（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式技术的曙光4000a监控系统研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着机群系统的规模越来越大，节点机的数量越来越多，对系统的 稳定性要求也越来越严格。大型的机群系统具备典型的分布特征，可 能使某些故障隐藏很长时间丽不能被及时发现，从而导致巨大的损失。 因此，如何构建有效的机群监控系统，就成为重要的研究课题。 曙光4 0 0 0 a 超级服务器是一个大规模的机群系统，拥有数量巨大的 各类系统资源。对这样大规模机群系统的监控将会有很大的困难。本 文所介绍的曙光4 0 0 0 a 监控系统，改变了只从软件应用角度对系统监 控的思维模式，通过硬件直接从节点机上采集监控信息，这样不但只 占用少量的节点机资源，而且也增加了监控系统的可靠性和实时性。 同时，曙光4 0 0 0 a 监控系统还充分利用现有监控资源，集成了k v m 系统的功能，简化了曙光4 0 ( ) 0 a 的网络连接。 本文所做的工作主要有： 1 对曙光4 0 0 0 a 监控系统的研究与分析； 2 研究与分析了曙光4 0 0 0 a 监控系统中的采集卡( 多路器) ，并实 现了其中的嵌入式软件应用部分； 3 针对原有采集卡( 多路器) 设计中嵌入式系统资源利用不充分 等不足之处，提出了一种新的改进方案，并作了相关实验，取 得了良好的效果。改进方案在原有监控系统的基础上增加了一 个对曙光4 0 0 0 a 机群的监控途径。 本文所介绍的曙光4 0 ( 】0 a 监控系统，采用了新的监控方法，应用了 目前流行的嵌入式系统，实验证明能够对曙光4 0 0 0 a 超级服务器进行 有效的监控。目前已经产品化，交付用户使用，取得了良好的经济和 北京交通大学硕十学位论文 社会效益。本文所提出的改进方案，也已经准备作为曙光4 0 0 0 a 监控 系统升级方案的一部分。 关键词】：曙光4 0 0 0 a ，监控系统，嵌入式应用，嵌入式数据库， 嵌入式w e bs e r v e r a b s 仃a c t a b s t r a c t w i t ht h es c a l eo fw o r k s t a t i o nd u s t e r sb e c o m i n g l a r g e ra n dl a r g e r , t h e r e a l em o r ea n dm o l e c o m p u t i n g n o d e si ni ta n di t ss t a b i l i t ys h o u l db es t r i c t e r a n d s t r i c t e r l a r g es c a l ew o r k s t a t i o n c l u s t e r sh a ss o m e t y p i c a l l yd i s t r i b u t i n g c h a r a c t e r i s t c s t h o s ec h a r a c t e r i s t i c sm a yl e a v es o m ef a u l t su n c o n s c i o u sf o r al o n gp e r i o ds oa st oc a u s es o m eh u g el o s s s o ，h o wt oc o n s t r u c te f f i c i e n t w o r k s t a t i o nd u s t e r s m o n i t o r i n gs y s t e mb e c o m e sa ni m p o r t a n ts u b j e c t d a w n i n g4 0 0 0 aw o r k s t a t i o nc l u s t e r s i sal a r g es c a l ew o r k s t a t i o n c l u s t e r ss y s t e m i to w n sav e r yl a r g ea m o u n to fr e s o u r c e s i t sd i f f i c u l tt o m o n i t o rt h i sk i n do f l a r g es c a l ew o r k s t a t i o nc l u s t e r s t h i sp a p e ri n t r o d u c e s d a w n i n g 4 0 0 0 a s m o n i t o r i n gs y s t e m ：d a w n i n g 4 0 0 0 al a r g es c a l e m o n i t o r i n gs y s t e m ( d l s m s ) d l s m sh a sc h a n g e dt r a d i t i o n a lw a y so f m o n i t o r i n g i td i r e c t l yc o l l e c t sm o n i t o r i n gi n f o r m m i o nb yh a r d w a r e b y t h i s m e a n s ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mo n l y u s e sal i t t l e p a r t o fr e s o u r c e so f c o m p u t i n gi 漓a n d e n h a n c e di t sr e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m e 。