SVDU的多協(xié)處理器并行化方法研究

趙 洋，汪 亨，吳延群，余 波

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213）

0 引言

人機界面是人與設(shè)備之間進行交互的重要媒介。人通過人機界面對計算機所控制的實際設(shè)備進行控制，同時人機界面會將計算機采集的設(shè)備信息反饋給用戶，以便用戶分析并作為決策的重要依據(jù)之一。根據(jù)不同的調(diào)查統(tǒng)計，在核電站中發(fā)生的重要事故和故障中，約60%的事故是由操作員的失誤造成的[1]。因此，人機界面的功能重要性在核電系統(tǒng)中不斷加強。

SVDU 作為安全級DCS 配套的數(shù)字化人機界面，其核心功能主要由基于CPU 的軟件技術(shù)實現(xiàn)。為保證SVDU設(shè)備的高可靠性，其相關(guān)軟件開發(fā)往往遵循“單任務(wù)運行”“限制中斷使用”“固定周期運行”“靜態(tài)內(nèi)存分配”等保守性設(shè)計原則。這些設(shè)計原則使得SVDU 的應(yīng)用功能開發(fā)與技術(shù)指標要求呈現(xiàn)矛盾狀態(tài)，難以兼得。在工程實踐中，犧牲功能豐富性和完善性來保證人機響應(yīng)時間、頁面刷新速率等技術(shù)指標要求會使SVDU 的功能偏向簡單化，有時并不能夠完全滿足安全級DCS 配套人機界面的某些功能需求。

圖1 安全級DCS簡化連接圖Fig.1 Simplified connection diagram of safety DCS

如果能夠以新的設(shè)計方法來提升SVDU 設(shè)備的運行效率，使得功能和性能同時兼顧，又能有效保證可靠性，對于保障核電安全可靠運行具有重要意義。

1 SVDU功能分析

國內(nèi)外應(yīng)用于核電廠的SVDU 產(chǎn)品主要包括TXS QDS、MELTEC SVDU、Tricon SVDU 以及NASPIC SVDU。雖然各產(chǎn)品采用的技術(shù)不同，但在安全級DCS 中發(fā)揮的作用類似。SVDU 作為安全級DCS 配套的人機界面，為操作員提供狀態(tài)監(jiān)視、手動干預(yù)系統(tǒng)運行的能力。圖1 是安全級DCS 中的簡化連接圖，各模塊的功能如下：

GW：網(wǎng)關(guān)站（Gate Way），實現(xiàn)安全級DCS 與NC 網(wǎng)絡(luò)的通信隔離。

TU：傳輸單元（Transfer Unit），實現(xiàn)SVDU、FCS、TU、GW 之間的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)傳輸，通過TU 能夠?qū)⒏鱾€單一的站點通信互聯(lián)，構(gòu)成較大的控制通信網(wǎng)絡(luò)。

FCS：自動控制單元（Fieldbus Control System），執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、邏輯運算及輸入輸出控制。

ECP/BUP：獨立于安全級DCS 的應(yīng)急盤（Emergency Control Panel）和后備盤（Backup Panel）。

SVDU：安全級圖形顯示單元，通過TU 獲取需要監(jiān)視的網(wǎng)絡(luò)變量，通過TU 將控制指令發(fā)送到FCS 中。

在安全級DCS 中，SVDU 需要完成的功能包括但不限于：

1）反應(yīng)堆保護系統(tǒng)功能的閉鎖及復(fù)位。

2）通道旁通狀態(tài)顯示。

3）長時間PAMS 變量記錄和趨勢顯示。

4）T3 定期試驗。

5）停堆斷路器復(fù)位。

表1 SVDU設(shè)備功能與系統(tǒng)功能的關(guān)系Table 1 The relationships between SVDU device functions and system functions

在系統(tǒng)運行中，SVDU 的故障可能會導(dǎo)致操作模式由KIC 模式切換到BUP 模式[2]。因此，SVDU 的功能大多可由BUP 代替?？傮w上，SVDU 發(fā)揮著與BUP 相似的功能。在設(shè)備級手動控制方面，可以認為SVDU 與BUP 構(gòu)成了多樣化的人機輸入手段；在狀態(tài)監(jiān)視方面，SVDU 借助自身的大屏幕和多種顯示形態(tài)的圖形控件，能夠代替大量BUP 盤面布置的信號狀態(tài)指示燈、參數(shù)監(jiān)視儀，使得BUP 僅保留必要的信號監(jiān)視，能夠簡化BUP 的設(shè)計復(fù)雜度。

