（计算机应用技术专业论文）besⅢ数据流信息监测系统的研究与实现.pdf

摘要 本论文的主要内容是北京谱仪( b e s ) i i i 在线数据获取系统研究工作的一部 分，实现了对数据流信息的监测。 升级改造后的b e s i i i 数据获取系统大规模运用了先进的计算机和网络技术。 由于该系统规模巨大，设计中采用了多种最新技术，数据处理需要多级缓冲，传 送数据的带宽要求高以及运行费用昂贵等原因，系统运行时需要对运行状况进行 监测与分析。本论文在学习研究数据获取系统工作原理的基础上对数据流信息进 行监测，并加以实现。论文的主要工作如下： 介绍了论文的背景，学习研究了北京正负电子对撞机进行粒子物理实验的与 本论文有关的基本理论和主要方法。 结合b e s i i i 数据获取系统的设计要求，对数据流信息的监测系统的设计进 行了需求分析，并提出整体设计方案。 编程实现了数据流信息的监测：采用c 和c + + 语言将数据流信息读出并存入 m y s q l 数据库；利用h x m l 和p h p 语言设计用户操作界面和数据流信息的显示。 最后论文给出进一步改进的方案。 经过测试，数据流信息监测系统完全满足设计要求，并且运行效果良好，达到 了设计目的。 关键词：b e s i li ；数据获取系统；数据流；l s ；d f m ；r o s ；s f a b s t r a c t t h ec e n t r a lc o n t e n to ft h et h e s i si sap a r to ft h er e s e a r c ht a s ko nb e i j i n g s p e c t r o m e t e r ( b e s ) i i id a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a o ) i tr e a l i z e st h em o n i t o r i n g o fd a t af l o wi n f o r m a t i o n a f t e ru p d a t e da n dr e b u i l t ，t h eb e si i i d a qe x e r tc o m p u t e ra n dn e t w o r k t e c h n o l o g yo nal a r g es c a l e s i n c et h es y s t e md i m e n s i o n si sv e r yl a r g e ，m u c hu pt o d a t et e c h n o l o g yi s a d o p t e di nt h ed e s i g n ，t h ed a t ap r o c e s s i n gn e e d sm u l t i l e v e l a m o r t i z a t i o n ，t h eb a 。n d w i d t ho ft r a n s f e rd a t an e e d sh i g hp e r f o r m a n c e ，t h er u n n i n g e x p e n d i t u r ei se x p e n s i v ea n do t h e rr e a s o n s ，i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o ra n da n a l y z e t h er u n n i n gs t a t u s t h i st h e s i s ，b a s e do nt h es t u d yo fd a q so p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ， b r i n g sf o r w a r da n dr e a l i z et h ed e s i g np r o j e c to ft h e d a t af l o wi n f o r m a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m t h em a i nw o r ko ft h et h e s i sa r et h ef o l l o w i n g s i n t r o d u c i n gt h et h e s i sb a c k g r o u n d ，t h a ti st os a y , t h ee l e m e n t a r yt h e o r ya n d p r i m a r ym e t h o dc o n c e r n e dt ot h et h e s i st h r o u g hb e i j i n ge l e c t r o np o s i t i o nc o l l i d e r t or e s e a r c hp a r t i c l ep h y s i c se x p e r i m e n t a n a l