w h a t ，sm o r e d l s m si sa l s oi n t e g r a t e dw i t hk v m s y s t e ms oa st os i m p l i f yd a w n i n g 4 0 0 0 an e t w o r k s y s t e m t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e s ： 1 1 s t u d ya n da n a l y s i s o nd i 玉m s ； 2 ) s t u d ya n da n a l y s i so nc o l l e c t i n gc a r d o fd l s m s ，i m p l e m e n t i n gi t s e m b e d d e d s y s m m ； 3 ) a n e n h a n c e ds c h e m eo fc o l l e c t i n gc a r da c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c y o f o r i g i n a ld l s m s w h i c hi sr e s o u r c e so fe m b e d d e ds y s t e ma r en o t - i - 北京交通大学硕士学位论文 u s e d e f f i c i e n t l y r e l a t i v ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h e p r o m o t e d s c h e m ew o r k sv e r yw e l l a n di ta d d san e w w a y o fm o n i t o r i n gt h e s y s t e mt ot h eo r i 【g i h a ld l s m s d l s m si s d e s i g n e d i nan e w w a yb yu s i n g e m b e d d e d s y s t e m e x p e r i m e n t ss h o w t h a td l s m sc a nm o n i t o rd a w n i n g4 0 0 0 aw o r k s t a t i o n c l u s t e r se f f i c i e n t l ya n dt i m e l y n o wi th a sb e e nm a n u f a c t u r e da n dd e l i v e r e d t ot h ec u s t o m e r sa n dh a sg a i n e dh u g ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s t h e p r o m o t e ds c h e m e h a sa l s ob e e na d o p t e da sa p a r to fp l a no fd l s m s s n e x t v e r s i o n k e yw o r d s ：d a w n i n g4 0 0 0 a ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ， e m b e d d e dd a t a b a s e ，e m b e d d e dw e bs e r v e r 1 v 一 独创性声明 y 7 4 1 3 3 7 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使媚过的材 料。与我起工作的同志对本研究所做的任何贡献已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 日期：年一月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技术 学院所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版权 所有，违者必究。 本人签名： e t 期：年一月一日 绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 机群系统( w o r k s t a t i o nc l u s t e r s ) 是实现网络高性能计算的一种方式。 它将一些相对独立的计算机节点通过高速网络连接起来，并附加一些 必要的中间件，使之成为具有“单一系统映像”特征的高性能并行计 算机系统。监控系统是机群系统中的重要组成部分，它旨在提供一个 可以集中式监控管理整个机群的高效管理工具，使管理员可以在一个 集中位置监控整个机群的工作状态，及时发现局部或整体故障并做出 反应，从而为机群系统高效、可靠、安全的运行提供基本保障。监控 系统的作用对于大型机群系统尤为重要，这是因为大型机群系统具备 一些典型的分布特征，可能使某些微小故障隐藏很长时间而不能被及 时发现，从而导致巨大的损失。 机群监控系统应该具备两个方面的功能，一是能够及时发现系统的 硬件故障，并报警提示：二是对于系统的关键资源的使用情况进行监 测，报告这些资源的利用情况，以帮助管理员找到系统的性能瓶颈。 