2 SVDU設(shè)備底層支撐技術(shù)分析

從安全級DCS 整體的角度來看，SVDU 主要執(zhí)行的系統(tǒng)功能有兩個：

1）設(shè)備級手動控制。

2）實時狀態(tài)監(jiān)視。

為滿足以上系統(tǒng)功能，SVDU 需要具備以下設(shè)備功能：

① 安全通信：能夠與TU 進行雙向安全通信。

② 人機輸入：具備接收來自用戶人機輸入指令的能力。

③ 畫面顯示：以圖形、數(shù)值、文本、趨勢及日志等多種顯示形態(tài)反映狀態(tài)監(jiān)視的實時值和歷史值。

④ 用戶配置信息解析：SVDU 是一款組態(tài)型設(shè)備，所有顯示畫面均在離線組態(tài)后下裝至設(shè)備中。因此，需要具備解析用戶組態(tài)配置信息的功能。

SVDU 系統(tǒng)功能與設(shè)備功能的關(guān)系如表1 所示。

圖2、圖3 描述了狀態(tài)監(jiān)視和設(shè)備級手動控制的數(shù)據(jù)流向及其經(jīng)過的處理環(huán)節(jié)。

SVDU 軟件在滿足“單任務(wù)運行”“固定周期運行”等設(shè)計原則的前提下，在一個固定的運行周期內(nèi)，將按照圖4 所示機制固定地分配時間片段，確定、順序地執(zhí)行各項設(shè)備功能。

如果SVDU 中某個控件涉及的設(shè)備功能過于復(fù)雜，圖4 中的各個時間片段將增加，進而增加運行周期，降低SVDU 人機響應(yīng)和數(shù)據(jù)更新速度。在“限制中斷使用”“無人機輸入輸出緩存”的設(shè)計中，系統(tǒng)還有可能丟失人機輸入信息，嚴重影響SVDU 安全功能的可靠性。

圖2 狀態(tài)監(jiān)視的數(shù)據(jù)流向Fig.2 The data flow of status monitor

圖3 設(shè)備級手動控制的數(shù)據(jù)流向Fig.3 The data flow of device-level manual control

圖4 SVDU固定時間片段運行機制Fig.4 SVDU running mechanisms based on fixed time slice

航空和工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域?qū)τ嬎阆到y(tǒng)要求越來越高，嵌入式計算機系統(tǒng)日益復(fù)雜[3]。因此，不得不引入操作系統(tǒng)來實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度和硬件管理。與此類似，某些SVDU 產(chǎn)品中也使用基于實時性操作系統(tǒng)的多任務(wù)處理機制來提升并發(fā)數(shù)據(jù)處理能力。任務(wù)管理和調(diào)度是操作系統(tǒng)的核心功能之一，而任務(wù)調(diào)度必然會引入程序指針重賦值的軟件或硬件中斷，帶來嚴重的不確定性，背離了安全級軟件的設(shè)計原則；同時會導(dǎo)致軟件的確定性評估以及驗證確認工作變得復(fù)雜且困難。此外，操作系統(tǒng)的引入，使得硬件資源需求提升，硬件復(fù)雜度的增大反而會導(dǎo)致SVDU 的可靠性預(yù)計指標下降。

3 多協(xié)處理器并行化方法在SVDU中的應(yīng)用

“單任務(wù)運行”“固定周期運行”等設(shè)計約束本質(zhì)上是為了保證SVDU 軟件的行為簡化，有利于可靠性分析。如果能將圖4 所示各個時間片的功能聚合為多個獨立的協(xié)處理器，在統(tǒng)一的時序節(jié)拍驅(qū)動下，各個協(xié)處理器盡可能地同步并發(fā)執(zhí)行，將極大提升對應(yīng)用功能的處理能力，各個模塊的功能復(fù)雜度也可以保持在較低水平。

3.1 多協(xié)處理器并行化方法的架構(gòu)

圖4 中各個時間片代表的SVDU 各子功能，可以被聚合為以下具備一定獨立性的協(xié)處理功能：

圖5 基于多協(xié)處理器并行化方法的SVDU技術(shù)方案Fig.5 The method of SVDU based on multi-processor

1）用戶配置信息解析協(xié)處理功能。

2）顯示協(xié)處理功能。

3）通信協(xié)處理功能。

4）人機輸入?yún)f(xié)處理功能。

為了保證各協(xié)處理功能有序地運行，需要配備專門的時序節(jié)拍控制模塊。在執(zhí)行SVDU 系統(tǒng)功能時，各協(xié)處理功能間需要執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，需要配備專門的DMA 控制模塊。

