CN1049059C

CN1049059C - 实时数据图象网络系统及操作该系统的方法

Info

Publication number: CN1049059C
Application number: CN93107286A
Authority: CN
Inventors: 沃伦·A·伊德兰; 吉尔伯特·W·雷默艾; 琳达·L·桑托莱因; 卡尔·J·斯塔比; 艾伯特·W·克鲁
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Priority date: 1992-06-19
Filing date: 1993-06-19
Publication date: 2000-02-02
Anticipated expiration: 2013-06-19
Also published as: DE4319912A1; PL299391A1; GB2268035B; GB9312417D0; DE4319912B4; ES2076091R; ES2076091A2; CN1081007A; US5864680A; ES2076091B1; GB2268035A; JPH0695986A; PL171677B1

Abstract

一个计算机网络系统(1)经过通信网络(5)重复地将唯一识别的实时数据块分配给所有的实时站，以便将每个数据块的每个副本直接地存储在站存储器中分配给那个唯一地识别的数据块的一个唯一地址空间。

Description

实时数据图象网络系统及操作该系统的方法

本发明涉及分布处理系统中的数据共享，特别是涉及在一个网络系统中的实时数据的传输、处理和存储。

在大多数计算机网络中，经过互连网络中各个站的数据公共通路传送的数据被寻址到一个特定的站或多个站。该消息被该网络中的其它站忽略。在所寻址的站的网络接口中断该站中央处理单元，然后中央处理单元处理该消息。经常接收站向发送站发回一个确认。在这些系统中，该消息识别接收站和发送站。这样的过程在具有站间交互通信需要的应用中是有效的。

在广播的多信道广播网络中，该消息不能寻址任何特定站。每站接收被发送的所有数据而且按惯例取其需要的数据。这也要求由接收站的中央处理单元处理该消息。典型地，为了减轻系统的负担，数据只是通过例外而被广播。即只在一部分数据的值变化时才发送消息。因此，例如，在各个功能是由网络的许多站执行的分布控制系统中，在变量的值改变时才广播数据。其它确定的系统，如由网络链接到一个中央单元的自动播音机也只在有事务处理要处理时才发送数据。但是，如果在被控制的过程中有大的干扰，或同时出现的事务处理，则这样的系统可能变得超负荷。

本发明的受让人已开发出一种广播网络，在该网络中从各站来的数据被组合为数据包或数据块，不管数据是否变化都周期地发送。具有短的等待时间的数据以快的重复率传送，而不急需的或以较低速率变化的其它数据以更宽间隔的时间间隔发送。在这个系统中，所有的数据重复地发送并由所有的站接收。每站检查所接收的每个数据块并将其切开以便只存储它需要的数据。这个系统被设计成用于最坏的情况，因此不会由于系统中大的干扰而淹没。但是，要求本地处理每个数据以确定被存储在那个站的存储器中的数据，这限制了系统可处理的数据速率。

因此，需要增加数据速率而且不会由于最坏的环境而被淹没的改进的广播网络系统。另外，还应提供对等(peer-peer)的通信而不损害实时性能。

虽然其它系统试图通过限制由发送站发送的数据或限制该接收站存储的数据来改进性能，而本发明采用新颖的方法将所有的实时数据发送到要求实时数据的所有的站，并且不管一个特定站是否需要所有的数据，在每个这样的站都存储发送的所有数据。虽然初看起来这好象效率低，实际上，因为在传输的每一端要求最小的处理，所以信息吞吐量改善了。在发送端，发送整个数据块。不需要处理来确定什么值已改变。在接收端不需要处理来确定存储什么数据。

不是由发送站或接收端来识别每个数据块而是给予每块一个唯一的识别符。每个接收站在该站的相同的唯一识别地址空间内存储随后重复的每个唯一地识别的数据块。唯一的地址空间最好是虚地址空间。此外，最好是，由存储器管理硬件将虚地址空间发送到本地站的实际地址空间，存储器管理硬件保持存储器中空闲页的表并将进入的消息图象插入到下一个可用页中，然后将该虚地址空间的事务处理更新为新的实际位置。利用这种设置，在当前消息正被存储时，本地中央处理单元可以通过存取一个消息的最后图象进行处理。这个过程给主中央处理单元的负担最小。