曙光4 0 0 0 a 超级服务器是由6 4 0 个节点机组成的超大型机群服务 器。这样庞大的机群系统中，资源数量庞大，分布也比较分散，无论 其中任何一部分出现了运行故障都将会影响到整个超级服务器的性 能。因此，如何构建整个曙光4 0 0 0 a 超级服务器的监控方案、及时的 发现系统运行故障，就成为一个非常重要的研究课题。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 目前国内外有许多针对机群服务器的监控系统。p a r m o n 系统是最 早采用c l i e n t s e r v e r 模型开发的服务器监控系统，采用j a v a 语言开发， 保证了可移植性。p a r m o n 可以对机群系统中的节点机进行分组控制， 便于管理。用户可以按组件级、节点级和呈单一映像的全局系统级来 监控系统活动以及机群系统中各组件的资源利用情况。系统管理员可 以监视系统资源利用情况、进程活动情况、系统曰志、核心活动情况、 相同资源的多个属性实例等。b w a t c h 是一个用简单的t c l ，球语言编写 的服务器监控软件。用于监视系统中各个节点的负载和内存使用情况。 b w a t c h 程序的执行并不需要根用户的权限，任何只要能在其他机器上 执行r s h 命令的普通用户都可以使用它。b w a t c h 程序结构简单而小巧， 被用于美国宾夕法尼亚州p a r a l o g i c 公司组建的b e o w u l fc l u s t e r 中。其 他著名的机群监控系统还有i b m 的p s s p ( p a r a l l e ls y s t e ms u p p o f l p r o g r a m ) 系统及k a s e t s a r t 大学的s c m s ( s m i l ec i u s t e rm a n a g e m e n t s y s t e m ) 系统等。这两个机群监控系统有一些不足之处：它们需要设计 使用专用的软件通讯协议、不支持异构机群环境、开发复杂性较高等。 目前国内在机群监控系统中功能强大和完善的代表性监控系统是 武汉拓锐计算机系统有限责任公司开发的用于其万联机群超级网络服 务器上的o c t o p u s 机群监控系统。它是一个建立在局域网和i n t e m e t 上、 对机群中所有节点进行状态监视和资源管理的监控系统。曙光信息产 业有限公司也开发了功能类似的产品：曙光机群管理系统( d c m s ， d a w n i n g c l u s t e rm a n a g e m e n ts y s t e m ) 。d c m s 是国内公司自主开发的 机群管理系统，采用跨平台的p y t h o n 语言编写，支持异构的机群环境， 丌发和移植相对简单。 绪论 上述监控系统多数是和机群管理软件结合在一起的，并没有独立的 专用监控系统。在使用中有如下一些不足之处： ( 1 )信息的获取多是通过管理者对代理轮询的方式，当系统的 规模大、信息多时，占用的c p u 资源和网络资源较多； ( 2 )都是采用在文件中存储信息的方式，规模小，可扩展性差， 对于文件中信息的查询很不方便。而且文件中存储的信息 之间是孤立的无联系的，较难从数据中发现数据的特征； ( 3 )工具往往安装在控制台上，使用命令行或者专用的g u i 用户接口，限制了使用地点和工作的平台； ( 4 )使用上述监控系统都需要在本地安装客户端，然后进行配 置，增加了应用的复杂度； ( 5 )主要是从软件的角度对系统进行监控，需要占用节点机的 系统资源。而且，如果节点机上的代理程序崩溃，或者节 点机操作系统出现故障，则导致监控系统显示异常。 本文所介绍的曙光4 0 0 0 a 监控系统，突破了传统的软件监控的思 想，从硬件上对j | 矗控系统作了改进，在核心模块中采用了工业中广泛 使用的嵌入式应用技术，并且集成了k v m 系统的功能，简化了曙光 4 0 0 0 a 超级服务器的网络连接，在实际应用中取得了良好的监控效果。 1 3 本文的主要内容 本文详细介绍了曙光4 0 ( ) 0 a 监控系统的设计思想、各部分原理，然 后着重介绍了系统的核心部分：采集卡( 多路器) ，研究并实现了其中 的嵌入式系统部分。接着文章针对原监控系统设计方案的一些不足之 处提出了一个改进方案，并且作了相关的试验，说明了改进的方法。 北京交通大学硕十学位论文 最后总结全文，指出了曙光4 0 0 0 a 监控系统今后的发展方向。 第二章首先对曙光4 0 0 0 a 超级服务器和k v m 技术作了简要的描 述，然后对曙光4 0 0 0 a 监控系统作了详细的介绍，给出了整体方案的 设计思路、各部分原理，最后对该监控系统进行了简单的模块化分析 和评价。 第三章首先对嵌入式系统的概念、特点、应用和发展状况作了描述， 让读者对嵌入式应用有了初步的概念，为下文详细介绍曙光4 0 0 0 a 监 控系统中的嵌入式应用作铺垫。接着文章对采集卡( 多路器) 中的嵌 入式系统的设计思想进行了深入的讨论，说明了系统的连接方案、微 处理器和嵌入式操作系统的选择以及嵌入式系统的软件应用，对采集 卡( 多路器) 中嵌入式应用的软、硬件各个方面都作了详细的介绍。 第四章分析了原有采集卡( 多路器) 设计方案的不足之处，并提出 了一个改进的监控方案。充分利用了现有的嵌入式系统资源。然后讨 论了改进方案所用到的相关技术，通过相关试验论证了改进方案的可 行性。 第六章对全文作总结，描述了曙光4 0 0 0 a 监控系统今后的发展方 向。 