1、計算機應用實踐論文：提高實時應用軟件可靠性的新途徑摘要:飛行器飛行時間短,試驗成本昂貴,試驗成敗意義重大。為了確保試驗順利進行,通常實時應用軟件的可靠性指標定為99%以上。目前計算機雙網絡和硬件“雙工熱備份”體系結構在硬件上已面臨性能上的“瓶頸”,難以從硬件平臺上再度提高實時應用軟件的可靠性。現行計算機體系結構由于雙機軟件完全一致,一旦軟件系統出現故障,會使雙工系統同時癱瘓,甚至導致試驗失利。本文針對實時應用軟件強實時性、高可靠性要求,研究建立功能完善的實時應用軟件雙工系統的方法。關鍵詞:強實時;測控軟件;操作系統;數據處理0引言強實時應用中,測控系統通常是由中心計算機系統、通信系統和測控設備

2、組成。測控軟件作為強實時應用的核心軟件,是一個集網絡互聯、數據處理、實時顯示、實時控制、信息傳輸、信息共享等于一體的規模龐大的實時應用軟件,其重要性不言而喻。該軟件具有實時性強、可靠性高、數據量大、接口關系復雜等特點,在應用中承擔著數據采集、數據處理、實時顯示、實時控制等工作。可見,測控軟件系統的可靠運行,對實現實時測量控制至關重要。本文從實時應用軟件可靠性的實際出發,研究建立功能完善的實時應用軟件雙工系統的方法。即在硬件雙工熱備份的基礎上,打破以往測量控制計算機軟件系統“單工模式”的常規,建立2套迥然不同的軟件系統。2套軟件系統遵從相同的用戶需求和接口約定,在保證2套軟件同步運行和I/O信息

3、一致性的前提下,基于異構的操作系統平臺(UNIX、VMS或其他),基于不同的數學模型、數據處理方法和不同的數據驅動機制,在軟件上實現雙工控制機制,從根本上提高測控軟件的可靠性。1提高實時應用軟件可靠性的目的縱觀國內外強實時應用領域的測控系統,在硬件上均已實現了雙工熱備份控制機制。在實時應用中,當測量控制計算機主機硬件出現異常或硬件系統故障崩潰時,通過人工或自動雙工切換,將副機切換為主機,保證測控計算機系統正常運行,有效地提高了測量控制計算機硬件的可靠性。但在軟件上一直采用歷史沿襲下來的方法,即2臺測控計算機上運行同一套測控軟件,基于相同的操作系統平臺、相同的數據處理方法、相同的應用軟件的系統架

4、構。誠然,測控計算機軟件系統在投入使用前,依照軟件工程的要求,雖然對軟件需求分析、軟件規格說明、軟件設計和編碼進行了嚴格的評審和測試1,但是隱藏在軟件產品中的錯誤、缺陷和薄弱環節是不可避免的,甚至存在某種在特定環境、特定條件下才能產生的致命錯誤。在實時應用中,各種突發事件、異常事件隨機發生,某些臨界的、非法的、偶然出現的、可能引起問題異變的測量數據都可能產生,由于雙機軟件異常處理程序完全一致,若對異常數據引起的錯誤估計不足或處理不當,則會導致雙機軟件系統同時崩潰,給實時應用造成不可預料的風險代價和無法挽回的災難性后果。在強實時應用中,曾發生過由于軟件異常處理不當造成雙機軟件系統同時癱瘓導致實時

5、處理失利的慘痛教訓,前車之鑒足可引以為戒。因此,針對強實時應用軟件的特點,從測控軟件可靠性的角度審視測控計算機軟件系統,研制適合強實時應用的測控計算機軟件雙工系統,提高測控計算機實時數據處理的可靠性,是實時應用中測控軟件必須填補的一項技術空白。可見,該方法研究對提高測控計算機軟件的可靠性意義重大,作用非凡,是實時應用領域迫切需要解決的問題。2可行性分析和技術方案2.1可行性Tru64 UNIX操作系統作為廣泛采用的主流操作系統之一,在64位操作系統中占有主導地位,具有良好的可靠性、兼容性和可移植性2,在金融、國防、商業等關鍵性計算領域得到廣泛的應用,其強實時、高可靠特性更是備受實時應用系統用戶

6、的青睞。Tru64 UNIX操作系統通過一個功能強大的實時應用函數庫,向應用開發用戶提供了一個十分完善的實時應用環境,不僅克服了通用操作系統在實時處理方面的薄弱環節,而且與傳統的通用UNIX操作系統具有極好的兼容性,是對UNIX進行實時擴充的一個優秀范例。Tru64 UNIX操作系統具有搶占式內核、固定實時優先級調度策略、存儲器鎖定、文件同步、異步I/O、實時鐘和定時器、信號量、消息、隊列等強實時特性,近年來被眾多的實時應用用戶所認可,是強實時應用首選的操作系統平臺。OpenVMS操作系統是國內外長期選用的實時操作系統平臺,一直得到廣泛的應用。因此,Tru64 UNIX和Open VMS作為C