另一情况，在没有合适的存储器管理硬件的系统中，可使用一个驱动器程序来保持虚地址空间至实际地址空间变换的表和保持存储器空闲页的单独表。但是，即使这个方案也给本地中面处理系统很小的处理负荷。

本发明即包含在实时数据图象网络中实现数据传送的一个系统也包含其方法。

本发明的目的是提供应用于执行广播功能的有效数据公共通路。

为此目的，本发明提供了一种实时数据图象网络系统(1)，包括：

多个实时站，每个站有存储器装置(15)；

一个广播通信网络(5)，其特征在于：上述广播通信网络(5)与上述的多个站(3)相连，并且从所述站的至少一个站向每个其它的站分别发送具有包含当前数据图象的每个副本的至少一个唯一识别的数据块(DDB)，所述的站包括存储装置(32，52)，在所述存储器装置中相同的唯一地址空间存储所述唯一识别的数据块的每个副本。

本发明还提供了一种在实时数据图象网络系统(1)中分配数据的方法，该网络系统包括：多个实时站(3)，每个站包含一个中央处理单元(11，23)，一个存储器(15)和一个网络接口(13)；和一个通信网络(5)，它通过所述网络接口(13)互连所述的站(3)，所述方法的特征在于包括：

操作每个站(3)中的中央处理单元(11，23)以便重复地将数据组合为包含最近的数据图象的唯一识别的数据块(DDB)；

向每个其它的站广播由每个站通过所述通信网络(5)组合的每个唯一识别的数据块(DDB)的每个副本；和

在每个站的所述存储器(15)中将从其它站经过所述通信网络接收的每个唯一识别的数据块的每个副本存储在每个唯一识别的数据块的所述存储器(15)中相同的唯一地址空间。

当结合附图阅读下面的优选实施例的叙述时可以完全理解本发明，其中：

图1示意地说明根据本发明的实时数据图象系统。

图2说明根据本发明在图1的系统中传送的唯一地识别的数据块的定义。

图3示意地说明在虚存储器地址空间转换为实际的存储器地址空间中构成图1的系统的一部分的存储器寻址单元的操作。

图4A和4B说明在接收站存储器中存储两个连续的特定数据块的图象，该数据块图象是由构成该系统的一部分网络传送的。

图5是用于在执行图4A和图4B的过程的接收站处的网络接口的计算机程序的流程图。

图6A和6B说明在接收站存储经过网络传送有唯一地识别的数据块的两个连续图象的本发明的另一个实施例。

图7是执行图6A和6B的过程的该站中央处理单元的适合的计算机程序的流程图。

图8是用于存取由图6A，6B和7的实施例存储的数据的该站中央处理单元的适合的计算机程序的流程图。

本发明是针对实时数据图象网络系统而做出。它有特别的应用，并且将被描述为应用到一个分布处理控制系统。但是，本领域的技术人员应当懂得本发明也可应用到具有分布数据库的其它确定的网络系统，例如自动播音机，视频和多媒体混合网络等等。

图1说明基于实时图象网络1的一个分布处理控制系统。系统1包括通过通信网络相互连接的多个站3，这些站，或如通称曰“分站(drop)”，包括(但不限于)数据处理单元(DPU)3a、人机接口单元(MMI)3b。不要求实时数据的其它分站(未画出)也可包括在网络中。这些DPU3a典型地连接到与被控制过程有关的实际设备。实际设备包括：输入传感器，如热电偶7，和输出端，如接点9。每个DPU3a通过监视每个环路的操作和保证相关变量的值保持在它们各自设定点而提供对分配给它的环路的控制。DPU通过呼叫算法(calling algorithms)来进行该控制，该算法扫描从传感器(如7)来的输入信号，比较变量的实际值与它的设定点，进行使变量值达到设定点所必需的计算，和在该过程将控制信号，输出到最后的如接点9的控制设备，接点9例如可以控制阀门或电机，等等。这样，在实际环境中的项目如冷却液液位或燃料流量被控制系统理解为数据。有关过程变量的信息被存储在DPU 3a中作为点数据记录。在这个数据记录中的信息可被广播到通信网络5，供其它站或分站使用，或者可保持在指定的分站的内部。一个点数据记录包含两种不同类型的信息。一种类型是动态信息，它是该分站的实际输入的函数。动态信息的例子是从流量传感器7读出的过程流量值。另一类的信息是静态信息，它包括结构信息和很少变化的其它数据。静态信息的例子有变换常数。报警极限和与模拟输入有关的结构说明。动态信息必须周期地广播，而静态数据是根据“需要”广播的。