y z i n gt h ed e m a n do ft h ed a t af l o wi n f o r m a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma n d p u tf o r w a r dt h ew h o l ed e s i g np r o j e c ta c c o r d i n gt ot h ed e s i g nd e m a n do ft h ed a q p r o g r a m m i n ga n dr e a l i z i n gt h ed a t af l o wi n f o r m a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ： r e a d i n go u tt h ei n f o r m a t i o na n ds t o r i n gt h e mt ot h ed a t a b a s em y s q lb yc a n dc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ；d e s i g n i n g t h eu s e ri n t e r f a c ea n d d i s p l a y i n g t h e i n f o r m a t i o nb yh t m la n dp h pw e bp r o g r a m m i n gl a n g u a g e s o m ea d v i c e st oi m p r o v et h em o n i t o r i n gs y s t e ma r eg i v e na tt h ee n do ft h e t h e s i s a f t e rt e s t i n g ，t h ed a t af l o wi n f o r m a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ms a t i s f i e st h ed e s i g n d e m a n da n dr u n sv e r yw e l l i ta t t a i n si t sg o a l sc o m p l e t e l y k e yw o r d s ：b e s i i i ；d a q ；d a t af l o w ；i s ；d f m ；r o s s f i ，珏 b e p c b e s i s b s r f b e v d f m s f i s f o r o s e f d a q a d c t d c c b l t m d c i h e p e o e t d a q h t t p o k s 缩略词 b e ij i n ge 1 e c t r o np o s i t r o n c o l l i d e r b e i ji n gs p e c t r o m e t e r i n f o r m a t i o ns e r v i c e 8 e i j i n gs y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y g i g ae l e c t r o nv o l t d a t af l o wm a n a g e r s u b - f a r mi n t e r f a c e s u b f a r mo u t d u t r e a do u ts y s t a m e v e n tf i1 t e r d a t aa c q u is i t i o n a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r t i m e t o - d i g it a lc o n v e r t e r c h a i n e db 1 0 c kt r a n s f e l m a i nd r i f tc h a m b e r i n s t i t u t eo fh i g he n e r g yp h y s i t s e n do fe v e n t t r i g g e r d a o h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l o b j e c tk e r n e ls u p p o r t l * 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：弦研i 日期：巧年中月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：淼嘲 导师签名： 日期：够年p 月7 0 日 日期：西年，月日 第一章前言帚一旱月u苗 北京正负电子对撞机( b e i j i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o i l i d e r ，b e p c ) 是中科 院高能物理研究所建成的一个大型实验装置，主要通过正负电子对撞进行粒子研 究。