计算机应用实践论文提高实时应用软件可靠性的新途径.doc

计算机应用实践论文：提高实时应用软件可靠性的新途径摘要:飞行器飞行时间短,试验成本昂贵,试验成败意义重大。为了确保试验顺利进行,通常实时应用软件的可靠性指标定为99%以上。目前计算机双网络和硬件“双工热备份”体系结构在硬件上已面临性能上的“瓶颈”,难以从硬件平台上再度提高实时应用软件的可靠性。现行计算机体系结构由于双机软件完全一致,一旦软件系统出现故障,会使双工系统同时瘫痪,甚至导致试验失利。本文针对实时应用软件强实时性、高可靠性要求,研究建立功能完善的实时应用软件双工系统的方法。关键词:强实时;测控软件;操作系统;数据处理0引言强实时应用中,测控系统通常是由中心计算机系统、通信系统和测控设备组成。测控软件作为强实时应用的核心软件,是一个集网络互联、数据处理、实时显示、实时控制、信息传输、信息共享等于一体的规模庞大的实时应用软件,其重要性不言而喻。该软件具有实时性强、可靠性高、数据量大、接口关系复杂等特点,在应用中承担着数据采集、数据处理、实时显示、实时控制等工作。可见,测控软件系统的可靠运行,对实现实时测量控制至关重要。本文从实时应用软件可靠性的实际出发,研究建立功能完善的实时应用软件双工系统的方法。即在硬件双工热备份的基础上,打破以往测量控制计算机软件系统“单工模式”的常规,建立2套迥然不同的软件系统。2套软件系统遵从相同的用户需求和接口约定,在保证2套软件同步运行和I/O信息一致性的前提下,基于异构的操作系统平台(UNIX、VMS或其他),基于不同的数学模型、数据处理方法和不同的数据驱动机制,在软件上实现双工控制机制,从根本上提高测控软件的可靠性。1提高实时应用软件可靠性的目的纵观国内外强实时应用领域的测控系统,在硬件上均已实现了双工热备份控制机制。在实时应用中,当测量控制计算机主机硬件出现异常或硬件系统故障崩溃时,通过人工或自动双工切换,将副机切换为主机,保证测控计算机系统正常运行,有效地提高了测量控制计算机硬件的可靠性。但在软件上一直采用历史沿袭下来的方法,即2台测控计算机上运行同一套测控软件,基于相同的操作系统平台、相同的数据处理方法、相同的应用软件的系统架构。诚然,测控计算机软件系统在投入使用前,依照软件工程的要求,虽然对软件需求分析、软件规格说明、软件设计和编码进行了严格的评审和测试1,但是隐藏在软件产品中的错误、缺陷和薄弱环节是不可避免的,甚至存在某种在特定环境、特定条件下才能产生的致命错误。在实时应用中,各种突发事件、异常事件随机发生,某些临界的、非法的、偶然出现的、可能引起问题异变的测量数据都可能产生,由于双机软件异常处理程序完全一致,若对异常数据引起的错误估计不足或处理不当,则会导致双机软件系统同时崩溃,给实时应用造成不可预料的风险代价和无法挽回的灾难性后果。在强实时应用中,曾发生过由于软件异常处理不当造成双机软件系统同时瘫痪导致实时处理失利的惨痛教训,前车之鉴足可引以为戒。因此,针对强实时应用软件的特点,从测控软件可靠性的角度审视测控计算机软件系统,研制适合强实时应用的测控计算机软件双工系统,提高测控计算机实时数据处理的可靠性,是实时应用中测控软件必须填补的一项技术空白。可见,该方法研究对提高测控计算机软件的可靠性意义重大,作用非凡,是实时应用领域迫切需要解决的问题。2可行性分析和技术方案2.1可行性Tru64 UNIX操作系统作为广泛采用的主流操作系统之一,在64位操作系统中占有主导地位,具有良好的可靠性、兼容性和可移植性2,在金融、国防、商业等关键性计算领域得到广泛的应用,其强实时、高可靠特性更是备受实时应用系统用户的青睐。Tru64 UNIX操作系统通过一个功能强大的实时应用函数库,向应用开发用户提供了一个十分完善的实时应用环境,不仅克服了通用操作系统在实时处理方面的薄弱环节,而且与传统的通用UNIX操作系统具有极好的兼容性,是对UNIX进行实时扩充的一个优秀范例。Tru64 UNIX操作系统具有抢占式内核、固定实时优先级调度策略、存储器锁定、文件同步、异步I/O、实时钟和定时器、信号量、消息、队列等强实时特性,近年来被众多的实时应用用户所认可,是强实时应用首选的操作系统平台。OpenVMS操作系统是国内外长期选用的实时操作系统平台,一直得到广泛的应用。因此,Tru64 UNIX和Open VMS作为COMPAQ公司的2大操作系统产品,具有丰富的应用软件和开发工具,都对实时应用系统提供了良好的支持,都是先进成熟的操作系统,符合国际开放标准,具有良好的可扩展性和安全性。