DPU 3a包括一个中央处理单元(CPU)11，它从传感器7接收输入信息，执行控制算法和控制输出设备9。DPU 3a还包括在CPU 11和网络5之间的一个网络接口13。DPU 3a进一步包括一个存储器(MEM)15，这是在CPU 11和网络接口13之间共享的。

存储器地址单元(MAU)17提供为存储器15的虚地址到实际地址的变换，数据被存储在存储器15中并且被检索。共享的存储器15和MAU 17可以在CPU 11或网络接口13中具体地提供。

人机接口(MMI)站或分站3b包括一个工作站19，它装有用于显示信息的CRT21和一个CPU23。分站也包含一个网络接口13和与其MAU 17共享的存储器15，而且MAU 17也可以在工作站19或网络接口13中具体地提供。

通信网络包括同轴的、扭绞成对的、或光纤的电缆25和27，它们沿着各站之间的设施敷设和设置以提供冗余通信路径。在图1中，表示为反向旋转的双环。

每个分站3必须是自主的，即它必须在没有通信网络5时能够起作用。这提出了一个分配系统的数据库要求：对于DPU 3a，它有所有结构数据必须存储在该分站内部，使得DPU可以重新起动并执行它的控制功能，而不需要从任何外部信号源来的数据，对于一个MMI 3b结构数据也必须存储在内部，以便该分站可以重新起动。但是，由于MMI的主要功能是作为人机接口，所以工作站要求有通信网络5以获得与基显示屏幕有关的过程数据。

优选的通信网络公共通路5有与FDDI(光纤分布数据交换)标准一致的一个开放系统结构。通信网络5提供专用的和通用的通信。通用的通信是经过一个识别的标准协议来控制的，如组装在FDDI异步消息内的网间协议组的TCD/IP或UDP/IP协议。通用通信协议只要性能是适合时就可使用。相反，所述的专用的通信协议在数据等待要求禁止使用高级协议时用于处理消息业务量，如动态点数据通信。

经过通信网络5传送的系统数据单元称为网络点(net-work point)。对于一个分站是本地的数据单元称为本地点(localpoint)。与周期性有关的数据动态数据，网络点是或者以慢速率或者以快速率周期传送的。由于系统中的大量的动态数据点和动态数据的总的吞吐量要求，与消息处理有关的软件开销阻止了与周期性的作为单独的消息的网络点有关的动态点数据的传输。因此，与周期性的网络点有关的动态数据被打捆成动态数据块(DDB)以便在公共通路上传输。动态数据块是与始发包含在该数据块内的点的分站有关，并且以在整个系统中是唯一的一个数字识别符表示的。每个动态数据块有一个固定的传速率(慢或快)和与其存储处有关的一个固定容量的共享存储区。由于网络点周期性地加到每个分站3，它们被分配给由那个分站始发的正确传输速率的动态数据块。最大的动态数据等待时间的界限对于系统的正确操作是严格的。因此，动态数据块的传输作为同步FDDI帧处理，并且由网络接口13处理无须应用软件介入。所有的通用通信都作为异步FDDI帧处理。