北京谱仪( b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ，b e s ) 是b e p c 上的一个重要组成部分，由 多个子探测器组成。目前正在进行b e p c i i b e s i i i 的升级。数据获取系统是b e s i i i 的 重要环节之一，其任务是利用计算机网络将经过电子学触发判选和模数转换后的 探测器输出数据读出、分析、组装和存储，并进行必要的状态监测和运行控制。 数据流( d a t af l o w ) 子系统是在线数据获取过程中的关键部分，主要完成事 例数据的读出，送到事例组装器组装成完整事例，然后记录到大型存储器。由于 整个数据获取系统硬件众多，软件构成复杂，所要处理的数据量大，实时性强， 因此，数据获取过程中，对数据流子系统中各程序的运行状况进行监测非常必要。 通过实时监测，可以及时发现系统中存在的问题并做出相应的处理：通过长时间 监测可以了解系统在一段时闻内的运行情况，为分析系统的性能及运行效率提供 了依据。本论文的主要工作就是通过对数据流信息的存储与显示实现对在线系统 的监测。 文中用到的一个重要的组件是信息服务组件i s ( i n f o r m a t i o ns e r v i c e ) ，它是 在线软件( o n li n es o f t w a r e ) 的一部分，用于分布式环境下应用程序间信息的共 享。在线软件是数据获取系统中必不可少的子系统，主要完成对数据获取系统的 配置、控制和监测。文中的设计方案是首先将数据流信息发送到i s ，然后通过i s 将每个数据流信息保存到数据库，最后用动态图像进行最示，从而实现监测任务。 1 1 粒子物理实验简介 人类对物质结构的认识是一个逐渐发展的过程，在2 0 世纪有一飞跃的进展， 从原子深入到电子、原子核、质子、中子，再进一步到夸克和轻子。现在认为， 已知的物质由1 2 种基本粒子及其反粒子组成的，它们是6 种夸克和6 种轻子及其 反粒子。 在对无限小物质世界的研究中，粒子物理实验发挥了非常大的作用。粒子物理 实验过程中，由粒子源轰击其它粒子产生反应，探测器系统测量反应产物获取实 验数据，再通过离线数据分析取得物理结果，如粒子的动量、能量、种类等。由 于研究进入了核子夸克层次，要求轰击粒子的能量更高，因此，粒子物理又被称 为高能物理”1 。 粒子物理实验可概括为粒子源、探测器和数据分析三个组成部分。粒子源可以 是加速器或对撞机，也可以是不用加速器的宇宙线。在粒子物理实验中，粒子探 测器与数据获取是核心环节。粒子物理实验上的飞速发展，主要归功于粒子加速 器和粒子探测器的不断发展m ”，。 1 2 北京正负电子对撞机和北京谱仪简介 北京正负电子对撞机是由中国科学院高能物理研究所于1 9 8 8 年建成的。它由 注入器( b e l ) 、输运线、储存环、北京谱仪和同步辐射装置( b e i j i n gs y n c h r o t r o n r a d i a t i o nf a c i l i t y ，b s r f ) 等几部分组成。北京谱仪是台大型通用磁谱仪，它是 各种子探测器的集合，包括中心漂移室、主漂移室、飞行时间计数器、簇射计数 器、螺线管磁体、子计数器、亮度监测器及各予探测器的电子学系统以及触发系 统、数据获取系统和离线分析系统等。b e p c 和b e s 的建成，开始了我国加速器 高能物理实验研究。1 0 多年来，北京谱仪取得了许多重要的成果，粲物理实验研 究、c 轻子质量精确测量、强子r 值的精确测量等处于国际领先地位，国际权威的 粒子数据表( p d g ) i ；l 用了北京谱仪的1 1 6 项成果。 高能物理实验总的发展趋势是大型化和复杂化，这是因为，加速器将束流的能 量提高的越高，终态粒子就越多，事例也越复杂，而实验要求对高本底下的稀有 事例进行分析。因此，1 9 9 5 1 9 9 8 年对b e s 进行了首次升级改造，即b e s i i 。2 0 0 4 年3 月b e s i i 完成使命，结束运行。为了继续保持在科学上的竞争力，目前正对 加速器和探测器进行重大改造“。b e p c 在较短的时间内将亮度提高1 砣个数量级， 达到b e p c i i 的设计要求。升级后的探测器( b e s i i i ) 将大幅度提高其分辨率以减 少系统误差，与b e p c i 的高事例率相匹配n ，? 目前，对粒子的研究只能借助“间接观察”方式。b e p c i i 的加速器将正负电 子束流加速，使其能量达到3 4 g e v ( g i g ae l e c t r o nv o l t ) ，然后进行对撞，产生终 态粒子。当这些粒子穿过b e s 的每个探测器时，与其中的物质发生相互作用而产 生微弱信号，电子学将探测器发送过来的信号通过模数转换把模拟信号转变为数 字信号，并且进行触发判选，挑选出好事例；数据获取系统将事例数据段读出， 将其组装成完整事例数据，然后保存到大容量存储器；最后对数据进行分析、处 理，把数据还原为反应产物的各种物理量，包括位置、动量、能量、速度、电离 能损、飞行时间等，并且鉴别出粒子种类。