多路數(shù)據(jù)總線仿真軟件的設(shè)計

1、多路數(shù)據(jù)總線仿真軟件的設(shè)計        摘要：在電子綜合系統(tǒng)的設(shè)計中利用計算機仿真的手段模擬多路數(shù)據(jù)總線的通信過程，完成總線通信系統(tǒng)傳輸方案的優(yōu)化和總線通信系統(tǒng)性能的評價分析，對提高系統(tǒng)的設(shè)計效率有著重要的意義。討論了總線通信系統(tǒng)優(yōu)化和仿真的算法模型，并以此算法開發(fā)了多路數(shù)據(jù)總線仿真軟件。      總線通信系統(tǒng)的性能可根據(jù)總線負(fù)載和延遲時間率來評價。總線負(fù)載是傳輸信息（數(shù)據(jù)字和控制字）所需時間與通信系統(tǒng)總的激活時間的比值，它反映了系統(tǒng)可擴充的余量；延遲時間率是傳輸消息的實

2、際延遲時間與最大允許的延遲時間的比值，反映了系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩嗦窋?shù)據(jù)總線仿真軟件對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)消息塊進(jìn)行合理組織以減小以上兩個指標(biāo)，該功能通過優(yōu)化過程來完成，仿真結(jié)果可用仿真報告形式輸出，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)計人員可對總線通信網(wǎng)絡(luò)的性能作出客觀評價，指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計人員對系統(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)。    本文作者開發(fā)的多路數(shù)據(jù)總線仿真軟件具有風(fēng)格的人機界面，而且操作方便，實現(xiàn)功能全面，該軟件已經(jīng)成功地用于某型號航空電子綜合化系統(tǒng)工程的輔助設(shè)計中，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、意外活動文件、通信協(xié)議定時參數(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)，每一條記錄對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的一個終端。    ·消息塊清單文件給出系統(tǒng)將要在總線上傳輸?shù)乃邢?，每一個記錄描述了一個消息的內(nèi)容。記錄的域值有：消息類型、消息編號、消息的源、消息的目的、最大允許延遲時間和消息的傳輸機制。    ·意外活動文件定義那些需占用總線通信時間（如通信指令，其通信指令不出現(xiàn)在總線表

4、中）的活動。    ·通信協(xié)議定時參數(shù)文件定義了指令字、狀態(tài)字、數(shù)據(jù)字的傳輸時間，終端響應(yīng)時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)處理過程分兩步：排序處理和機制插入處理。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間（）由小到大進(jìn)行排序；具有相同最大允許延遲時間的消息塊以消息量大小由大到小排序。    通信機制的插入處理是依據(jù)改進(jìn)的靜態(tài)總線控制協(xié)議檢測更新消息傳輸?shù)臋C理，通過發(fā)送矢量字方式指令檢測消息的

5、數(shù)據(jù)是否更新。機制插入處理即完成將矢量字插入到需檢測的消息塊之前的操作。    在電子綜合系統(tǒng)中，不同類型的數(shù)據(jù)傳輸有不同的最大允許延遲時間。最大的最大允許延遲時間定義為大周期，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數(shù)為：    （）（）（）    其中為整數(shù)，通常不大于。    因此，對于某一最大允許延遲時間的消息，在一個大周期（含個小周期）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小周期的任一個之內(nèi)，這個小周

6、期的序號稱為安排消息的相位，用來表示，那么隨后幾次則必須安排在第（·）個小周期內(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)該消息幾個小周期安排傳輸一次（小周期個數(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題是如何才能在消息傳輸規(guī)定的最大允許延遲時間范圍之內(nèi)（滿足表），合理安排每條消息的傳輸相位，使各條消息的延遲時間率達(dá)到均衡，從而達(dá)到總線負(fù)載均衡

7、。針對最大延遲時間為（）的消息（,也就是最大延遲時間為小周期的倍的消息，我們把大周期中的每個小周期按順序劃分為一組，這樣，對于這種消息，在一個大周期中就有個組。首先注意第一個組，原則上講，消息可以安排在此組的任一個小周期內(nèi)，但是為了達(dá)到優(yōu)化的目的，我們在決定消息的相位之前，首先檢測組內(nèi)各個小周期的消息傳輸時間的當(dāng)前累加值，并且將消息安排在最先檢測到的累加值最小的小周期內(nèi)，那么這個小周期既是該消息的相位，與此同時，插入到這個小周期的該消息的傳輸時間開銷也要累加在該小周期的累加值上，供下一條消息檢測。在第一組安排相位之后，一個大周期內(nèi)，余下的個小組中的相位，則應(yīng)安排在第·個小周期內(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間最小的小周期中，從而各個小周期用于消息傳輸時間的差異不會超過一條消息的傳輸時間，這一點可得到數(shù)學(xué)上的證明。用這種優(yōu)化方案應(yīng)用于系統(tǒng)，總線的平均延遲時間率是均衡的，而且此優(yōu)化方案的解是唯一的，可生成唯一的總線表文件，從根本上解決了優(yōu)化方案唯一解的問題。用數(shù)學(xué)歸納法可以證明上述優(yōu)化算法模型。 仿真    仿真運算即對總線通信系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行仿真。它按照消息塊的性質(zhì)模擬宿主機的消息塊的產(chǎn)生，并模擬宿主機對總線接口板（）的操作（如矢量字置位