动态数据块(DDB)29的定义在图2中说明。DDB29包括含有一个唯一的识别索引(DDB-ID)的字段，用于控制和状态的一个固定长度的标题部分，和包含分配的动态数据点(DDP)的数据部分。标题包括DDB寿命量度的一个寿命计数(age counter)。始发站将寿命计数置于DDB寿命阈值。在每个接收分站周期地运行的应用过程递减这个字段。如果它到达零，则认为数据块是“失效的”而不被使用。

标题的有效长度部分包含含有DDP的DDB的字节数，加上标题的长度和ID字段，每当DDP被加上时，标题的型式部分(ver-sion portion)就被更新，修改或从DDB中删去。

本发明的独特的特性是：由每个实时站产生的动态数据块DDB经过通信网络广播到和进入每个其它实时站中作为整体的存储器中。其它的广播系统已试图通过减少吞吐量来提高效率，而本发明实际上发送所有的数据到所有的实时站而不管它们是否需要所有的数据点。关键的因素是，这个方法不要求或最少要求由接收站的CPU进行通信处理。这是通过在每个实时站的唯一地识别的地址空间中，直接地趣储每个唯一地识别的数据块的副本来实现的，以便唯一地识别的地址空间包含当前的或最近的那个数据的图象。唯一的地址空间是由本地站分配的，而且没有必要每端都是相同的。

当在一个站由网络接口13收到唯一地识别的动态数据块时，它被该网络接口从较低的优先消息中区分出来。含有一个处理器的该网络接口对那个站保持唯一地址表以用于每个唯一地识别的动态数据块。在本发明的优选形式中，唯一地识别的动态数据块的这些唯一地址是虚地址，而在存储器15中不是绝对的实际地址。

使用在目前的大多数RISC(减少指令表的计算机)工作站中提供的存储器管理器和硬件，本发明的优选实施例将主处理器和影响减到最小。这个实施例假定：主处理器11、23使用硬件存储器地址单元17来实现将虚存储器地址空间变换为相应的实际存储器地址空间。总之，MAU 17可认为是硬件寄存器31的一个阵列，硬件寄存器由部分虚存储器地址加索引。如图3所示，变址寄存器提供实际存储器的页地址(在图3的例子中为An至A₁₂)，该硬件与虚地址的剩余部分(在该例子中为A₁₁-A₀)组合以形成实际的存储器地址。典型地MAU 17以4096字节的页容量工作，该页容量与DDB的4K容量恰好适应，其中每个DDB点用一整页。DDN容量可调节以适奕该页容量或者每个DDB可使用多页。

图4A和4B通过在存储器15的页33中存储所示的四个DDB1-4的例子来说明实现本发明的这方面的装置32和过程。对于图4A中所示的状态，MAU 17将数据块DDB1的最后图象的虚储器地址变换为实际存储器中的页45。DDB2-4的最后图象分别存储在实际存储器中的页43、48和50。网络接口13保持一个可用页的表。在此例中，那些可用的页顺序为47、49、44和46。当第一数据块DDB 1a的下一副本由网络接口以FDDI帧的形式接收时，网络接口13自动地将当前的第一DDB图象直接存储在该存储器的页47，在可用页的表中的第一层。

然后如图4B中所示，网络接口13再变换MAU 17以指示第一数据块DDB 1a的最近图象是存储在页47中。如图所示，页45加在可用缓冲器表的末尾，而页49移到该表的上部。然后再一个消息图象DDBn存储在页49，如图4B中所表示的。这样输入数据整体地存储在存储器15中的下一个可用页中。加在网络接口13上的处理负荷最小，除了在更新MAU寄存器31时可要求主处理器最少的动作之外，主处理器上未加负荷。

图5说明由网络接口13实现图4A和4B所示的过程而运行的合适的计算机程序的流程图。如在图5中的35所指出的，通过接收FDDI帧而启动网络接口13。在37进行检验以验证该消息的有效性。如果当在39所确定的该消息不是DDB时，那么在41该消息通过标准FDDI协议组而没有特别的处理。

如果在39确定的该消息是DDB，那么整帧传送到空闲缓冲器表的头部的第一存储器页，而且在43那个缓冲器从空闲表中除去。用从接收的消息中的DDB唯一识别号码，在45，相应的MAU寄存器31被更新为接收的缓冲器。