曙光4 0 0 0 a 监控系统 第二章曙光4 0 0 0 a 监控系统 2 1 背景介绍 2 1 1 曙光4 0 0 0 a 超级服务器 曙光4 0 0 0 a 超级服务器由中科院计算所、曙光公司、上海超级计 算中心三方共同研制，是科技部8 6 3 计划的重大成果，也是中国科学 院知识创新工程和上海市信息化建设的重大成果。曙光4 0 0 0 a 是“中 国国家网格”的主节点，是目前中国最快的超级计算机产品，同时也 是中国计算机产业界首次冲击世界机群计算最高峰。这台超级服务器 实现了国产超级服务器在主板设计等核心级技术上的重大突破，攻克 了一一系列“大规模机群”计算的关键技术，在性能价格比和性能功耗 比等方面处于国际领先水平。 超级计算机的定义是：由八个或更多的节点组成、作为单个高性能 机器工作的机群。曙光4 0 0 0 a 超级服务器是由6 4 0 个节点机组成的大 型计算机机群，在2 0 0 4 年6 月2 2h 刚刚公布的全球高性能计算机 t o p 5 0 0 排行榜中，以1 1 万亿次的峰值速度和每秒8 0 6 1 0 亿次l i n p a c k 计算值位列全球第十，在基于a m d 芯片的超级计算机中，l i n p a c k 效 率为7 1 5 6 ，也达到了全球第一。这是中国超级计算机得到国际同行 认可的最好成绩。该款计算机使用了2 5 6 0 个a m d 公司的o p t e r o n 芯 片，除c p u 和l i n u x 系统平台外，其他部件都使用了自己的技术。值 得注意的是，l l 万亿次曙光4 0 0 0 a 的诞生，对6 4 位的c p u 普及具有 深远影响。曙光4 0 0 0 a 采用了2 5 6 0 颗6 4 位a m d o p t e r o n 处理器，可 北京交通大学硕十学位论文 以兼容目前广泛应用的3 2 位软硬件平台，使中困用户能更早地、更廉 价地、更容易地得到6 4 位计算能力。其主要的技术指标如表2 ，1 所示。 表2 - 1 曙光4 0 0 0 a 系统土爱技术指标 系统峰值 1 1 2 t f l o p s l i n p a c k 值 8 0 6 t f l o p s ，效率为7 1 5 6 计算结点 6 4 0 个2 u 4 p 节点机 c p u a m d o p t e r o n ，2 ，2 g h z ，共2 5 6 0 个c p u 内存总容量 5 t b 磁盘总容量 4 2 5 t b ( 含2 0 t b s c s ! r a i d 存储) 互联网络 2 g b p sm y r i n e t 计算网络，1 g b p se t h e m e t 存储网络， 及性能 1 0 0 m b p s e t h e r n e t 管理嘲络，曙光专用机群管理网络 并行通信时唯向带宽4 9 4 m b s ，单向延迟6 7 2 u s 编译器 g n u g c c 9 7 73 3 ，j a v a1 2 ，t c t k ，p e r l 5 0 并i j ：环境 b c i a 基本通信库，d p v m 4 3 4 曙光p v m 并行环境， d m p l l 2 曙光m p i 并行环境 曙光机群 曙光机群文件系统d c f s - 2 ，n f sd a w n i n gc l u s t e rf i l e 文件系统 s y s t e md c f s - 2 ，n f s 曙光机群 d c m s ，d c i s ，d c m m ，m u l t i t e r m ，d s b s ( 系统管理， 软件系统 系统安装，系统监控，并行操作，作业管理1 网格零件 网格路由卡，网格面板，网格钥匙，网格视图，网格网关 曙光4 0 0 0 a 超级服务器承担的是中国国家嘲格及其他的很多重要 科研项目的计算工作。目莳已作为中国困家网格最大的主节点落户上 海超级计算中心，作为一个面向社会丌放的基础的计算科研平台，为 华东地区各行各业提供海量信息处理、信息开发服务和科研高性能计 曙光4 0 0 0 a 监控系统 算服务。现曙光4 0 0 0 a 已经成功运行了包括航空航天、汽车、石油、 有机物制造等多项课题并取得了良好的效果。 2 1 2k 技术 随着计算机技术及网络技术的迅速提高，各类计算机房、服务器中 心、数据中心、网络中心拥有数十台计算机或服务器的情况越来越普 遍。如何更高效、更安全的管理这些服务器或者计算机，成为机房管 理人员及维护人员必须面对的课题，在这种情况下，k v m 技术应运而 生。 所谓k v m 设备，是指允许一个或多个用户在不增加键盘 ( k e y b o a r d ) 、显示器( v i d e o ) 、鼠标( m o u s e ) 的情况下，只用一 套( 或多套) 键盘、显示器鼠标控制多台计算机主机的设备。k v m 设 备可以将键盘、显示器、鼠标放置于远离主机的位置进行操作。它能 为不同的计算机的应用配置最适宜的操作使用环境，其优点在于可以 有效利用空间、节约能源、节省人工、提高操作管理工作效率、提供 特殊的解决方案、增加安全性、降低成本等等。 从八十年代起，此类产品开始大量在欧美市场上出现，并不断地以 完善，逐步发展成为从底端到高端的系列产品。目前在欧美计算机技 术应用较为普及的地区，不仅银行、证券、政府等机构大量使用该产 品，而且k v m 的低端产品己经普及进入家庭。 2 2 曙光4 0 0 0 监控系统设计方案 曙光4 0 0 0 a 超级服务器是由6 4 0 个节点机组成的大规模的机群系 统。这样的大规模机群如果单纯由软件来实现监控，不但占用节点机 北京交通大学硕士学位论文 的系统和网络资源，而且还会造成效率低下，监控节点的网络拥塞， 最终导致监控屏幕不能及时的更新节点机状态信息。 