按照以下兩個原則可構(gòu)建起如圖5 所示基于多協(xié)處理器并行化方法的SVDU 技術(shù)方案：

原則1 同步性

各協(xié)處理器有統(tǒng)一的時序基準以保證SVDU 行為的確定性。

原則2 并行性

本方法是一個去中心化的設(shè)計，除時序節(jié)拍控制外，其他協(xié)處理器地位等同。任意兩個或多個協(xié)處理器能夠配合實現(xiàn)SVDU 的應(yīng)用功能。

圖5 中各協(xié)處理器的功能描述如下：

a）時序節(jié)拍控制模塊

本模塊為SVDU 運行提供時序基準，輸出的同步時序節(jié)拍定義了SVDU 的運行周期以及各個時間點應(yīng)該執(zhí)行的功能。通過本模塊來保證SVDU 功能的確定性。

b）配置信息解析協(xié)處理器

配置信息定義了SVDU 在不同的輸入條件下應(yīng)當具備的狀態(tài)和輸出行為。本模塊在時序節(jié)拍的控制下，解析配置信息并將配置信息轉(zhuǎn)換為需要的操作后以并行的方式分發(fā)到指定的協(xié)處理器中。每個配置信息解析處理器需要配套一個配置緩存，用于暫存配置解析前后的相關(guān)信息。

c）顯示協(xié)處理器

顯示協(xié)處理器在時序節(jié)拍的驅(qū)動下，既要實現(xiàn)對顯示設(shè)備的驅(qū)動，又要按照特定的人機輸入、配置信息以及通信網(wǎng)絡(luò)變量實時地生成顯示畫面數(shù)據(jù)。每個顯示協(xié)處理器需要配套一個顯示緩存，用于實現(xiàn)顯示畫面信息的暫存。

d）通信協(xié)處理器

通信協(xié)處理器在時序節(jié)拍的驅(qū)動下，要完成多層安全通信協(xié)議的封裝、解析、接收以及發(fā)送控制，又要與應(yīng)用數(shù)據(jù)、人機輸入數(shù)據(jù)配置信息關(guān)聯(lián)。每個通信協(xié)處理器需要配套一個通信緩存，用于實現(xiàn)通信接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的暫存。

e）人機輸入?yún)f(xié)處理器

人機輸入?yún)f(xié)處理器在時序節(jié)拍的驅(qū)動下，既要完成對實體按鍵、觸摸屏等人機輸入設(shè)備的驅(qū)動控制和坐標數(shù)據(jù)捕獲，又要與配置信息關(guān)聯(lián)以識別其關(guān)聯(lián)的控件、通信網(wǎng)絡(luò)變量等。每個人機輸入?yún)f(xié)處理器需要配套一個人機輸入數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)緩存，用于人機輸入、應(yīng)用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等信息的暫存，避免人機輸入信息的丟失。

f）DMA 控制器

以上各個協(xié)處理器中不存在中心節(jié)點，協(xié)處理器間存在數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆MA 控制器在時序節(jié)拍的控制下，按照配置信息的定義，實現(xiàn)協(xié)處理器間的數(shù)據(jù)傳輸控制。

3.2 多協(xié)處理器并行化方法的運行

基于單任務(wù)的SVDU 設(shè)備在執(zhí)行“按鈕”類設(shè)備級手動控制功能時，需要順序地執(zhí)行以下5 個動作：

1）捕獲人機輸入

定期掃描人機輸入設(shè)備，如果有人機輸入則開始準備人機響應(yīng)，否則在下一個周期繼續(xù)掃描人機輸入設(shè)備。

2）人機響應(yīng)關(guān)聯(lián)

在已捕獲到人機輸入的前提下，結(jié)合配置信息，確定應(yīng)該執(zhí)行的具體人機響應(yīng)內(nèi)容，如果配置信息未定義人機響應(yīng)，則放棄人機響應(yīng)操作，在下一個周期到來時繼續(xù)掃描人機輸入設(shè)備。

3）人機響應(yīng)輸出控制

在人機響應(yīng)關(guān)聯(lián)完畢的前提下，在顯示緩存的某一區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生人機回饋顯示數(shù)據(jù)，并將該信息輸出到顯示設(shè)備上，提示操作員SVDU 已經(jīng)捕獲到人機輸入。

4）網(wǎng)絡(luò)變量關(guān)聯(lián)

通過配置信息的定義，識別該人機輸入是否關(guān)聯(lián)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變量。如果關(guān)聯(lián)了網(wǎng)絡(luò)變量，則將對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)變量設(shè)置為指定數(shù)值，否則放棄本次操作。