b e s 的工作过程如图1 1 所示。 瞄1 1b e s 二作漉程圈 1 3 b e s i i i 数据获取系统概述 b e s i i i 数据获取系统的主要任务是获取通过级触发判选后的前端电子学事 例数据，经过两级计算机预处理和高速网络传输，将分布在各电子学读出机箱中 的事例数据段迅速地汇集到在线计算机系统上进行事例组装和过滤，整理成为完 整的有效事例，最终将选中的事例数据通过网络传送到计算中心记录到永久介质 上n ，“。 为了从前端电子学系统中快速读出数据并使系统死时间( d e a dt i m e ) 尽可能地 小，b e s i i i 数据获取系统设计将大量采用多级数据缓冲技术、并行处理技术、v m e 总线高速读出技术以及网络传输技术。所谓死时问就是系统处理每个事件所需要 的时间。如果在后一个事件发生之前来不及处理完前一个事件，该事件就会丢失， 这就是死时间损失。系统的死时间取决于探测器、电子学和数据处理器的速度等 诸多因素。多级数据缓冲可以有效地减小由于高能物理实验事例产生的随机性而 引起的死对间，基于网络交换机的并行数据传送可以提高数据流量和完成事倒的 并行处理”， 在数据获取过程中，数据流子系统起着重要的作用。它是在线系统的核心组件， 主要有如下几个程序组成：d f m ( d a t af l o wm a n a g e r ) 、r o s ( r d a do u ts y s t e m ) 、 s f i ( s u b f a r mi n t e r f a c e ) 等。r o s 从读出机箱读取事例数据，d f m 为每个事例 分配s f i ，并且通知r o s 将相应的事例数据段发送给指定的s f i ，s f i 完成事例的 组装。当事例组装完毕，发送到事例过滤器e f ( e v e n tf i l t e r ) 对事例进行筛选， 最后将选中的事例数据保存到大容量存储器n m 。 1 4 在线软件概述 在线软件( o n l i n es o f t w a r e ) 是数据获取系统的一个子系统。它用来配置、控 制数据获取系统，但不处理和传输物理数据。它实质上是将各子系统粘在一起的 “胶水”。它必须与其它的子系统共存，如数据流、触发器、处理器机群、事例组 装器等子系统，并具有同这些子系统的接口“”。 在线软件由许多软件模块组成，其中的组件l s 是在线软件的信息服务组件， 用于分布式环境下应用程序之间的信息共享，由服务器和客户端组成。服务器用 于存放信息，客户端主要有信息提供者( i n f o r m a t i o np r o v i d e r ) 、信息订阅者 ( i n f o r m a t i o ns u b s c r i b e r ) 和信息读取者( i n f o r m a t i o nr e a d e r ) 。信息提供者可以 向服务器提供信息，更新或删除已存在的信息；信息读取者通过发送请求读取信 息：信息订阅者可以订阅信息，当订阅的信息产生、更新或删除时，自动得到通 知。 1 5b e $ 1 1 1 数据流信息的监测 数据获取系统运行时，数据流应用程序对大量的数据进行处理，为了保证数据 获取的正常进行，以及当前和日后分析的需要，应随时了解数据流子系统的各应用 程序的运行情况。运行过程中数据流应用程序将各自的信息提供给i s 服务器。 数据获取系统运行过程中，数据流信息不停地发生变化，但i s 不能保存所有的历 史数据，因此需要将信息的每一次变化都保存到数据库。同时，为了方便监测与分 析，还需要将信息的变化情况用动态图像的形式显示出来，为用户提供一个友好 的界面。这样，通过对数据流信息进行实时监测，可以随时了解数据获取系统运 行情况，如分配事例率、组装事例率等。当运行状况达不到设计要求时，就要对 相应部件进行调整。因此，对数据获取系统的正常运行具有重要意义。 1 6 论文章节介绍 本论文的第二章讲述了b e s i i 数据获取系统的设计要求，包括系统的任务、数 据量、系统构成、配置要求、读出系统、在线系统，还有其他支持系统。这一章 对b e s i i i 数据获取系统进行了详细全面的阐述，通过这一章的介绍，可以对本论 文的课题背景有一个清晰的认识。 笫三章详细说明了数据流系统的任务、工作流程、软件组成等和信息系统i s 的功能、提供的应用程序接口，包括信息的类型以及信息的插入、更改、删除、 订阅、读取等。由于数据流监测系统主要是与这两个子系统进行通信，因此单独 作为一章进行了描述，也为下一章的实现部分做好铺垫。 第四章详细介绍了b e s i i 数据流信息监测系统的具体实现，包括设计目标、方 案的选择、平台配置、各个功能模块的实现细节等内容。这一章是系统设计的主 要工作，也是本论文的重点部分。 第五章以具体的图形为例，分析了系统的运行情况。最后对整个监测系统的研 究与开发进行了总结，并对系统的发展进行了展望，提出了进一步改进完善的建 议。 