仿真测试管控主机进行文件传输。

通讯模块完成分布式实时仿真引擎与仿真测试管控计算机之间通讯及仿真引擎的初始配置功能，其包含的主要模型和功能如下：

1.建立全局的通讯服务连接，等待处理仿真测试管控计算机的通信指令；

2.通过文件传输服务模块接收仿真测试管控计算机发送的系统配置文件、模型文件、模型描述文件等相关文件；

3.通过文件解析模块对各配置文件进行解析，并完成分布式实时仿真引擎系统功能配置CPU解算核分配、模型加载及模型的初始配置。

模型模块完成模型的调度与解算，其包含的主要状态与过程如下：

1.模型调度子模块负责对模型模块进行统一的调度及控制，包括不同模型的执行时钟触发控制、模型执行过程中的状态控制等；

2.模型空闲状态，模型被加载以后进行初始状态，表示模型已经就绪；

3.模型初始化状态，模型模块接收任务调度子模块初始化指令后使模型进入的状态，完成模型的初始化工作；

4.模型运行态，模型接收任务调度子模块运行指令后使模型进入的状态，也是模型运行的常态，在该状态下模型每周期获取输入数据一次、解算一次，输出数据一次；

5.模型暂停态，模型接收任务调度子模块暂停指令后使模型进入的状态模型解算过程被冻结，不与数据通道控制层进行任何的数据交互；

6.模型停止态，模型层接收任务调度子模块停止指令后使模型进入的状态，在该状态下完成模型相关资源的释放入模型卸载工作。

数据通道控制模块完成模型硬件数据交互，故障注入，脚本执行等功能，其主要功能模块如下：

1.数据通道控制模块负责接收任务调度子模块发送的调度指令，使其按仿真设置完成数据映射及其他相关处理；

2.接收任务调度子模块的发送的初始化指令，完成模型或硬件I/O每周期的数据初始化工作；

3.接收任务调度子模块的发送的数据映射指令，完成模型或硬件I/O每周期的数据映射及其它相关工作；

4.分布式数据传输服务子模块负责完成不同分布式子系统之间模型和硬件I/O的数据映射；

5.实时脚本解释子模块主要负责实时解释执行仿真测试管控计算机传过来的实时测试脚本，并通过向数据通道控制模块发送指令完成脚本执行的操作。

硬件接口模块完成各种IO设备的交互工作，并实现对数据的解析与封装，其主要功能模块如下：

1.硬件接口模块负责加载ICD文件，并依据该文件的数据配置格式对硬件I/O设备的输入输出流进行配置读取与输出；

2.硬件I/O调度子模块负责接收硬件接口模块发送的激励，完成对各种硬件I/O设备进行读取或写入操作工作。

下面结合具体的实施例和附图对本具体实施方式提供的多核多模型并行分布式实时仿真系统作详细说明。相应的仿真调度支持串行和并行两种算法，具体包括：

实施例一

在并行算法下，IO处理任务和模型任务并行的执行。IO处理任务的输出在一个步长之后才能被模型任务所处理，同时IO处理任务的输入来自前一个步长的模型任务的输出，所以在该模式下，IO处理任务的输出和模型任务的输入之间会有一个步长的延时，如图2所示。在图2中，执行顺序示意如下：