7、OMPAQ公司的2大操作系統產品,具有豐富的應用軟件和開發工具,都對實時應用系統提供了良好的支持,都是先進成熟的操作系統,符合國際開放標準,具有良好的可擴展性和安全性。鑒于這些,測控計算機的主、副機選用上述2種操作系統作為軟件研發平臺,在技術上是完全可行的。數學模型是測控軟件實時數據處理的核心技術之一,其重要性不言而喻。20世紀80年代初期,計算機運算速度低,內外存容量有限,在實時數據處理過程中,盡量采用簡便的方法來解決計算機硬件性能上的“瓶頸”,化解計算機時間和空間之矛盾,滿足強實時性、高可靠性要求。目前,數學模型大部分仍沿用傳統的計算量少、精度較差、方法簡便的數學模型。隨著計算機和網絡技術

8、不斷發展,計算機在時間空間上已具備充足的資源,此時,選擇新的數學方法完善數學模型,對提高實時數據處理精度十分必要。軟件雙工在建立數學模型方面的含義是:2套中心機實時數據處理模型中的數據檢擇、數據實時融合和數據濾波等擬采用不同的數學方法進行實時數據處理,一方面提高2套軟件的獨立性,另一方面提高實時數據處理精度。可應用測元數據融合、可變的滑動窗口多項式濾波器與卡爾曼濾波器組合應用等方法,給出實時應用的計算準則。由于2個軟件系統由統一時間信號控制同時啟動,軟件運行起點完全一致,而2個軟件系統實時處理的進程/線程均由統一的時間信號控制同頻驅動、同步運行,因此“雙工”切換時,雙機處理的測量數據在邏輯上是

9、完全一致的。此外,主、副計算機在各自的操作系統平臺上獨立運行,“雙工”切換對實時處理沒有任何影響。在上述可靠的技術支撐下,在實時應用軟件系統的可靠性越來越被重視的趨勢下,在測控計算機系統中實現測控軟件雙工系統勢在必行。2.2技術方案為保證系統的強實時處理能力,測控計算機雙工系統軟件設計上需采用分布式處理技術、軟件集成技術、多平臺混合編程技術、同步控制技術、多進程多線程體系結構、高精度的實時數據處理等先進技術和方法,應具有完善的實時監視手段和友好的用戶界面3。系統硬件由2臺測控計算機、通信控制部件、仿真機和網絡互連設備等組成,軟件支撐環境為Tru64 UNIX V5.1操作系統、Open VMS

10、操作系統、X Windows以及C語言等,與外部信息交換采用計算機網絡,測控軟件采用多進程多線程體系結構,系統具有實時測量數據采集與處理、實時控制、實時顯示、遠程信息交換、測控數據模擬、過程重演及測控數據仿真等功能。測控計算機系統通過主干網和外設網網絡接口與通信控制部件、網絡服務器、顯示服務器、監視工作站、仿真機等節點進行信息交換,網絡數據通信所使用的通信協議均為UDP/IP協議,各網絡編程均采用標準的套接口Socket網絡編程接口API。Tru64 UNIX和Open VMS操作系統的通用內核接口均提供了完整的系統調用,應用軟件調用所需的接口函數并連接所屬的庫,就可使用操作系統提供的文件服務

11、、I/O設備服務、內存訪問管理、處理機管理等各項系統服務功能,滿足中心機軟件的通用需求。Tru64 UNIX和Open VMS操作系統均支持DEC C開發工具,2個軟件系統均可應用DEC C語言開發應用程序。鑒于中心機軟件的強實時高可靠特性,大量的實時數據處理過程須選用具有實時功能的POSIX標準實時擴展庫接口,以保證系統的實時數據處理能力。POSIX標準接口主要有:POSIX1003.1基本系統程序設計接口、POS-IX1003.1b實時擴充程序設計接口、POSIX1003.1c多線程設計接口、POSIX1003.1g網絡設計接口。用戶接口是在主干網上連接的小型計算機控制臺終端和外設網上連接

12、的中心機監視終端上分別實現的人機交互操作界面接口。系統層次結構如圖1所示。系統在設計上需建立完全獨立的測控計算機甲機軟件系統和測控計算機乙機軟件系統2大軟件系統。2個軟件系統的不同點是:(1)操作系統。甲機:Tru64 UNIX操作系統;乙機:Open VMS操作系統。(2)輸入/輸出控制機制。甲機:時間驅動,頻率為20Hz或其他;乙機:數據驅動。(3)數學方法。甲乙機采用不同的數據檢擇、數字濾波、數據融合處理等數學處理方法。(4)調度策略。甲機:基于Tru64 UNIX操作系統的固定優先級多進程多線程調度策略;乙機:基于Open VMS操作系統的固定優先級多進程調度策略。(5)體系結構。甲機:多進程多線程體系結構;乙機:多進程體系結構。3結束語隨著測控技術的不斷發展,對測控軟件的可靠性提出了更高的要求。本文通過測控軟件雙工系統實現方法的論述,給出了實現測控計算機軟件雙工系統的研究方法,對提高測控軟件的可靠性具有重要意義。在輸入/輸出控制上設計了時間驅動和數據驅動2種機制并舉的方法,既實現了同步控制功能,又保證了測控數據的完整性,提高了測控數據的實時傳輸質量和效率。選用Tru64 UNIX操作系統和O