在47从MAU寄存器除去的存储器页被连接在空闲页表的尾部，在49当等待下一个FDDI帧时，网络接口将控制返回给主处理器。

本发明的另一个实施例52不使用MAU 17；但是，它确实影响主处理器11，23的性能。在这个实施例52中，它是以图6A和6B中的例子说明的，DDB的新图象的接收是由驻留在主处理器软件中的FDDI设备驱动程序控制的。要求这个FDDI设备驱动程序在表51中保持空闲页的表，它从该表中选择下一个可用的页。对数据的所有应用存取是通过从由DDB号索引的表53得到页基本寻址而间接地进行的。然后应用过程必须通过将具有位移的基本地址组合到该页中来计算适当的共享存储器的地址。每次读出或写入DDB都必须进行这个计算。

如图6A所示。接收第一消息的新图象DDB 1a的网络接口13直接将它存储在共享存储器中空闲页表51的第一空闲页基本地址4000₁₆。在这个操作期间，一个应用过程存取包含在第一消息DDB1的最后图象中的数据。这个存取是通过检索DDB-ID表53以得到由此计算位移的当前基本地址(2000₁₆)和存取该数据的共享存储器页33来实现的。当DDB 1a的接收完全时，如图6B所示，设备驱动程序必须以在DDB-ID表53索引1中的页代替新接收的DDB1a图象的基地址。第一消息的前一图象DDB1的地址的页2000₁₆加在空闲页的表51的下面。图6B还表示由网络接口13存储在页6000₁₆中存贮的另一个消息图象DDBn，该地址移到空闲页的表51的上面。

图7说明执行本发明的另一个实施例的上述步骤的主CPU的流程图。主CPU中驱动软件是由接收有效FDDI帧启动的，如在55所指出的。证实是由网络接口13进行的。如果在57多信道广播地址和唯一协议识别符表明这不是DDB数据包，则非DDB帧通过标准协议组而没有特别的处理，如在59所指出的。

如在57所确定的，如果这是DDB，则整帧传送到空闲缓冲器表的首部的存储器页，而在60，那个缓冲器从空闲表中除去。在由从接收的帧的DDB-ID字段索引的位置上，DDB-ID表53的内容变化为该帧刚存储的页的地址，如在61所给出的。在DDB-ID表53中被替换的存储器页接到空闲页表的尾部，如在63所指出的。然后在65程序退出以等待下一个FDDI帧再启动该驱动程序。

对于地图6A-B、7中说明的本发明的实施例，应用软件使用图8中流程图形式表示的程序来存储DDB内容。因而，当应用程序要求存取DDB内容时，如在67所指出的，使用DDB的唯一ID来检索DDB-ID表53。如在69所指出的。使用从DDB-ID表51得到的地址，对于应用过程要求的特定参数值的那个数据块内的位移被加上以获得实际的存储器地址，如在71所指出的。然后在73存取计算机存储器地址以在75得到返回给应用过程的要求的数据。

本发明的具体实施例已详细叙述了，根据本说明书公开内容的整个教导，本领域的技术人员懂得对本发明的细节可以进行各种修改和替换。因此，公开的具全设置仅仅是说明性的而不是对本发明的范围的限定，本发明的范围由所附的权利要求的整个宽度及其任何的所有的等效物给出。

