分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張永安+譚振江

摘 要： 分布式多空間數(shù)據(jù)在利用主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取中容易受到端口溢出限制，需要進(jìn)行智能交換讀取，選擇塊傳輸模式提高數(shù)據(jù)的讀取和傳輸性能。提出一種基于高速局部總線控制的分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)的開發(fā)流程采用多線程自上而下開發(fā)方法，開發(fā)環(huán)境建立在嵌入式Web服務(wù)平臺(tái)中，采用Socket編程構(gòu)建分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過協(xié)議棧開發(fā)智能交換系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，采用高速局部總線控制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的端口設(shè)置和通道控制，通過局部總線送到接收模塊，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)進(jìn)行分布式多空間數(shù)據(jù)交換的可靠性較好，提高了總線接收數(shù)據(jù)塊的速率和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 分布式多空間數(shù)據(jù)； 主控計(jì)算機(jī)； 局部總線； 數(shù)據(jù)交換

中圖分類號(hào)： TN916.428?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0043?03

Design of intelligent exchange system for distributed multi spatial data

ZHANG Yongan1， TAN Zhenjiang2

（1. Songyuan Technical College， Songyuan 138000， China； 2. Jilin Normal University， Siping 136000， China）

Abstract： When the master computer is used to carry out data reading， the distributed multi spatial data is vulnerable to restriction on port overflow. Therefore， the intelligent exchange reading is needed， and the block transfer mode should be selected to improve the data acquisition and transmission performance. A design method of distributed multi spatial data intelligent exchange system based on high?speed local bus control is put forward. The multi?thread top?down development method is adopted in the system development process. The development environment is based on the embedded Web service platform. Socket programming is used to build the network protocol stack for distributed multi spatial data transmission. The protocol stack is employed to develop the network application program of intelligent exchange system. The high?speed local bus control is adopted to set the data exchange port and channel control. The data is sent to the receiving module through the local bus to realize the intelligent data exchange. The system test results show that the system has better reliability for the distributed multi spatial data exchange， and can improve the speed and accuracy of the bus to receive data blocks.

Keywords： distributed multi spatial data； host computer； local bus； data exchange

隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及集群網(wǎng)格云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)空間中的數(shù)據(jù)采用的是分布式多空間網(wǎng)格存儲(chǔ)的傳輸，在網(wǎng)絡(luò)空間中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量以幾何級(jí)數(shù)增長，分布式多空間數(shù)據(jù)的優(yōu)化存儲(chǔ)和調(diào)度設(shè)計(jì)能有效降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的開銷，提高數(shù)據(jù)計(jì)算和處理的效率。在分布式網(wǎng)絡(luò)空間中，多空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索離不開數(shù)據(jù)的交換處理和智能調(diào)度，面對(duì)數(shù)據(jù)爆炸式的增長，構(gòu)建云環(huán)境下公平性優(yōu)化的資源分配方法[1]，通過智能交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)能提高數(shù)據(jù)調(diào)度和檢索的有效性，因此研究分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有重要的意義。在數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮客戶/服務(wù)器的C/S構(gòu)架和負(fù)載，數(shù)據(jù)的安全、可靠、效率等指標(biāo)，設(shè)計(jì)異構(gòu)云計(jì)算體系結(jié)構(gòu)及其多資源聯(lián)合公平分配策略[2]，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)。本文針對(duì)在數(shù)據(jù)智能交換中存在端口溢出和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變的問題，利用高速局部總線控制原理進(jìn)行數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得出有效性結(jié)論。

1 系統(tǒng)模型

分布式多空間數(shù)據(jù)通過將無線訪問服務(wù)和云計(jì)算技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)空間中進(jìn)行信息交換，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式空間數(shù)據(jù)與其他實(shí)體和服務(wù)的通信訪問，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換智能設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)度和任務(wù)移交，為計(jì)算資源（比如CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)器）提供移動(dòng)應(yīng)用支撐，首先進(jìn)行分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)的總體模型構(gòu)架分析。endprint

本文設(shè)計(jì)的分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)建立在Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic等開發(fā)軟件環(huán)境中，采用嵌入式Web服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建應(yīng)用軟件的集成編程環(huán)境，在ANSI C內(nèi)核中進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)[3]，進(jìn)行多種數(shù)據(jù)采集、分析和顯示等；在LabWindows/CVI中1 ms內(nèi)控制時(shí)間驅(qū)動(dòng)，支持多種總線類型的用戶界面編輯，設(shè)計(jì)ANSI C庫作為分布式多空間數(shù)據(jù)的專用圖形控件；在圖形用戶界面中進(jìn)行系統(tǒng)的人機(jī)交互控制和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，提高了編程效率。綜上分析，得到本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境具有如下功能特征：

（1） 采用完整的ANSI C內(nèi)核進(jìn)行時(shí)間驅(qū)動(dòng)與回調(diào)函數(shù)編程，用戶管理層通過底層的VISA軟件接口進(jìn)行程序?qū)崟r(shí)采集和驅(qū)動(dòng)配置，物理接口層是軟件和硬件的結(jié)合層，采用的I/O控制庫構(gòu)建物理接口層進(jìn)行在源程序編程與數(shù)據(jù)交換的引擎控制， 基于ARM和LabVIEW 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集測(cè)試[4]。

（2） 智能交換系統(tǒng)的程序運(yùn)行時(shí)先啟動(dòng)VISA資源管理器，若采集的數(shù)據(jù)有效，LabWindows/CVI則以工程文件為框架進(jìn)行集成化軟件開發(fā)，循環(huán)讀取HP E1562E的SCSI硬盤數(shù)據(jù)，進(jìn)行32位ANSI C編譯和堆?？刂芠5]。