第二章b e s l | i 数据获取系统设计 数据流信息的监溺系统是数据获取系统设计的一部分，它运行在数据获取的环 境中，要理解数据流信息监测的意义和重要性及其工作过程，需要对整个数据获 取系统有一个认识。b e s i i 数据获取系统相对于b e s i i 的来说，更加庞大复杂 19 , 1 4 , i t , tn 。 。这一章详细描述了b e s i i i 的数据获取系统的设计，包括系统的任务、硬 件构成、在线软件系统以及设计要求n ”。 第一章已经介绍了高能物理实验的工作原理和大致过程。从信息的角度看，各 种探测器把粒子通过时留下的信息转换成电信号，相当于各种传感器。它们输出 的信号由前端电子学加以处理，转换成数字信号，再由数据获取系统把从各探测 器送来的数据收集装配成一个完整的事例数据，记录在海蟹存储器上，供离线分 析处理和物理分析。此外，还有一个触发判选系统实时决定事例的取舍。这是因 为在高能物理实验中，除了感兴趣的好事例以外，还存在上万倍甚至更多的本底。 本底就是背景空间中存在的辐射，相对于好事例来说，它就是“噪声”。如果不 加区别地记录所有的事例，则数据获取系统将忙于收集、装配、记录本底事铡而 把大多数好事例丢失了。所以，需要一个触发判选系统实时地排除大量本底，选 出有意义的好事例，再通知数据获取系统收集处理n ，。工作流程如图2 1 所示。 翻2 1 数掘获取前的触发判选 离线分析 2 1 数据获取系统的任务 一个事例通过触发判选后，数据获取系统开始将事例的数据读出，进行一定的 处理，然后记录到大容量存储器。这是数据获取系统的最基本、最繁忙的工作。 此外，数据获取系统还有许多其他的任务。归纳起来数据获取的任务可列举为： ( 1 ) 电子学的刻度和记档。 ( 2 ) 运行时的初始化，前端各微处理器的加载，备状态控制寄存器的设置。 ( 3 ) 从前端电子学读数。 ( 4 ) 数据的预处理和装配。 ( 5 ) 全事例数据的重建分析( 在线事例筛选) 。 ( 6 ) 数据的记录( 磁带或磁盘) ( 7 ) 探测器运行情况的监测。 ( 8 ) 运行的操作控制，如键盘命令输入、鼠标输入等。 ( 9 ) 运行条件的显示和记档( 如运行号、加速器能量和亮度等) 。 ( 1 0 ) 错误显示，报警和记档。 ( 1 1 ) 磁带或磁盘上记录的数据的回读及处理。 2 2 数据获取系统的数据量 b e s i i i 数据获取系统( d a q ) 的设计目标是完成高事例率( 不超过4 0 0 0 h z ) 下的数据读出和处理。总电子学信道数将超过三万路，b e s i i i 数据获取系统需要 完成超过每秒8 0 m b y t e s 的数据读出任务，经p o w e r p c 和读出p c 机对事例进行初 步组装，去除冗余的字头、字尾和出错等信息后，在线计算机机群需要处理的数 据量超过每秒5 0 m b y t e s ，最后通过软件触发判选的记带数据量超过每秒 4 0 m b y t e s 。由此可见，分级事例组装技术不仅可以逐级减少数据量，而且可以有 效地利用网络资源。与国外目前运行的同类系统相比，不论在规模还是在性能方 面，4b e s i i i 数据获取系统的设计指标都是相当高的，实现的技术难度比较大，研 制周期长。因此，在系统设计策略方面必须采用成熟的、先进的技术，特别需要 注重总线技术、网络技术和计算机技术的未来发展。 2 3 数据获取系统的构成 b e s i i i 数据获取系统是基于前端电子学和触发判选的硬件系统，由读出系 统、在线系统和校准系统及其它辅助服务系统组成。 在系统构造方面，b e s i i i 数据获取系统必须成为高可靠性、高稳定性、易升 级、易扩充的系统。因此，系统设备配置和软件开发工具要着眼于未来技术发展 趋势，尽可能采用市场上性能价格比最好的商业化产品。 b e s i i i 数据获取系统大规模运用先进的计算机和网络技术，采用多级并行处理 方案。最低一级为基于v m e 总线系统的读出机箱，由前端电子学读出插件( t d c 和 a d c 等) 和一个作为控制器使用的处理机组成。每个v m e 读出机箱中的前端电子学 读出插件数不超过1 6 个，电子学信道数不超过1 0 2 4 个。v m e 处理机拟采用m v m e 2 4 3 1 计算机，用以完成数据的采集、处理、监视和传输。若干个读出机箱通过e t h e r n e t 网络的1 0 0 ms w i t c h 连接到读出计算机，组成一个读出分支。所有读出分支通过1 g 以上s w i t c h 连接到在线计算机群，形成数据获取系绕的数据流主干遥路。来自各 读出分支的子事例数据包通过在线计算机群汇总成完整事例，并进行标记、处理 和监测，直到安全记录到永久介质上。整个系统的硬件构成如图2 2 所示。 b e s i i i 数据获取系统的软件是一个庞大的软件工程，瑟须考虑软件的质量和标 准化方面的技术实施。要依赖于强有力的软件工程管理办法和配置软件工程开发 管理工具。读出机箱的软件开发环境将采用实时操作系统v x w o r k s 及其c 程序语言， 读出计算机和在线计算机系统的软件开发环境将采用u n i x 几i n u x 及其c 和c + + 程序 语言。为了保存和使用运行参数，标准的数据库技术将被用于b e s i i i 数据获取系 统。 