为了避免上述缺点，曙光4 0 0 0 a 机群监控系统在设计的时候把监控 系统和机群的k v m 系统结合在一起，通过专门定制的主板以及节点 卡，实现了k v m 系统和机群监控系统的合二为一，一方面复用了k v m 系统所需要的额外的网络，另一方面通过硬件取得节点机的信息，增 强了监控系统的可靠性和实时性。 2 2 1 总体设计方案 为了简化整个曙光4 0 0 0 a 机群的网络系统，提高系统的可靠性和实 时性，监控系统集成了k v m 系统的功能。这样，一方面，监控部分收 集机群中所有节点的硬件和软件的实时信息，另外一方面k v m 系统可 以随时登陆到出问题的节点机上进行管理，或者进行远程操作系统的 安装等工作，而且还可以远程启动机器或者远程对机器进行重启动。 根据上述设计，曙光4 0 0 0 a 监控系统在每台节点机上安装专门负责 收集节点机信息以及节点机鼠标、键盘和v g a 信号的节点卡，接口形 式采用r j 4 5 ，节点卡之间采用菊花链连接。在l u 4 5 接口的8 根信号线 中，两根为4 8 5 总线进行监控信息和键盘鼠标信息的打包传输，其余 的为视频信息。这样就大大简化了系统的连接方式，整合了监控系统 和k v m 系统，使系统管理员可以在控制室监视整个机群系统的运行情 况，并可以对任意一台节点进行类似本地的操作，而不需要进入机房。 该监控系统需要完成以下部分功能： 收集所有节点机的硬件信息并发送给监控节点； 实现机群虽大1 0 2 4 节点任意节点的k v m 切换和登陆，k v m 曙光4 0 0 0 a 监控系统 支持o s d 操作； 通过k v m 系统可以进行对任意节点进行开机，重启( 冷启动) 等工作； 节点机监控屏显示，节点号设置，自动顺序开机等( 按需求看 是否需要监控屏) 。 整个4 0 0 0 a 监控系统从硬件上分成四部分，包括节点卡、采集卡( 多 路器) 、监控屏、终端机四个部分。其中最主要的就是节点卡和采集卡 部分。整个系统架构如图2 - 1 所示： 图2 - 1 监控系统架构 2 2 2 节点卡设计原理 在曙光4 0 0 0 a 监控系统中，节点卡安装在节点机内部，提供两个 r j 4 5 接口。节点之间通过普通网线采用菊花链的形式连接。在接口中 有两根线是数据总线，电气形式为4 8 5 总线，负责传送键盘鼠标操作 信息，k v m 命令信息，以及监控信息。 北京交通人学硕十学位论文 节点卡主要需要完成的任务有： 自动延时开机，接收k v m 系统命令进行丌机，重启； 完成与液晶屏的通讯，传送监控信息，接收编号设置； 同主板的通讯，通过s m b 总线收集监控信息，通过主机串口收 集动态信息； k v m 节点，v g a 信号的转换和传送： 监控信息源，通过4 8 5 总线传送键盘鼠标命令以及监控信息。 图2 - 2 节点卡硬件结构图 基于以上的功能，该卡主c p u 应该具有硬件1 2 c 接口，以及大存 储量程序空间等特点，根据以上特点系统选用飞利浦l p c 9 3 2 作为节点 卡c p u 。整个节点卡的结构图，如图2 2 所示。 节点卡提供硬件1 2 c 接口，同主板s m b 总线连接，读取定制主板 上h a r d w a r em o n i t o r 芯片上收集的节点机硬件信息。 并通过节点卡串 口同主机串口通讯，接收节点机软件信息。同时复用节点卡串口同监 控屏进行通讯，完成监控信息传送，节点号设置。节点卡串口主要用 曙光4 0 0 0 a 监控系统 于低速通讯。同时节点卡提供一个高速通讯串口，通过3 0 8 5 把信号转 换成4 8 5 信号，用于同采集卡( 多路器) 的通讯。节点卡用l p c 9 3 2 内 部的e 2 r o m 存储节点号，k v m 系统对该节点命名的存储，以及部分 固定信息存储。 2 2 3 采集卡( 多路器) 设计原理 曙光4 0 0 0 a 监控系统的核心是采集卡部分，采集卡集成多路器功 能。一方面，采用8 1 的模拟开关，支持1 个终端，终端可以操作整 个机群中的任意一个节点。另一方面，采集卡分别收集8 路总线上节 点机的监控信息，在采集卡上的嵌入式操作系统上运行应用程序，通 过采集卡集成的8 路网口把收集的信息通过t c p i p 协议传送给监控节 点，最终由监控节点显示在监控屏上。由于系统硬件的限制，也为了 将来系统向更大规模升级方便，采集卡每组最大支持1 2 8 个节点机， 最大支持8 组。 采集卡( 多路器) 部分完成功能有： 完成8 1 路视频信号切换； 同节点卡通过4 8 5 总线通讯收集监控信息，通过1 0 0 m 的以太 网口同监控节点通讯传送监控信息； 向终端卡通讯转发节点卡传送的键盘鼠标的动作和命令。 基于以上功能，设计的采集卡结构图如图2 3 所示： 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 3 采集卡( 多路器) 结构图 控制思路：连接到每路4 8 5 总线的l p c 9 3 2 负责收集硬件监控信息， 然后通过i ：c 总线传送到s 3 c a 5 1 0 b ，进而通过网口传送到监控节点。 在终端未切换到的某路4 8 5 总线上，由该总线上的l p c 9 3 2 自主的控制 该路1 2 8 个节点的监控信息采集；在当前切换到的那一路4 8 5 总线上， l p c 9 3 2 采集监控信息的动作受8 0 ( 3 5 2 的控制，即只有在8 0 c 5 2 允许的 情况下，l p c 9 3 2 才做采集动作，其余时间该4 8 5 总线由8 0 c 5 2 控制， 用来传送键盘、鼠标、控制信息等。 