多路數(shù)據(jù)總線(xiàn)仿真軟件的設(shè)計(jì)

1、多路數(shù)據(jù)總線(xiàn)仿真軟件的設(shè)計(jì)        摘要：在電子綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中利用計(jì)算機(jī)仿真的手段模擬多路數(shù)據(jù)總線(xiàn)的通信過(guò)程，完成總線(xiàn)通信系統(tǒng)傳輸方案的優(yōu)化和總線(xiàn)通信系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)分析，對(duì)提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率有著重要的意義。討論了總線(xiàn)通信系統(tǒng)優(yōu)化和仿真的算法模型，并以此算法開(kāi)發(fā)了多路數(shù)據(jù)總線(xiàn)仿真軟件。      總線(xiàn)通信系統(tǒng)的性能可根據(jù)總線(xiàn)負(fù)載和延遲時(shí)間率來(lái)評(píng)價(jià)。總線(xiàn)負(fù)載是傳輸信息（數(shù)據(jù)字和控制字）所需時(shí)間與通信系統(tǒng)總的激活時(shí)間的比值，它反映了系統(tǒng)可擴(kuò)充的余量；延遲時(shí)間率是傳輸消息的實(shí)

2、際延遲時(shí)間與最大允許的延遲時(shí)間的比值，反映了系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，多路?shù)據(jù)總線(xiàn)仿真軟件對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)消息塊進(jìn)行合理組織以減小以上兩個(gè)指標(biāo)，該功能通過(guò)優(yōu)化過(guò)程來(lái)完成，仿真結(jié)果可用仿真報(bào)告形式輸出，也可用圖形方式顯示。借助于各種仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可對(duì)總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的性能作出客觀評(píng)價(jià)，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的調(diào)整，以生成最優(yōu)效率的通信系統(tǒng)。    本文作者開(kāi)發(fā)的多路數(shù)據(jù)總線(xiàn)仿真軟件具有風(fēng)格的人機(jī)界面，而且操作方便，實(shí)現(xiàn)功能全面，該軟件已經(jīng)成功地用于某型號(hào)航空電子綜合化系統(tǒng)工程的輔助設(shè)計(jì)中，效果良好。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化  

3、60; 與仿真相關(guān)的原始數(shù)據(jù)文件有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義文件、消息塊清單文件、意外活動(dòng)文件、通信協(xié)議定時(shí)參數(shù)文件等四種數(shù)據(jù)文件的輸入。    ·系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義文件唯一確定了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一條記錄對(duì)應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)終端。    ·消息塊清單文件給出系統(tǒng)將要在總線(xiàn)上傳輸?shù)乃邢?，每一個(gè)記錄描述了一個(gè)消息的內(nèi)容。記錄的域值有：消息類(lèi)型、消息編號(hào)、消息的源、消息的目的、最大允許延遲時(shí)間和消息的傳輸機(jī)制。    ·意外活動(dòng)文件定義那些需占用總線(xiàn)通信時(shí)間（如通信指令，其通信指令不出現(xiàn)在總線(xiàn)表

4、中）的活動(dòng)。    ·通信協(xié)議定時(shí)參數(shù)文件定義了指令字、狀態(tài)字、數(shù)據(jù)字的傳輸時(shí)間，終端響應(yīng)時(shí)間和消息傳輸間隔等。    在進(jìn)行通信傳輸方案優(yōu)化前先進(jìn)行預(yù)處理以形成完備的消息塊清單文件。預(yù)處理過(guò)程分兩步：排序處理和機(jī)制插入處理。排序處理是為了整理從文件中提取的消息塊清單文件，排序原則是：按消息塊最大允許延遲時(shí)間（）由小到大進(jìn)行排序；具有相同最大允許延遲時(shí)間的消息塊以消息量大小由大到小排序。    通信機(jī)制的插入處理是依據(jù)改進(jìn)的靜態(tài)總線(xiàn)控制協(xié)議檢測(cè)更新消息傳輸?shù)臋C(jī)理，通過(guò)發(fā)送矢量字方式指令檢測(cè)消息的

5、數(shù)據(jù)是否更新。機(jī)制插入處理即完成將矢量字插入到需檢測(cè)的消息塊之前的操作。    在電子綜合系統(tǒng)中，不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)傳輸有不同的最大允許延遲時(shí)間。最大的最大允許延遲時(shí)間定義為大周期，記為（），而把最小的最大允許延遲定義為小周期，記為（），那么大周期中含有的小周期的個(gè)數(shù)為：    （）（）（）    其中為整數(shù)，通常不大于。    因此，對(duì)于某一最大允許延遲時(shí)間的消息，在一個(gè)大周期（含個(gè)小周期）之內(nèi)，應(yīng)安排傳輸次，其中第一次安排傳輸，可以排在大周期的前個(gè)小周期的任一個(gè)之內(nèi)，這個(gè)小周