鉴于这些,测控计算机的主、副机选用上述2种操作系统作为软件研发平台,在技术上是完全可行的。数学模型是测控软件实时数据处理的核心技术之一,其重要性不言而喻。20世纪80年代初期,计算机运算速度低,内外存容量有限,在实时数据处理过程中,尽量采用简便的方法来解决计算机硬件性能上的“瓶颈”,化解计算机时间和空间之矛盾,满足强实时性、高可靠性要求。目前,数学模型大部分仍沿用传统的计算量少、精度较差、方法简便的数学模型。随着计算机和网络技术不断发展,计算机在时间空间上已具备充足的资源,此时,选择新的数学方法完善数学模型,对提高实时数据处理精度十分必要。软件双工在建立数学模型方面的含义是:2套中心机实时数据处理模型中的数据检择、数据实时融合和数据滤波等拟采用不同的数学方法进行实时数据处理,一方面提高2套软件的独立性,另一方面提高实时数据处理精度。可应用测元数据融合、可变的滑动窗口多项式滤波器与卡尔曼滤波器组合应用等方法,给出实时应用的计算准则。由于2个软件系统由统一时间信号控制同时启动,软件运行起点完全一致,而2个软件系统实时处理的进程/线程均由统一的时间信号控制同频驱动、同步运行,因此“双工”切换时,双机处理的测量数据在逻辑上是完全一致的。此外,主、副计算机在各自的操作系统平台上独立运行,“双工”切换对实时处理没有任何影响。在上述可靠的技术支撑下,在实时应用软件系统的可靠性越来越被重视的趋势下,在测控计算机系统中实现测控软件双工系统势在必行。2.2技术方案为保证系统的强实时处理能力,测控计算机双工系统软件设计上需采用分布式处理技术、软件集成技术、多平台混合编程技术、同步控制技术、多进程多线程体系结构、高精度的实时数据处理等先进技术和方法,应具有完善的实时监视手段和友好的用户界面3。系统硬件由2台测控计算机、通信控制部件、仿真机和网络互连设备等组成,软件支撑环境为Tru64 UNIX V5.1操作系统、Open VMS操作系统、X Windows以及C语言等,与外部信息交换采用计算机网络,测控软件采用多进程多线程体系结构,系统具有实时测量数据采集与处理、实时控制、实时显示、远程信息交换、测控数据模拟、过程重演及测控数据仿真等功能。测控计算机系统通过主干网和外设网网络接口与通信控制部件、网络服务器、显示服务器、监视工作站、仿真机等节点进行信息交换,网络数据通信所使用的通信协议均为UDP/IP协议,各网络编程均采用标准的套接口Socket网络编程接口API。Tru64 UNIX和Open VMS操作系统的通用内核接口均提供了完整的系统调用,应用软件调用所需的接口函数并连接所属的库,就可使用操作系统提供的文件服务、I/O设备服务、内存访问管理、处理机管理等各项系统服务功能,满足中心机软件的通用需求。Tru64 UNIX和Open VMS操作系统均支持DEC C开发工具,2个软件系统均可应用DEC C语言开发应用程序。鉴于中心机软件的强实时高可靠特性,大量的实时数据处理过程须选用具有实时功能的POSIX标准实时扩展库接口,以保证系统的实时数据处理能力。POSIX标准接口主要有:POSIX1003.1基本系统程序设计接口、POS-IX1003.1b实时扩充程序设计接口、POSIX1003.1c多线程设计接口、POSIX1003.1g网络设计接口。用户接口是在主干网上连接的小型计算机控制台终端和外设网上连接的中心机监视终端上分别实现的人机交互操作界面接口。系统层次结构如图1所示。系统在设计上需建立完全独立的测控计算机甲机软件系统和测控计算机乙机软件系统2大软件系统。2个软件系统的不同点是:(1)操作系统。甲机:Tru64 UNIX操作系统;乙机:Open VMS操作系统。(2)输入/输出控制机制。甲机:时间驱动,频率为20Hz或其他;乙机:数据驱动。(3)数学方法。甲乙机采用不同的数据检择、数字滤波、数据融合处理等数学处理方法。(4)调度策略。甲机:基于Tru64 UNIX操作系统的固定优先级多进程多线程调度策略;乙机:基于Open VMS操作系统的固定优先级多进程调度策略。(5)体系结构。甲机:多进程多线程体系结构;乙机:多进程体系结构。3结束语随着测控技术的不断发展,对测控软件的可靠性提出了更高的要求。本文通过测控软件双工系统实现方法的论述,给出了实现测控计算机软件双工系统的研究方法,对提高测控软件的可靠性具有重要意义。在输入/输出控制上设计了时间驱动和数据驱动2种机制并举的方法,既实现了同步控制功能,又保证了测控数据的完整性,提高了测控数据的实时传输质量和效率。选用Tru64 UNIX操作系统和O