考虑到几百个节点杌的硬件信息采集需要比较强大的处理能力，所 以选用s c 4 5 1 0 b 作为采集系统的m c u 。配合1 6 m 内存，使用流行的 u c l i n u x 嵌入式操作系统，保证信息采集的实时性。同时提供网络接e l ， 负责信息的转发。 曙光4 0 0 0 a 监控系统的其他部分还有监控屏和终端盒部分。这两部 分较简单，也不是本文的重点，因此在此不作更多的介绍。 曙光4 0 0 0 a 监控系统 2 2 4 产品模块化分析 曙光4 0 0 0 a 监控系统的节点卡由于有专用的接口，所以是k v m + 监控卡，但整个硬件和软件设计是完整的相对独立的系统模块。如果 需要使用在其他不同类型的机器上，只需要改动节点卡的p c b 板，把 视频和鼠标键盘的接口从外面引入即可， 对于以后监控系统的可扩展性，可以使节点卡集成多路器上的 $ 3 c 4 5 1 0 芯片，集成软件方案，独立完成信息的传输功能，通过百兆 网络接v i ，单独使用。可以通过网络来发送主机p o s t 信息，监控信息， 提供远程查询服务，远程开关机服务。集成视频采集，可以提供基于 1 p 的k v m 服务。 2 3 本章小结 本章第一节首先对曙光4 0 0 0 a 超级服务器各项性能指标作了简单 的介绍，然后又对k v m 技术做了简明扼要的分析，为曙光4 0 0 0 a 监 控系统方案的提出做了必要的铺垫。第二节详细描述了曙光4 0 0 0 a 监 控系统的设计方案，包括整体设计、各部分设计，并给出了各部分的 设计示意图。最后对曙光4 0 0 0 a 监控系统作了简要的产品模块化分析。 北京交通大学硕士学位论文 第三章采集卡中的嵌入式应用 曙光4 0 0 0 a 监控系统的核心是采集卡( 多路器) 部分。这部分的详 细设计原理本文已在第二章第二节中介绍，本章详细介绍了采集卡( 多 路器) 的设计思路和其中的嵌入式系统部分。 在曙光4 0 0 0 a 监控系统中，最核心的部分是采集卡( 多路器) 中的 嵌入式应用部分。作为一个数据汇总的转发器，它起到“承上启下” 的作用，连接了节点卡和监控节点，以保证监控信息的及时正确的传 递。可以认为曙光4 0 0 0 a 监控系统就是基于嵌入式应用的。因此，在 讨论曙光4 0 0 0 a 监控系统之前，有必要对嵌入式系统做全面深入的研 究，这样将有利于对本文后半部分的理解。 由于嵌入式系统是面向应用的，和实际应用结合相当紧密，因此， 嵌入式系统又常常被称为嵌入式应用。在本文中，嵌入式应用的概念 与嵌入式系统意义相同。 3 1 嵌入式应用概述 3 1 1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统被定义成为：以应用为中心，计算机技术为基础，软硬 件可以裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格 要求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种 通用计算机，一般通用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微 处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、调制解调器、网卡、打 印机、扫描仪等等都是由嵌入式控制器控制的。 采集卡中的嵌入式应用 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件和嵌入式软件系统 组成，它是集软硬件予一体的可独立工作的“器件”。嵌入式处理器主 要由一个单片机或微控制器( m c u ) 组成。而这些嵌入式c p u 目前多 是8 位和1 6 位的，与3 2 位或6 4 位的高性能处理器相比，具有很强的 经济性和现实性。相关支撑硬件包括显示卡、存储介质( r o m 和r a m 等) 、通讯设备、i c 卡或信用卡的读取设备等。嵌入式系统有别于一般 的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样的大容量存储介质，而大多 使用闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。嵌入式软件包括与硬件相关 的底层软件、操作系统、图形界面、通讯协议、数据库系统、标准化 浏览器和应用软件等。 3 1 2 嵌入式系统的特点和要求 1 ) 嵌入式系统工业的不可垄断性 从某种意义上说，通用计算机行业的技术是垄断的，占整个计算机 行业的9 0 的p c 业，8 0 采用i n t e l 的8 x 8 6 体系结构，芯片基本上出 自i n t e l 、a m d 、c y r i x 等几家公司。在操作系统和办公应用程序上也是 m i c r o s o f t 的w i n d o w s 和o f f i c e 系列占主导地位。因此当代的通用计算 机工业的基础被认为是由w i n t e l 垄断的工业。嵌入式系统则不同，它 是一个分散的工业，充满的竞争、机遇和创新，没有哪一个系列的处 理器和操作系统能够垄断绝大部分市场，即便是在体系结构上存在着 主流，但各个不同的应用领域决定了不可能有少数公司、少数产品垄 断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的， 留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。 