5）通信輸出

將網(wǎng)絡(luò)變量包通過安全通信發(fā)送至TU。

以上順序動作在多協(xié)處理器并行化方法下，將精簡為圖6 所示的時序。

圖6 設(shè)備級手動控制時序Fig.6 Device-level manual control timing

圖6 中，周期執(zhí)行階段的具體操作如下：

a）并行配置信息解析

配置信息解析協(xié)處理器解析主體的配置數(shù)據(jù)，產(chǎn)生DMA 路由控制信息。顯示、通信、人機輸入?yún)f(xié)處理器解析自身所需要的配置信息。

b）并行數(shù)據(jù)處理與傳輸

顯示、通信、人機輸入?yún)f(xié)處理器通過DMA 獲取到自身所需數(shù)據(jù)，按照預(yù)定義的時序節(jié)拍結(jié)合各自解析的配置數(shù)據(jù)，并行地實現(xiàn)通信、人機、顯示數(shù)據(jù)計算。

c）并行數(shù)據(jù)輸出控制

在上一步的基礎(chǔ)上，各協(xié)處理器并行執(zhí)行各自的功能。

在涉及復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)運算的功能執(zhí)行時，多協(xié)處理器并行化方法將體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。下面以事故后監(jiān)測系統(tǒng)（Post Accident Monitor System，簡稱PAMS）變量趨勢顯示為例進行說明。其他復(fù)雜的狀態(tài)監(jiān)視功能與此類似。

基于單任務(wù)的SVDU 設(shè)備進行PAMS 變量趨勢顯示時，通常需要順序地執(zhí)行以下動作：

① 獲取通信數(shù)據(jù)。

② 通信數(shù)據(jù)與配置信息關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)換為應(yīng)用數(shù)據(jù)。

③ 應(yīng)用數(shù)據(jù)通過插值算法連續(xù)化為顯示數(shù)據(jù)。

④ 顯示數(shù)據(jù)輸出至顯示設(shè)備。

以上各個步驟順序執(zhí)行過程中牽涉到大量的數(shù)據(jù)重復(fù)搬運工作，如圖7 所示。

采用多協(xié)處理器并行化方法，則PAMS 變量的趨勢顯示可按照圖8 所示的時序執(zhí)行。

具體地，基于多協(xié)處理器并行化方法能夠使得PAMS變量的趨勢顯示實現(xiàn)四級流水線處理，如圖9 所示。數(shù)據(jù)吞吐率提升3 倍，在每個時序節(jié)拍可以完成一個PAMS 采樣點的數(shù)據(jù)搬運、數(shù)據(jù)歸一化處理、數(shù)據(jù)插值計算和輸出顯示。通過這種方法，一方面可以在單幅SVDU 畫面上顯示更多的PAMS 變量趨勢，另一方面更有利于某些復(fù)雜的數(shù)據(jù)插值和連續(xù)化算法的實施。

3.3 多協(xié)處理器并行化方法的技術(shù)實現(xiàn)

多協(xié)處理器并行化方法將SVDU 中的主要功能聚合為獨立的協(xié)處理器，主要有以下2 種實現(xiàn)方式：

圖7 順序化PAMS變量趨勢顯示流程Fig.7 Sequential trend display proc

1）基于多個通用微控制器元件的協(xié)處理器陣列

各個協(xié)處理器使用獨立的微控制器，通過板上總線連接，互相配合實現(xiàn)SVDU 的各項功能。這種實現(xiàn)方法存在以下問題：

◇ 元器件增多，可靠性預(yù)計指標下降。

◇ 板載通信接口、協(xié)議繁雜，限制整體性能提升。

◇ 某些特殊功能無法定制化，例如流水線處理、數(shù)據(jù)突發(fā)訪問等。

2）基于FPGA 的SOC

FPGA 的片上邏輯資源、布線資源以及RAM 資源越來越豐富。同時，隨著制程工藝的提升，F(xiàn)PGA 在執(zhí)行相同邏輯功能的功耗與傳統(tǒng)的ASIC 器件已經(jīng)相差不大。這些有利條件使得基于FPGA 的SOC 技術(shù)在面向小批量、柔性定制功能的應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。通過SOC 的方式，不僅能克服通信接口的復(fù)雜，還能實現(xiàn)片上系統(tǒng)的集成[4]。