n s l o w c m t r o ld i s p l a y c o n t r o l 一揪一n l i n k淤t 一黼 一搴l e i 脚r k 一自t - n “一l r t g 鹋 l 。吐 o ，5 p _ 圈2 ，2b e s i i id a o 硬件缎艘 2 4 系统配置要求 b e s i i i 数据获取系统的设计具有一定的复杂性，主要原因是一级触发事例率 指标是b e s i i 的2 0 0 倍，事例数据长度是b e s i i 的6 倍。在系统配置需求方面存 在两个关键技术问题： ( 1 ) 在读出系统配置方面，解决数据带宽和数据流量的匹配问题； ( 2 ) 在系统构造方面，解决在复杂的并行计算环境下，与前端电子学及触发系统一 起构造成个集成化的可操作数据获取系统问题，包括实现分系统局部测试和系 统初始化、控制及监测等一系列任务。 根据各探测器读出电子学子系统和触发系统提供的需求信息，读出机箱个数 约4 8 个，读出分支不超过1 6 个。预计的在线计算机群需要3 0 台以上的p c 机， 大型数据存储系统达到( 2 4 0 t b y t e 5 年) 运行能力。 设计中的8 e s i i i 数据获取系统，考虑到数据分布的不均匀性，要使系统以最 小死时间开销的代价完成数据获取任务，预期读出机箱的数据平均通过能力要达 到3 2 m b y t e s s e c 。因此，必须采用高速的v m e 总线读出方法和高速e t h e r n e t 网 络技术。 为了保证事例数据正确地采集并传送到在线计算机系统，在读出机箱和读出 分支上要对原始事例数据段进行初步组装。前端电子学和触发系统的数据读出方 式及数据格式要求采取比较一致性的设计要求，以便对事例数据段进行正确的处 理和包装。 b e s i i i 数据获取系统的可操作性，取决于系统设备的连接、逻辑信号约定和 软件集成设计。电子学系统和触发系统提供一切必备的操作硬件条件。b e s i i i 数 据获取系统在软件设计过程中，要准确理解和覆行硬件功能，最大限度地发挥全 部硬件资源的作用。为了增强系统运行的可操作性，尽可能将软件系统的功能集 成为一体。此外，任务恢复以及一般功能插件“出错”处理和“死道”处理等功 能，对b e s i i i 数据获取系统来说是必备的。 为了保证大规模软件开发的质量和性能，软件开发工具将采用可靠的商业软件 产品。要按照软件工程的标准进行软件设计、实施和管理。软件系统要具备可维 护性、可扩展性和可移植性。另外，保留完整的原始资料并完成最终文档资料的 整理，也是b e s i i i 数据获取系统软件工程的重要组成部分。 2 5 读出系统 b e s i i i 数据获取系统的关键技术问题是实现来自前端电子学的事例数据高速 读出。由于读出机箱v m e 总线的读出速度和计算机节点间的网络传输速度受到设 备带宽的限制，最容易在系统中形成数据流“瓶颈”。根据对特定i 0 设备的测试 结果，使用m v m e 2 4 3 1 处理机编程访问v m e 设备，单次直接“读”操作的时间周期 为1ps 秒以上( 其中8 0 0 n s 为处理机占用的时间，其余为设备占用对间) ，3 2b i t 读出速度至多为3 mb y t e s s e c , d m a 方式的3 2b i t 读出速度可达到l a m b y t e s s e c 以上( 即每个读周期 3 0 0 n s ) 。由此看来，选择采用d m a 方式进行读出才可能满足 b e s i i i 数据获取系统的需要。 与读出系统有关的还包括网络传输能力。根据测试，点对点的1 0 0 m 网络传输 速度可以达到i o mb y t e s s e c 。为了实现这样高的速度，除了采用1 2 台1 0 0 m 的 s w i t c h 以外，在读出计算机上要采用多网卡方案。读出计算机上的另一个千兆网 卡则连接到在线千兆s w i t c h 上。使用这种方法构成的读出分支，其主要功能是： ( 1 ) 汇集读出机箱中的事例数据片段，组成带标志的子事例数据包； ( 2 ) 数据及命令流控制与传输； ( 3 ) 实现事例数据流从1 0 0 m 网络段到1 g 网络段的传输，最终迅速安全地到达在线 计算机群。 读出系统的性能主要取决于读出机箱的数据通过能力一一在单位时间内完成 v m e 总线数据读出、数据预处理、数据网络发送这三方面任务的综合能力。数据 预处理通过对事例初步组装可以有效地压缩冗余的字头、字尾和触发号，减轻数 据网络传送的压力。读出系统的数据通过能力与前端电子学插件设计有关。根据 目前电子学读出系统的方案设计，可以考虑以下读出方案： 采用c b l t ( c h a i n e db l o c kt r a n s f e r ) d m a 方式读出，要求前端电子学插件 数据缓冲器是一个足够深度的g l o b a lb u f f e r ，可以存储多个“零压缩”后的事 例数据，每个数据占一个3 2 b i t 长字( 包含通道号和数据字) 。c b l t 方式可以只 启动一次d m a 就读出整个机箱中所有插件的数据，大大减少启动d m a 的次数，另 外多个事例汇总读出也可以有效提高d m a 传输效率。