6、期的序號(hào)稱(chēng)為安排消息的相位，用來(lái)表示，那么隨后幾次則必須安排在第（·）個(gè)小周期內(nèi)，這，但應(yīng)保證前式的值小于等于。將系統(tǒng)中各類(lèi)消息安排傳輸必須遵循的原則列于表中。表1 消息傳輸安排情況某消息最大允許延遲時(shí)間與小周期的比率大周期中可能傳輸該消息的次數(shù)該消息幾個(gè)小周期安排傳輸一次（小周期個(gè)數(shù)）12 n122 n-12 12 22 n-22 22 i （0in）2 n-i2 i2 n12 n    優(yōu)化算法模型要解決的問(wèn)題是如何才能在消息傳輸規(guī)定的最大允許延遲時(shí)間范圍之內(nèi)（滿(mǎn)足表），合理安排每條消息的傳輸相位，使各條消息的延遲時(shí)間率達(dá)到均衡，從而達(dá)到總線(xiàn)負(fù)載均衡

7、。針對(duì)最大延遲時(shí)間為（）的消息（,也就是最大延遲時(shí)間為小周期的倍的消息，我們把大周期中的每個(gè)小周期按順序劃分為一組，這樣，對(duì)于這種消息，在一個(gè)大周期中就有個(gè)組。首先注意第一個(gè)組，原則上講，消息可以安排在此組的任一個(gè)小周期內(nèi)，但是為了達(dá)到優(yōu)化的目的，我們?cè)跊Q定消息的相位之前，首先檢測(cè)組內(nèi)各個(gè)小周期的消息傳輸時(shí)間的當(dāng)前累加值，并且將消息安排在最先檢測(cè)到的累加值最小的小周期內(nèi)，那么這個(gè)小周期既是該消息的相位，與此同時(shí)，插入到這個(gè)小周期的該消息的傳輸時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)也要累加在該小周期的累加值上，供下一條消息檢測(cè)。在第一組安排相位之后，一個(gè)大周期內(nèi)，余下的個(gè)小組中的相位，則應(yīng)安排在第·個(gè)小周期內(nèi)（，）

8、，當(dāng)然要保證前式的值小于或等于。    依照上述優(yōu)化算法，每條消息的傳輸相位總是安排在用于消息傳輸時(shí)間最小的小周期中，從而各個(gè)小周期用于消息傳輸時(shí)間的差異不會(huì)超過(guò)一條消息的傳輸時(shí)間，這一點(diǎn)可得到數(shù)學(xué)上的證明。用這種優(yōu)化方案應(yīng)用于系統(tǒng)，總線(xiàn)的平均延遲時(shí)間率是均衡的，而且此優(yōu)化方案的解是唯一的，可生成唯一的總線(xiàn)表文件，從根本上解決了優(yōu)化方案唯一解的問(wèn)題。用數(shù)學(xué)歸納法可以證明上述優(yōu)化算法模型。 仿真    仿真運(yùn)算即對(duì)總線(xiàn)通信系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行仿真。它按照消息塊的性質(zhì)模擬宿主機(jī)的消息塊的產(chǎn)生，并模擬宿主機(jī)對(duì)總線(xiàn)接口板（）的操作（如矢量字置位

9、等），同時(shí)對(duì)總線(xiàn)控制器（）的工作情況進(jìn)行仿真以便考慮在硬件時(shí)間延遲的情況下產(chǎn)生所需要的命令字，以及消息在總線(xiàn)上的傳輸過(guò)程。在仿真過(guò)程中將收集大量所需要的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后產(chǎn)生輸出報(bào)告和圖形顯示。仿真算法如下：首先進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，隨機(jī)產(chǎn)生意外活動(dòng)發(fā)生隊(duì)列；對(duì)意外活動(dòng)按時(shí)間先后順序進(jìn)行排序，形成排序后的意外活動(dòng)隊(duì)列；隨機(jī)產(chǎn)生消息塊的數(shù)據(jù)更新隊(duì)列。    然后開(kāi)始模擬總線(xiàn)運(yùn)行，啟動(dòng)總線(xiàn)表（）的循環(huán)，程序便依據(jù)總線(xiàn)表中消息的安排次序來(lái)模擬實(shí)際總線(xiàn)組織消息的傳輸，有以下幾個(gè)步驟：    （）首先檢測(cè)是否有意外活動(dòng)發(fā)生，即條件：意外活動(dòng)發(fā)生時(shí)間總線(xiàn)運(yùn)