基于FPGA 的協(xié)處理器并行化方法具體實施方式如下：

◇ 利用FPGA 片上的邏輯資源、RAM 資源、布線資源來構(gòu)建各協(xié)處理器。

◇ 利用FPGA 上的邏輯資源、布線資源來構(gòu)建各協(xié)處理器間的片上并行通信總線。

目前，多核處理器按照集成方式不同，可以分為同構(gòu)多核處理器和異構(gòu)多核處理器[5]。多協(xié)處理器并行化方法的實現(xiàn)需要結(jié)合同構(gòu)和異構(gòu)的特點。因此，在圖5 的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了雙冗余—混合型架構(gòu)片上系統(tǒng)，如圖10 所示。

圖10 中，A 組協(xié)處理器陣列和B 組協(xié)處理器陣列采用完全相同的設(shè)計并執(zhí)行相同的功能，可視為兩個同構(gòu)的處理器核，用于滿足目前核電廠業(yè)主對SVDU 越來越高的可靠性要求。通過同構(gòu)的冗余處理器核，使得即便在硅片上也實現(xiàn)了冗余功能，對于防范由于硅片部分區(qū)域損壞帶來的安全功能喪失具有重要意義。

圖8 PAMS趨勢顯示時序Fig.8 PAMS trend display timing

圖9 四級流水線PAMS變量趨勢顯示Fig.9 Four-level pipeline methods for trends display of PAMS variables

在A 組或B 組協(xié)處理陣列內(nèi)，各協(xié)處理器可視為多個異構(gòu)處理器核，執(zhí)行不同的功能。通過異構(gòu)的處理器核設(shè)計，能夠有效發(fā)揮各協(xié)處理器的專業(yè)功能，有效提升處理能力。此外，在A 組協(xié)處理器陣列和B 組協(xié)處理器陣列間還可以增加鎖步、互相監(jiān)督等手段來提升可靠性。

3.4 多協(xié)處理器并行化方法的優(yōu)劣

多協(xié)處理器并行化方法具有以下明顯優(yōu)勢：

1）不明顯增加系統(tǒng)運行的功能復(fù)雜度

每個協(xié)處理器只執(zhí)行特定的功能，其運行的復(fù)雜度小于單任務(wù)模式。在統(tǒng)一的時序節(jié)拍驅(qū)動下，所有時序流程均是清晰明確的，確定性高，有利于可靠性分析預(yù)測。

2）簡化測試驗證流程

多協(xié)處理器并行化方法將顯著減小軟件測試和驗證確認（Verification & Validation，簡稱V&V）的工作難度。各個協(xié)處理器間接口和時序關(guān)系明確，測試和V&V 可以按模塊逐個開展。

3）改善系統(tǒng)自診斷方法并提高安全性

多協(xié)處理器并行化方法可以使得精確和完善的自診斷監(jiān)視方法的實施更為簡單和方便。這也使得SVDU 可以不再依賴特定的具有高安全完整性等級的CPU，有利于進一步提升SVDU 的自主可控能力。

當然，多協(xié)處理器并行化方法也有其不足之處：

圖10 雙冗余-混合型架構(gòu)Fig.10 Dual redundant hybrid architecture

a）芯片資源需求增加

隨著半導(dǎo)體技術(shù)進步以及實際設(shè)備的低功耗、小型化、智能化的實際需求，多協(xié)處理器并行化方法必然是基于片上系統(tǒng)技術(shù)，即在單FPGA 或ASIC 上集成多個協(xié)處理器核和附屬的數(shù)據(jù)緩存，這又對目標芯片的布線資源、計算資源、存儲資源等提出了較高要求。

b）引入了額外的安全風險

節(jié)拍控制器定義了SVDU 所有行為的先后關(guān)系。準確可靠的節(jié)拍控制直接決定了SVDU 運行的正確性。節(jié)拍協(xié)調(diào)控制的引入可能帶來潛在的共因故障風險。

c）前期調(diào)試工作較為復(fù)雜

多協(xié)處理器并行化方法是針對特定的需求開發(fā)的非標準架構(gòu)，在前期工作開展中，還需要增加調(diào)試工具設(shè)計，加重研發(fā)工作負荷。

4 結(jié)束語

本文通過梳理SVDU 的系統(tǒng)功能和當前設(shè)備底層支撐技術(shù)的局限性，提出了多協(xié)處理器并行化方法，并闡述了該方法的系統(tǒng)架構(gòu)、運行機制以及技術(shù)實現(xiàn)的細節(jié)，同時分析了該方法的優(yōu)劣性。多協(xié)處理器并行化方法具有并發(fā)執(zhí)行高效率、功能驗證方便等突出優(yōu)勢，對于未來SVDU產(chǎn)品的持續(xù)改進升級具有一定的啟發(fā)意義。