但采用此方法，需要增加硬 件设计的复杂性。 由于子探测器主漂移室( m a i nd r i f tc h a m b e r ，m d c ) 的电予学系统的时间和电 荷测量在同一个插件中完成，而且准备采用c e r n 的h p t d c 作为时间测量的主要器 件，工作原理不同于普通t d c 电路，具有多次击中功能，需要读出额外的字头、 字尾和出错等信息，预计电路板级的数据量将大幅度增加。因此，电子学硬件设 计需要采用6 4 位c b l td m a 读出。 读出系统选用了具有良好性价比的v m e 处理机m v m e 2 4 3 1 作为读出机箱的控 制器。该处理机使用p o w e r p c 7 5 0 为c p u ，具备3 5 0 m h z 时钟、3 2 m 存储器、洲闪 存、i o m i o o m 网口、d 6 4 ( m b l t ) d 3 2 d 1 6 d 8v m e p c i 总线接口和d m a 控制器等 配置。读出机箱控制器的主要作用是完成高速数据读出任务。除此之外，还要完 成下载软件、读出配置、中断处理、任务调度、设备控制、监测、校准、调试、 局部测试等功能操作。以上配置基本可以满足设计需要。 根据目前设备能力( 主要是v m e 访问速度和网络速度) 的测算，各电子学子 系统的读出机箱性能的更进一步提升，将采取设备升级的措施来解决。如更多地 采用v m e 6 4 或v m e 6 4 x 总线标准进行系统设计。 读出机箱控制器的软件开发采用v x w o r k s 实时操作系统和c 语言。读出计算 机的软件开发采用l i n u x 及其c 和c + + 语言开发环境。 2 6 在线系统 b e s i i i 在线系统的任务是将通过第一级触发判选后的事例数据传送到在线计 算机群进行事例组装和筛选( 软件触发) ，最后将通过软件触发的事例数据送到 计算中心写到存储介质中。 b e s i i i 在线系统包括事例组装、事例筛选、事例分类、数据存储、运行控制、 单事例显示、直方图显示和进程监测等。 2 6 1 事例数据组装 b e s i i i 的事例数据获取将采用分级事例组装技术如图2 3 所示。第一级事例 组装过程是电子学读出机箱级的数据集中，当触发系统给出好事例信号时，v m e 机箱中的p o w e r p c 将经过电子学插件级初步处理后的数据从电子学插件中读出， 经过非线性校正后组装成该读出机箱的数据段，存放在缓冲器中。各个读出机箱 数据段的组装是并行地进行的。第二级事例组装过程是读出分支级的数据装配， 即对适当数目的读出机箱进行编组，同一编组内的每个读出机箱通过快速以太网 交换机( i o o m b p s ) 与一台多c p u 、多网卡的读出p c 机相连，把存储在同一编组 内的各个读出机箱缓冲器内的数据段传送到p c 机上，组装成该读出分支的数据 块，并存储在读出p c 机的内存中。根据读出通道数，各个子探测器的读出电子学 可以编为一个或多个读出分支。第三级事例组装过程是事例级的数据组装，b e s i i i 在线系统把分散存储在各读出p c 机内存中的数据块通过千兆以太网交换机，传送 到计算机群的某一个节点，该节点的计算机将这些数据块组装成一个完整的事例 数据，并对事例数据进行筛选，最后把筛选过的事例数据传送到在线文件服务器 匕进行编号。 数据埒 数撼敬 数据块 攀倒 缎触发判选 阕2 3 攀倒缎旋嘲 簿螭蟪予学 读出枫籍 交换祝 戏：机 交换l f l l 计算机群 以太网交换机作为并行事例组装器的技术可以把一个读出分支关于一个事例 的数据块送到计算机群的某一个节点，同时把其它读出分支关于其它事例的数据 块送到计算机群的另外一些节点，这样可以实现高速并行事例组装。并行事例组 装器的优点是高度平行、可扩展性好，主要采用市售设备，可靠性、通用性和性 能价格比都好。 交换机固有的延迟响应时间对数据传送有影响，因此应尽可能地发送大的数据 包以减少发送次数。采用多级事例组装技术，数据从分散的前端读如单元到事例 筛选计算机群的传输过程中逐步集中，在定程度上缓解了交换机的压力。但是 在如此高的事例率下，为了最大程度地减小交换机的总延迟响应时间，必要时可 以把多个事例的数据段和数据块捆绑在一起进行传送。 2 6 2 在线数据流程 b e s i l l 在线系统的数据流向如图2 4 所示。具体描述如下： 机群绻点l 视群铱点2枫群结点n运行控制 单攀例显示 砺 磁带摩凌m 豫 圈2 4 在线数据流程阉 ( 1 1 读出p c 机对数据进行读出分支级的装配后，通知在线计算机群管理器某一事例 号的事例数据块已准备好，等待读出： ( 2 ) 在线计算机群管理器收到所有的读出p c 机发来的事例准备好信号后，通知其中 空闲的计算机群节点n 读出对应事例号的数据块； ( 3 ) 计算机群节点n 从所有的读出p c 机中读出对应事例号的数据块； ( 4 ) 计算机群节点n 对该事例数据块进行组装、格式转换、在线筛选和分类等处理， 并将结果送到在线文件服务器； ( 5 1 在线文件服务器收到计算机群节点n 送来的事例数据后，通知在线计算机群管 理器对应事例号的数据已处理完毕，累计一定的事例后进行存盘、传送到计算 中心进行记带操作等； ( 6 ) 通知计算机群节点n 和所有读出p c 机释放对应事例号的数据缓存。 