2 ) 嵌入式系统具有的产品特征 北京交通大学硕士学位论文 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立与应用 自行发展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠 性、速度、处理能力以及电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计， 量体裁衣，去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。嵌 入式处理器还要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁减和添加才 能达到理想的性能。 3 ) 嵌入式系统的软件特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式 处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同。 软件要求固态化存储。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入 式系统中的软件一般都固化在存储芯片或单片机本身中，而不 是存储于磁盘等载体中。 软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器 速度不断提高，片上存储器容量不断增加，但在大多数的应用 中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。为此要求 程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二迸制代码的长 度，提高执行速度。 系统软件o s 的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中， 对重要性各个不同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个 任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器的速度是无法完成 和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完 成，因此系统软件的高实时往是基本要求。 4 ) 嵌入式系统开发需要的开发工具和环境。 目前从事嵌入式系统开发的工具平台主要包括以下几类； 采集卡中的嵌入式应用 实时在线仿真系统i c e ( i n c i r c u i te m u l a t o r ) 。实时在线仿真 系统i c e 是进行嵌入式应用系统调试最有效的开发工具。i c e 首先可以通过实际执行，对应用程序进行原理性校验，排除以 人的思维难以发现的设计逻辑错误。i c e 的另一个主要功能是 在应用系统中仿真微控制器的实时执行，发现和排除由于硬件 干扰等引起的异常执行行为。 高级语言编译器( c o m p i l e rt o o l s ) 。c 语言作为一种通用的高 级语言，大幅度的提高了嵌入式系统工程师的工作效率，使之 能够充分发挥出嵌入式处理器日益提高的功能，缩短产品进入 市场的时间。另外c 语言便于移植和修改，使产品的升级和继 承更迅速。更重要的是采用c 语言编写的程序易于在不同的开 发者之间进行交流，从而促进了嵌入式系统开发的产业化。区 别于一般计算机中的c 语言编译器，嵌入式系统中c 语言编 译器要专门进行优化，以提高编译效率。优秀的嵌入式系统c 编译器代码长度和执行时间仅比汇编程序编写的同样功能程 序长5 2 0 。 源程序模拟器( s i m u l a t o r ) 。源程序模拟器是在广泛使用的， 人机接口完备的工作平台上( 如p c 机) 通过软件手段模拟执 行为某种嵌入式处理器内核编写的源程序测试工具。简单的模 拟器可以通过指令的解释方式逐条执行源程序、分配虚拟存储 空间和外设，供程序员检查；高级的模拟器可以利用计算机的 外部接口模拟出处理器的帕电器信号。但模拟器毕竟是一种 处理器模拟另外一种处理器的运行，在指令的执行时间、中断 相应、定时器等方面很可能与实际的处理器有相当的差别。 北京交通大学硕士学位论文 3 1 3 嵌入式系统的应用 进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛 的发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关专业， 而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数 字化技术革命。多媒体技术、通讯技术相结合的信息时代的快速发展 和互联网的广泛应用的形势下，3 c ，即计算机( c o m p u t e r ) 、通讯 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、消费电子( c o n s u m e r ) 一体化趋势日益明显，其 结果必然是将计算机工业的中心从计算产品转移到信息产品，我们也 从p c 时代过渡到了后p c 时代( p o s t p c ) 。 在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式 技术越来越和人们的生活紧密结合。嵌入式系统可能存在于生活的方 方面面，从家庭中的电视机、洗衣机等家电，到汽车、航空等交通工 具，到办公室罩的远程会议系统等等，都属于可以使用嵌入式技术开 发和改造的产品。由于需要的功能不断增加，嵌入式系统也就将成为 软件业的新的突破领域。