9、等），同時對總線控制器（）的工作情況進(jìn)行仿真以便考慮在硬件時間延遲的情況下產(chǎn)生所需要的命令字，以及消息在總線上的傳輸過程。在仿真過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，隨機產(chǎn)生意外活動發(fā)生隊列；對意外活動按時間先后順序進(jìn)行排序，形成排序后的意外活動隊列；隨機產(chǎn)生消息塊的數(shù)據(jù)更新隊列。    然后開始模擬總線運行，啟動總線表（）的循環(huán)，程序便依據(jù)總線表中消息的安排次序來模擬實際總線組織消息的傳輸，有以下幾個步驟：    （）首先檢測是否有意外活動發(fā)生，即條件：意外活動發(fā)生時間總線運

10、行時間，如果條件成立，則說明有意外活動發(fā)生，將此意外活動的時間開銷算入到總線運行時間中，若條件不成立，說明沒有意外活動發(fā)生轉(zhuǎn)到（）。    （）從優(yōu)化的總線表中取出消息塊的序號，此消息塊即是此時準(zhǔn)備要傳輸?shù)南ⅲ瑢τ诓煌瑐鬏敊C制的消息處理的方式有以下幾點不同：    · 對于采用更新機制的消息，如果有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，即滿足條件：消息的更新數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間此時總線運行時間，則根據(jù)通信協(xié)議計算該消息的傳輸時間并且計算入總線運行時間中，如果條件不滿足則只計算入消息檢測時間。    · 對于矢量字消息

11、，只要是總線表中輪循到，就把矢量字傳輸時間計算到總線運行時間中即可。    · 對于簡單機制的消息，只要是總線表中輪循到，就根據(jù)通信協(xié)議計算該息傳輸時間，并計算到總線運行時間中即可。    ·在消息的傳輸過程中可能會產(chǎn)生消息的重寫：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又產(chǎn)生了新的數(shù)據(jù)，如果允許重寫則覆蓋了，如果不允許重寫，則不能覆蓋，傳輸時仍然傳輸。    （）在仿真過程中同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，記錄消息傳輸延遲時間、更新數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)、舊數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)、檢測次數(shù)以及重寫次數(shù)等，以便進(jìn)

12、行數(shù)據(jù)統(tǒng)計形成仿真報告和圖形。    （）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)仿真時間。    最后進(jìn)行統(tǒng)計運算輸出仿真報告和圖形。    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（見圖，圖）。    總線負(fù)載和平均延遲率是評價總線通信系統(tǒng)性能的重要參數(shù)：    ·總線負(fù)載（ 是傳輸信息（數(shù)據(jù)字和控制字）所需時間與通信系統(tǒng)總的激活時間的比值，它反映了系統(tǒng)可擴充的余量，公式為：&#

13、160;   總線負(fù)載傳輸信息量（數(shù)據(jù)字和控制字） / 總線激活時間   （）    ·平均延遲率，延遲時間率是傳輸消息的實際延遲時間與最大允許延遲時間的比值，那么在某個時間范圍內(nèi)所有消息的平均延遲時間率定義為：    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剩c總線負(fù)載的概念是相關(guān)聯(lián)的，當(dāng)總線達(dá)到理想化的總線負(fù)載均衡時，每個消息的延遲時間率都應(yīng)等于平均延遲時間率。實際傳輸中，各個消息的延遲時間率越接近，則說明總線的負(fù)載均衡程度越好。信息傳輸時，達(dá)到總線負(fù)

14、載均衡可保證總線信息傳輸安全可*、高效、避免發(fā)生總線阻塞。    延遲率曲線描述了在整個仿真時間內(nèi)消息傳輸?shù)淖畲?、平均、最小延遲率隨時間的變化情況，從最后給出的統(tǒng)計報告得到：    ·最大延遲時間率：    ·平均延遲時間率：    ·總線負(fù)載：    ·傳輸消息次數(shù)：    ·重寫次數(shù)：    從圖中也可以看出，在的仿真時間內(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有發(fā)生消息的傳輸延遲時間超過最大允許延遲時間的情況，也沒有發(fā)生重