[科普中国]-实时计算机系统

概述

实时计算机系统的实时性是指它对输入数据即时作出反应(响应)的能力，可以用反应(响应)时间这个术语对实时性作定量描述。所谓反应时间是指一个系统对输入数据产生反应所需要的时间。实时计算机系统中的测控对象，可以是温度、压力、液位、流量，也可以是飞行器的速度及仰角，或数控机床的坐标等，因此，在不同的作业过程中，计算机系统的反应时间差异悬殊，从毫秒级到小时级不等。一般而言，实时计算机系统是指在某一环境下对现场监测、控制对象的量值变化、状态变化等，能够在整个系统运作所允许的时间间隔内对之进行监测、数据处理、即时地改变其控制参数并导致影响上述环境的计算机系统。实时计算机系统的例子很多。例如导弹飞行测量控制系统，程控交换机的计算机控制系统，化工生产过程监控系统，数控机床的控制系统，高速公路的监控系统，各种家用电器的电脑控制系统等。

实时计算机系统的关键是系统具有实时性。所谓实时性，是指系统中的不同操作的优先级不是平等的而是有高低之分的，具有高优先级的操作，由调度程序安排使它先执行，即先获得CPU的处理服务。此外，有的实时计算机系统具有抢占调度的功能，即在正常的工作情况下，若某一优先级高的任务的激活条件得到满足，系统将中断正常运行，转去执行优先级高的任务，待结束后，再返回执行原先的任务。1

体系结构集中式结构集中式结构的基础是立足于单套计算机可以完成所担负的测控任务。为了提高系统可靠性通常采用双工热备份或冗余技术，而冗余中的基本独立工作单元仍是单套计算机系统，这就是集中式的含义。这种结构中，所有测控系统中所要求的数据处理和数据通信都集中于单套系统，它是测控系统中实时计算机系统所采用的主要结构，无论是测控中心，还是测控站均毫无例外，其典型的组成如图所示。

这种结构的优点是系统结构简单，实时性好。所谓简单是指双工系统下两机控制简单，单机系统运行方式简单，与测控设备的数据通信的组织简单。基于多年的经验，系统越简单，可靠性越高，分析问题也越容易。

这种模式是在早期测控任务相对容易、实时计算机单机可靠性指标很低(仅几十小时)的情况下完成航天测控任务的一种有效的办法。这种较简单的集中式结构支撑了我国航天测控事业从无到有，并发展到可支持国外卫星发射这么长一段历程。

集中式结构中还有一种嵌入式结构。所谓嵌入式是指把计算机作为测控设备中的一个单元来对待，是作为某个设备中的一个基本单位，比如s波段统一测控系统(USB)中的远程监控分系统，从整体上它属于USB中的单元。超短波安全遥控地面设备中的

安全控制台是以计算机为核心的单元，它是嵌入遥控地面设备中的嵌入式系统。在实时计算机系统中，通信控制处理机中的HDLC规程板就嵌有8751作为板内信息交换的控制，其组成图如图所示。

在该板上控制HDLC通信芯片工作的是一个嵌入式的单片机子系统。该板插入586计算机系统。该计算机要管理数块HDLC规程板和一块话音板，因此HDLC规程板实际上是嵌入通信接口处理机中的一个嵌入式子系统。由图可知，板中的单片计算器是87C51，存储器由程序数据存储器和缓冲存储器组成，控制的对象(也可认为是I/O部件)是HDLC通信芯片。该芯片实现串行通信的输入和输出功能，其速率可达2Mbit/s/路/单向，板上的嵌入软件由引导程序和装入程序两部分组成。装入程序主要完成HDLC芯片初始化、8237DMA芯片初始化和处理HDLC数据收发以及每帧之后的中断，并实现与主机(586)的数据交换。

分布式结构分布式系统是计算机发展中一个新的有发展前景的结构，其严格定义并未取得一致意见，但大多数人认为，分布式系统是由多台计算机组成的系统，更确切地说，它包含如下几个方面的含义。

(1)系统中的任意两台计算机可以通过通信手段交换信息；

(2)系统中各台计算机没有主次之分，都独立自主，既没有控制整个系统的主机，也没有受控于它机的从机；

(3)系统的资源为所有用户共享；

(4)系统中的若干台计算机可以互相协作来完成一项共同的任务，或者说一个程序可分布于几台计算机上并行运行。

分布式结构可分为多计算机或多处理器系统和计算机网络系统。

多处理器系统是指由数百个甚至成千上万个处理器集成在一起，采用并行处理的办法来解决极高难度的数学、物理和工程问题的一种分布式系统。

计算机网络是用通信线路、通信设备或用网络设备将分散的具有独立功能的多个计算机系统互联，按照通信协议进行数据通信，实现资源共享的计算机集合。在这种模式下，计算任务是由大量自主而又互相连接的计算机来完成。

1)功能分布式系统

用互联设施将担负不同任务的独立计算机连在一起共同完成一个总任务的系统，称为功能分布式系统。

执行实时控制任务时，特定的机器担负固定的任务，比如外测任务、遥测任务等等。采用静态分布，减少了动态调度的复杂性和滞后性。为了提高可靠性仍采用冗余手段。

2)计算机网络

网络技术发展到今天，已使人们可以通过网络访问全世界任何计算机中的资源。世界上最著名的Intemet网上的用户每年以数百万计个向上猛增。可以通过网络看政治动态、经济消息、世界局势，也可以通过网络逛商店、采购物品和游览名胜古迹。网络是当今计算机系统中最为发展迅速的一个结果。因此，有许多人把计算机干脆就称作网络计算系统。2