（3） 支持多種總線類型的儀器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為用戶提供GPIB 488.2庫、DAQ庫、VISA庫、RS 232庫和IVI庫等。各種功能函數(shù)集成在一個(gè)開發(fā)環(huán)境中，并且為用戶提供函數(shù)面板和儀器驅(qū)動(dòng)編程向?qū)У冉换ナ介_發(fā)工具。用戶可以快速地編寫、調(diào)試和修改應(yīng)用程序，形成獨(dú)立的可執(zhí)行文件[6]。

（4） 分布式多空間數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)傳輸單元提供格式化I/O庫、Analysis庫，在Advanced Analysis庫進(jìn)行狀態(tài)觸發(fā)控制，在所有采集參數(shù)配置成功后，保存采集的信息為系統(tǒng)文件，建立ANSI C數(shù)據(jù)庫[7]。

2 系統(tǒng)的軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1 分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)

開發(fā)環(huán)境建立在嵌入式Web服務(wù)平臺(tái)中，采用Socket編程構(gòu)建分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開發(fā)相比桌面軟件的開發(fā)，有其特殊性，采用交叉編譯環(huán)境配置分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)核，要建立一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信，一個(gè)對(duì)稱協(xié)議的例子是Internet中用于終端仿真的TELNET。分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)程序被“驚醒”并且為客戶提供服務(wù)，采用了流式套接字來實(shí)現(xiàn)連接的服務(wù)客戶機(jī)/服務(wù)器通信[8]，進(jìn)行分布式多個(gè)空間數(shù)據(jù)的智能交換請(qǐng)求，得到客戶機(jī)/服務(wù)器請(qǐng)求過程如圖1所示。

圖1 分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目蛻魴C(jī)/服務(wù)器請(qǐng)求過程

2.2 數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的高速局部總線控制

采用高速局部總線控制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的端口設(shè)置和通道控制，進(jìn)行智能交換讀取，使用不同的通道組句柄命令設(shè)置交換系統(tǒng)的高速局部總線，調(diào)用hpe1432_getGroupInfo（ ）函數(shù)獲取通道組的信息。得到分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K列表、通道號(hào)等信息，數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的控制器采用至多7個(gè)PXI或CompactPCI儀器模塊，通過協(xié)議棧開發(fā)智能交換系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，提供了系統(tǒng)參考時(shí)鐘、觸發(fā)總線、星形觸發(fā)線的數(shù)據(jù)交互和通道設(shè)計(jì)，接口設(shè)計(jì)中主要是對(duì)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的串口、并口、USB端口、鼠標(biāo)、鍵盤口、以太網(wǎng)口進(jìn)行設(shè)計(jì)。PXI?6713模擬輸出系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，通過外部I/O接口的EXTREF引腳上引入通道控制程序，10個(gè)可編程功能口（PFI）連接在高速局部總線的主要接口通道，使用可編程功能口引入外部觸發(fā)、高速局部總線輸入或輸出時(shí)鐘信號(hào)，通過任意可編程功能口實(shí)現(xiàn)PXI總線高速PCI數(shù)據(jù)交換。由于執(zhí)行數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)量較大，采用雙緩沖區(qū)回放，采用高速局部總線控制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的端口設(shè)置和通道控制，通過局部總線送到接收模塊，設(shè)置雙緩沖區(qū)的大小和傳輸緩沖區(qū)，先讀數(shù)據(jù)到循環(huán)緩沖區(qū)，且讀取數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)加載雙緩沖區(qū)和傳輸緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)交換過程中用WFM_DB_HalfReady函數(shù)檢測(cè)時(shí)鐘路由，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集和交換程序，進(jìn)行計(jì)數(shù)器工作模式和參數(shù)配置，打開數(shù)據(jù)文件，讀文件頭信息，選擇外部更新信號(hào)、外部觸發(fā)信號(hào)、時(shí)鐘源信號(hào)，在多個(gè)模塊間保證分布式多空間數(shù)據(jù)交換過程的嚴(yán)格同步。綜上分析，得到本文設(shè)計(jì)的分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

為了測(cè)試文本設(shè)計(jì)的基于高速局部總線控制的分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)的性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)法分析，測(cè)試的分布式多空間數(shù)據(jù)來自于3個(gè)云服務(wù)提供商，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膸挿謩e為1 Mb/s，2 Mb/s，1 Mb/s，分布式多空間數(shù)據(jù)被分為8 KB固定大小的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中具有40%的服務(wù)器利用率。根據(jù)上述測(cè)試環(huán)境設(shè)定，得到本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的GUI控制界面如圖3所示。在圖3給出的數(shù)據(jù)交換界面中進(jìn)行分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換，通過主界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，通過主設(shè)備號(hào)向內(nèi)核注冊(cè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，執(zhí)行數(shù)據(jù)交換。圖4給出了采用本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換下總線接收數(shù)據(jù)塊的速率對(duì)比，分析得知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的速率較快，說明對(duì)分布式多空間數(shù)據(jù)的處理效能較高。

4 結(jié) 語

本文提出一種基于高速局部總線控制的分布式多空間數(shù)據(jù)智能交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用多線程自上而下開發(fā)方法，在嵌入式Web服務(wù)平臺(tái)中進(jìn)行軟件開發(fā)，采用Socket編程構(gòu)建分布式多空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過協(xié)議棧開發(fā)智能交換系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，采用高速局部總線控制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的端口設(shè)置和通道控制，通過局部總線送到接收模塊，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)據(jù)交換。測(cè)試得知，該系統(tǒng)進(jìn)行分布式多空間數(shù)據(jù)交換的可靠性較好，提高了總線接收數(shù)據(jù)塊的速率，數(shù)據(jù)交換的效率和準(zhǔn)確性較好。

注：本文通訊作者為譚振江。

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