1）OP1操作完成从数据控制层读取数据操作和输入端口赋值操作；

2）OP2操作完成输入端口取值操作；

3）OP3操作完成输入端口赋值操作；

4）OP4操作完成输出端口取值操作和数据控制层数据写入操作。

并行模式下，任务调度流程如下：

1）从数据控制层中获取硬件I/O层的所有输入，将这些输入放入硬件I/O层的输入端口中，然后释放硬件I/O层运行信号量；

2）从数据控制层中获取第一个模型的所有输入，将这些输入放入该模型的输入端口中，然后释放该模型任务运行信号量；

3）从数据控制层中获取下一个模型的所有输入，将这些输入放入该模型的输入端口中，然后释放该模型任务运行信号量，一直到所有的模型任务都获取到了运行信号量；

4）等待硬件I/O层和模型任务运行完成，从相应模块的输出端口获取输出，将输出存入数据控制层中，一直到硬件I/O层和所有的模型任务都运行完成；

5）组织需要上传的数据，释放数据上传模块运行信号量；

6）组织需要记录的数据，释放数据记录模块运行信号量；

7）等待下一次调度运行信号量。

实施例二

在串行算法下，IO处理任务在模型任务执行之前执行完成。在该模式下可以保证模型任务处理的是同一个步长的IO数据，如图3所示。在图3中，执行顺序示意如下：

1)OP1操作完成从数据控制层读取数据操作和输入端口赋值操作；

2)OP2操作完成输入端口取值操作；

3)OP3操作完成输入端口赋值操作；

4)OP4操作完成输出端口取值操作和数据控制层数据写入操作。

串行模式下，任务调度模块的调度流程如下：

1）从数据控制层中获取硬件I/O层的所有输入，将这些输入放入硬件I/O层的输入端口中，然后释放硬件I/O层运行信号量；

2）等待硬件I/O层运行完成，从硬件I/O层的输出端口获取输出，将输出存入数据控制层中；

3）从数据控制层中获取第一个模型的所有输入，将这些输入放入该模型的输入端口中，然后释放该模型任务运行信号量；

4）从数据控制层中获取下一个模型的所有输入，将这些输入放入该模型的输入端口中，然后释放该模型任务运行信号量，一直到所有的模型任务都获取到了运行信号量；

5）等待模型任务运行完成，从相应模块的输出端口获取输出，将输出存入数据控制层中，一直到所有的模型任务都运行完成；

6）组织需要上传的数据，释放数据上传模块运行信号量；

7）组织需要记录的数据，释放数据记录模块运行信号量；

8）等待下一次调度运行信号量。

采用本具体实施方式提供的技术方案，提出了分布式实时仿真分层架构，每一层之间相互配合、相对独立，使配置与维护更加灵活；提出了数据控制层，将硬件I/O、模型之间隔离开来，进行统一的数据控制，扩展了仿真的功能及应用；提出了多核多模型分布式实时仿真调度算法，增加了实时仿真的适用性，充分发挥了多核并行计算的优势。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种多核多模型并行分布式实时仿真系统，其特征在于，包括：

主控模块，用于通过调用不同的仿真调度算法完成相应的功能，在每个仿真周期内根据硬件I/O调度策略向数据通道控制模块发送按仿真设置完成模型数据映射的指令，并向硬件接口模块发送完成一个周期内的IO数据读取与写入的调度指令，以及向模型模块发送激励运行的指令；

模型模块，用于根据激励运行的指令，完成模型初始化，并在每个仿真周期内获取输入数据一次、解算一次和输出数据一次；

数据通道控制模块，用于根据按仿真设置完成模型数据映射的指令，完成模型或硬件I/O每周期的数据映射及相关的程序处理；

硬件接口模块，用于根据调度指令，根据文件的数据配置格式对硬件I/O设备的输入输出流进行配置读取与输出，并完成对各种硬件I/O设备进行读取或写入操作工作；

其中，所述主控模块包括：

任务调度子模块，用于通过调用不同的仿真调度算法完成相应的功能，并激活时钟控制模块、在每个仿真周期内激励分布式数据传输服务子模块，以及在每个仿真周期内根据硬件I/O调度策略向数据通道控制模块发送按仿真设置完成模型数据映射的指令，向硬件接口模块发送完成一个周期内的IO数据读取与写入的调度指令，以及向模型模块发送激励运行的指令；

数据记录子模块，用于根据各模型和硬件I/O不同的数据采样策略进行数据记录；

仿真数据传输子模块，用于仿真引擎与仿真测试管控主机进行数据传输；

文件传输服务子模块，用于仿真引擎与仿真测试管控主机进行文件传输。

2.根据权利要求1所述的多核多模型并行分布式实时仿真系统，其特征在于，该系统还包括：

通讯模块，用于接收仿真测试管控计算机发送的系统配置文件、模型文件和模型描述文件，并将仿真测试管控计算机发送的通讯指令传送给主控模块。

3.根据权利要求1所述的多核多模型并行分布式实时仿真系统，其特征在于，所述模型模块包括：

模型调度子模块，用于完成对不同模型的执行时钟触发控制、模型执行过程中的状态控制；

时钟控制子模块，用于提供全局统一的时钟管理，并将通过计算系统时钟基频计算获得的时钟信息发送。

4.根据权利要求1所述的多核多模型并行分布式实时仿真系统，其特征在于，所述数据通道控制模块包括：

分布式数据传输服务子模块，用于完成不同分布式子系统之间模型和硬件I/O的数据映射，将时钟基频发送给不同解算节点，同时将不同CPU的不同解算核内部计算的模型之间、不同计算节点硬件I/O接口之间的数据交互及时准确进行分布式传输；

实时脚本解释子模块，用于实时解释执行仿真测试管控计算机发送的实时测试脚本，并完成相应脚本执行的操作。

5.根据权利要求1所述的多核多模型并行分布式实时仿真系统，其特征在于，所述硬件接口模块包括：

硬件I/O调度子模块，用于完成对各种硬件I/O设备进行读取或写入操作工作。