10、行時(shí)間，如果條件成立，則說(shuō)明有意外活動(dòng)發(fā)生，將此意外活動(dòng)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)算入到總線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間中，若條件不成立，說(shuō)明沒(méi)有意外活動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)到（）。    （）從優(yōu)化的總線(xiàn)表中取出消息塊的序號(hào)，此消息塊即是此時(shí)準(zhǔn)備要傳輸?shù)南?，?duì)于不同傳輸機(jī)制的消息處理的方式有以下幾點(diǎn)不同：    · 對(duì)于采用更新機(jī)制的消息，如果有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，即滿(mǎn)足條件：消息的更新數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)間此時(shí)總線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間，則根據(jù)通信協(xié)議計(jì)算該消息的傳輸時(shí)間并且計(jì)算入總線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間中，如果條件不滿(mǎn)足則只計(jì)算入消息檢測(cè)時(shí)間。    · 對(duì)于矢量字消息

11、，只要是總線(xiàn)表中輪循到，就把矢量字傳輸時(shí)間計(jì)算到總線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間中即可。    · 對(duì)于簡(jiǎn)單機(jī)制的消息，只要是總線(xiàn)表中輪循到，就根據(jù)通信協(xié)議計(jì)算該息傳輸時(shí)間，并計(jì)算到總線(xiàn)運(yùn)行時(shí)間中即可。    ·在消息的傳輸過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生消息的重寫(xiě)：某一消息塊在前一次的新數(shù)據(jù)未被傳輸?shù)侥康牡貢r(shí)又產(chǎn)生了新的數(shù)據(jù)，如果允許重寫(xiě)則覆蓋了，如果不允許重寫(xiě)，則不能覆蓋，傳輸時(shí)仍然傳輸。    （）在仿真過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，記錄消息傳輸延遲時(shí)間、更新數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)、舊數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)、檢測(cè)次數(shù)以及重寫(xiě)次數(shù)等，以便進(jìn)

12、行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)形成仿真報(bào)告和圖形。    （）在組織完一次消息傳輸后，程序再跳到()，組織下一條消息的傳輸，如此不斷循環(huán)直到到達(dá)仿真時(shí)間。    最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算輸出仿真報(bào)告和圖形。    我們以某電子綜合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為例給出部分仿真結(jié)果和圖形（見(jiàn)圖，圖）。    總線(xiàn)負(fù)載和平均延遲率是評(píng)價(jià)總線(xiàn)通信系統(tǒng)性能的重要參數(shù)：    ·總線(xiàn)負(fù)載（ 是傳輸信息（數(shù)據(jù)字和控制字）所需時(shí)間與通信系統(tǒng)總的激活時(shí)間的比值，它反映了系統(tǒng)可擴(kuò)充的余量，公式為：&#

13、160;   總線(xiàn)負(fù)載傳輸信息量（數(shù)據(jù)字和控制字） / 總線(xiàn)激活時(shí)間   （）    ·平均延遲率，延遲時(shí)間率是傳輸消息的實(shí)際延遲時(shí)間與最大允許延遲時(shí)間的比值，那么在某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)所有消息的平均延遲時(shí)間率定義為：    式中為平均延遲率，為消息總數(shù)。平均延遲率反映了系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，它與總線(xiàn)負(fù)載的概念是相關(guān)聯(lián)的，當(dāng)總線(xiàn)達(dá)到理想化的總線(xiàn)負(fù)載均衡時(shí)，每個(gè)消息的延遲時(shí)間率都應(yīng)等于平均延遲時(shí)間率。實(shí)際傳輸中，各個(gè)消息的延遲時(shí)間率越接近，則說(shuō)明總線(xiàn)的負(fù)載均衡程度越好。信息傳輸時(shí)，達(dá)到總線(xiàn)負(fù)

14、載均衡可保證總線(xiàn)信息傳輸安全可*、高效、避免發(fā)生總線(xiàn)阻塞。    延遲率曲線(xiàn)描述了在整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)消息傳輸?shù)淖畲?、平均、最小延遲率隨時(shí)間的變化情況，從最后給出的統(tǒng)計(jì)報(bào)告得到：    ·最大延遲時(shí)間率：    ·平均延遲時(shí)間率：    ·總線(xiàn)負(fù)載：    ·傳輸消息次數(shù)：    ·重寫(xiě)次數(shù)：    從圖中也可以看出，在的仿真時(shí)間內(nèi)消息的延遲率較低，而且消息延遲率最多集中在之間（共有次）和之間（共有次），在所有次消息傳輸中沒(méi)有發(fā)生消息的傳輸延遲時(shí)間超過(guò)最大允許延遲時(shí)間的情況，也沒(méi)有發(fā)生重