在线计算机群管理器选用可靠性高的工作站。计算机群管理器内有两个队列， 一是从读出p c 机得到的待组装事例号队列，另一个是从机群来的空闲节点队列a 计算机群管理器根据这两个队列通知指定的计算机群节点到各读出p c 机读取某 一事例的数据块，必须保证同一个事例号的数据块都传送到同一台计算机机群节 点中。所有数据处理的任务都在该计算机群节点完成。 2 6 3 事例筛选 在线事例筛选也被称为第三级软件触发判选，即在计算机群节点上完成事例组 装任务后，用软件方法对事例进行筛选，进一步地压缩本底，以减小数据的记带 率。与硬件触发判选相比，软件筛选可以采用更为灵活、复杂的算法，如主漂移 室的快速径迹拟合、电磁量能器簇射团的快速寻找等。利用从主漂移室的简单寻 迹过程中获取的事例顶点信息，可以压缩远离对撞点的、由束流丢失等原因造成 的本底事例和宇宙线事例；联合主漂移室的径迹信息和电磁量能器的簇射团信息， 可以直接挑选出b h a b h a 事例样本，用来进行探测器的刻度和加速器亮度的测量； 结合p 子计数器的信息，可以直接选出u 样本，用来刻度u 子计数器。在事例筛 选过程中，在线机群将填充和累积事例数据的赢方图，并对事例按强子、b h a b h a 、 肌宇宙线等事例类型进行分类，供上位机的查询和监测。 按是否对事例进行初始重建分类，筛选算法可采用以下两种方式之一： ( 1 ) 按硬件触发的原则用全事例数据进行数字式触发判选； ( 2 ) 发展更复杂的筛选算法，进行快速的径迹重建。 若按本底筛选率为5 0 计算，最后记到磁带上的事例率将降低到3 0 0 0 h z 左右。 在线机群由高性能p c 机构成。由于p c 机的c p u 功能强大，在线机群将来也 可以对筛选过的事例进行实时的在线重建，但必须用和离线分析完全一样的程序， 而且仅仅是第一轮重建，以后还要离线进行几轮重建。在线重建中所使用的刻度 常数是从上一个r u n 的数据中得出的。 2 6 4 事例数据存储 经过在线事例筛选后，b e s i i i 数据获取系统要记录的事例率约为3 0 0 0 h z ，预 期记带率超过4 0 mb y t e s s e e 。事例数据经千兆以太网交换机传送到在线文件服 务器上进行编号并存储。 在线文件服务器是两台赢性能、多c p u 、多网卡的工作站，装有磁盘阵列。事 例数据按r u n 号组装后，形成磁盘文件，然后通过网络发送到计算中心转储到永 久介质上。 2 6 5 上位机系统 上位机系统负责实验进程的监测和运行控制，提供人机交互。上位机由多台高 性能工作站和p c 机组成，分别承担不同的任务，如运行控制、单事例显示、直方 图显示和运行状态显示等。 ( 1 ) 运行控制 作为人机接口接受各神运行命令( 如刻度、台阶、运行取数等) ，通过网络向 各读出p c 机和计算机群各节点发出相应的命令，各读出p c 机和计算机群各节点 的p c 机调用相应的程序并执行之。实验参数以及数据获取系统的构成参数也由上 位机控制。 ( 2 ) 数据监测 由于在线机群有足够的处理能力，将在对每一个事例进行筛选的同时做各种探 测器参数的直方图积累，并对事例进行分类。上位机可以监测菜一个在线机群节 点上累积的直方图，还可以监测所有节点获取的直方图之和以及对各个节点随机 抽样的单事例显示图。结合亮度探测器的计数率和事例的分类信息，上位机计算 并显示各种物理过程的在线产生截面和物理积分亮度等。另外，上位机要对各种 计数率( 如亮度、触发事例率、死时间和各子探测器的计数率等) 做定时监测， 显示它们随时间的变化过程，必要时发出报警。上位机还将显示并处理各个子系 统和在线机群各节点的“报错”信息。 2 6 6 数据库管理系统 b e s i i i 数据获取系统和离线分析系统使用的数据库系统都是由i h e p 计算中心 提供支持。b e s i i i 数据获取系统需要建立相应的b e s i i i 数据库管理系统。主要 功能是提供b e s i i i 的各类运行参数及共享数据管理。事例数据并不直接存储在数 据库中，但b e s i i i 数据库管理系统要提供关于事例数据的信息管理支挣。 b e s i i i 数据获取系统的运行信息通过b e s i i i 数据库管理系统保存和管理，各 个分系统所需的共享数据统一通过b e s i i i 数据库管理系统访问，以保证b e s i i i 数据信息的安全。数据库中的b e s i i i 运行数据信息将被保存相当长的时间，预计 每个运行年度的数据量小于4 0 g b y t e 。 2 6 7 系统刻度 由于探测器和电子学系统在运行期间受到环境变化影响，性能指标会发生晃 动。因此，需要经常进行系统刻度，以纠正这种系统误差。刻度系统获得的刻度 参数被存放到数据库中，供读出系统使用。 2 7 其它支持系统 在b e s i i i 数据获取系统建造和运行过程中，还需要其它各类较为独立的支持 系统。主要包括电子学读出校准系统、故障诊断系统和网络环