附图中使用的标号的识别

图例标号图号

CPU 11 1

网络接口 13 1

网络接口 13 4A

网络接口 13 4B

网络接口 13 6A

网络接口 13 6B

MEM 15 1

MAU 17 1

存储器地址单元 17 3

CPU 23 1

消息 35 5

有效 37 5

DDB 39 5

正常处理 41 5

移到主存贮器 43 5

更新MAU 45 5

空闲页加到表 47 5

退出 49 5

消息 55 7

DDB 57 7

正常处理 59 7

移到主存储器 60 7

更新DDB-ID 61 7

空闲页加到表 63 7

退出 65 7

存取DDB数据 67 8

DDB-ID索引 69 8

得到地址 71 8

存取数据 73 8

完成 75 8

Claims

1.一种实时数据图象网络系统(1)，包括：

多个实时站，每个站有存储器装置(15)；

2.根据权利要求1的网络系统，其中多个所述实时站(3)的每一站产生至少一个唯一识别的数据块(DDB)；其中所述通信网络(1)从所述多个站的每一站向每个其它站重复地发送每个所述唯一识别的数据块；其中在每个站中的存储装置(32，52)在那个唯一识别的数据块特有的存储器装置(15)中的相同地址空间存储每个唯一识别的数据块的每个副本。

3.根据权利要求2的网络系统，其中至少一些所述站(3)产生第一和第二组唯一识别的数据块(DDB)；和其中所述通信网络(1)以第一重复率重复地发送第一组唯一识别的数据块和以第二较低的重复率发送第二组唯一识别的数据块。

4.根据权利要求2的网络系统，其中所述的相同地址空间是唯一的虚地址空间，和其中所述存储装置(32，52)包括将每个唯一识别的数据块的唯一虚地址空间变换为在所述存储器装置中的实际地址空间，所述唯一识别的数据块的当前副本存储在所述存储器装置中。

5.根据权利要求2的网络系统，其中每个站(3)包括一个中央处理单元(11，23)；其中所述唯一地址空间是唯一虚地址空间和其中所述存储装置(13，51)包括在所述存储器装置中保持可用的实际地址空间的表的装置，将经过所述通信网络接收的唯一识别数据块存储在所述存储器装置中选择的一个可用的实际地址空间的装置，和将所述虚地址空间变换为选择的实际地址空间以便由所述中央单元(11，23)存取所述数据块的装置(17，53)。

6.根据权利要求5的网络系统，其中保持所述可用的实际地址空间表的装置和在选择的实际地址空间中存储唯一识别的数据块的装置都设置在网络接口(13)中，和其中所述变换装置是一个存储器地址单元(17)。

7.根据权利要求5的网络系统，其中在所述存储器装置中保持所述可用的实际地址空间表的装置和将所述虚地址空间变换为所选择的实际地址空间的装置设置在所述中央处理单元(11，23)中和存储经过所述通信网络(5)接收的所述唯一识别的数据块的装置是一个网络接口(13)。

8.一种在实时数据图象网络系统(1)中分配数据的方法，该网络系统包括：多个实时站(3)，每个站包含一个中央处理单元(11，23)，一个存储器(15)和一个网络接口(13)；和一个通信网络(5)，它通过所述网络接口(13)互连所述的站(3)，所述方法的特征在于包括：

9.根据权利要求8的方法，其中所述的唯一地址空间是唯一的虚地址空间，而其中所述的存储步骤包括：

将从其它站(3)经过所述通信网络(5)接收的每个唯一识别的数据块(DDB)存储在所述存储器中的一个可用的实际地址空间(33)，和将所述可用实际地址空间变换为那个唯一识别的数据块的所述唯一虚地址空间。

10.根据权利要求9的方法，包括下列步骤：将选择的可用地址空间变换为存储在那个实际地址空间的唯一识别的数据块(DDB)的唯一虚地址空间，将那个唯一识别的数据块的在先副本所存储的实际地址空间加到可用实际地址空间的表(51)中。

11.根据权利要求10的方法，其中所述的可用实际地址空间表(51)是保持在所述网络接口(13)中，其中所述网络接口将经过网络接口(13)中，其中所述网络接口将经过所述通信网络(5)接收的唯一识别的数据块(DDB)存储在所述存储器(15)中，和其中所述虚地址空间变换为所述选择的实际地址是由存储器地址单元(17)完成的。

12.根据权利要求10的方法，其中在每个站的中央处理单元(11，23)被编程，以便保持上述可用的实际地址空间的表(51)和将所述虚地址空间变换为所述的选择的实际地址空间，和其中经过所述通信网络(5)接收的唯一识别的数据块存储在一个选择的实际地址空间是由所述网络接口(13)进行的。