同时在计算机本身的领域里面，微型化和专 业化成为了发展的新趋势，同样也需要嵌入式系统的支持。因此，研 究与嵌入式系统相关的技术有着相当熏要的实际意义。 嵌入式操作系统面向的应用领域主要包括高端嵌入式产品，如机顶 盒、p d a 、移动电话等，以及实时控制领域，如工控、数据采集、仿 真等。高端嵌入式产品主要存在于人们r 常的生活工作中，因此出现 了信息电器的概念。其中开发的应用程序主要有嵌入式浏览器、多媒 体应用程序、邮件程序、记事本、字典、计算器、时钟、闹铃、游戏 等。 采集f 中的嵌入式应朋 3 1 4 嵌入式系统的发展阶段 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、 通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为一个研究 热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历了四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监 测、伺服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业 性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编 程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功 能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由 于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为 普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制 和新兴信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入 式系统。主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱：系统开销小， 效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化， 用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是： 嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理嚣上，兼容性好：操 作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性：具备文件 和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具 有大量的应用程序接口a p l ，开发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰 富。 第四阶段是以i n t e r a c t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发 展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m c t 之外，但随着 北京交通大学硕士学位论文 i n t e r n e t 的发展以及 n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密 切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 位微处理器在该系统中占 主导地位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络、i n t c r n c t 结合日益密切，因而，嵌入式系统应用将日益广泛。 3 2 采集卡( 多路器) 的设计思路 3 2 1 需求分析 采集卡( 多路器) 主要完成的功能有： 传送k v m 信号 从节点卡中收集节点机的状态信息并发送到监控节点 对于功能一，主要是集成k v m 系统，发送节点卡与终端卡之间的 信息，其中包括视频信息和鼠标键盘的命令。功能一不是本文的重点， 因此不作过多介绍。 田匿习、i 口亟王k 7 i 最多1 2 8 个； 采集卡( 多路器) ； 匿匝l 婺广了1 亡= 兰j 同碍翮； l 的单片机l； 一7 一、。节点信息 c = 专汇总信息 图3 - 1 系统数据流程图 对于功能二，主要是定时更新连接到采集卡的各个节点卡的信息， 存储在本地，等待监控节点的连接。其功能相当于一个向外发送数据 薯巷 采集膏中的嵌入式应用 的小服务器。为了使得系统更加模块化，每个节点卡中的数据存储在 其中的单片机中，然后汇集到采集卡( 多路器) 中的单片机中，再由 一个嵌入式处理器从单片机中读取数据，最终发送到远端监控节点。 整个数据流程如图3 - 1 所示。 采集卡( 多路器) 中的数据汇总及转发是通过两个环节完成的：1 采 集卡( 多路器) 中的单片机从每个节点卡中采集数据；2 采集卡( 多 路器) 中的嵌入式系统从单片机中读取信息保存在本地并转发给监控 节点。这样做的目的，一方面是由于单片机的存储资源有限，而且还 要实现k v m 系统功能，因而不能存储每路节点上的所有节点及信息， 另一方面单片机没有监控节点所需要的普通的网络接口，不能直接和 监控节点连接。嵌入式系统有通用的网络接口，可以实现t c p f l p 协议， 可以通过1 2 c 总线与单片机相联，更重要的是它有