多路数据总线仿真软件的设计

    摘要：在电子综合系统的设计中利用计算机仿真的手段模拟多路数据总线的通信过程，完成总线通信系统传输方案的优化和总线通信系统性能的评价分析，对提高系统的设计效率有着重要的意义。讨论了总线通信系统优化和仿真的算法模型，并以此算法开发了多路数据总线仿真软件。

    关键词：多路数据总线 计算机仿真 电子综合系统

    总线通信系统的性能可根据总线负载和延迟时间率来评价。总线负载是传输信息（数据字和控制字）所需时间与通信系统总的激活时间的比值，它反映了系统可扩充的余量；延迟时间率是传输消息的实际延迟时间与最大允许的延迟时间的比值，反映了系统进行数据传输的效率，多路数据总线仿真软件对要传输的数据消息块进行合理组织以减小以上两个指标，该功能通过优化过程来完成，仿真结果可用仿真报告形式输出，也可用图形方式显示。借助于各种仿真结果数据，系统设计人员可对总线通信网络的性能作出客观评价，指导系统设计人员对系统结构和ＩＣＤ数据进行必要的调整，以生成最优效率的通信系统。

    本文作者开发的多路数据总线仿真软件具有ＷＩＮＤＯＷＳ风格的人机界面，而且操作方便，实现功能全面，该软件已经成功地用于某型号航空电子综合化系统工程的辅助设计中，效果良好。

１ 数据传输的优化

    与仿真相关的原始数据文件有系统结构定义文件、消息块清单文件、意外活动文件、通信协议定时参数文件等四种数据文件的输入。

    ·系统结构定义文件唯一确定了系统的网络拓扑结构，每一条记录对应于网络的一个终端。

    ·消息块清单文件给出系统将要在总线上传输的所有消息，每一个记录描述了一个消息的内容。记录的域值有：消息类型、消息编号、消息的源、消息的目的、最大允许延迟时间和消息的传输机制。

    ·意外活动文件定义那些需占用总线通信时间（如通信指令，其通信指令不出现在总线表中）的活动。

    ·通信协议定时参数文件定义了指令字、状态字、数据字的传输时间，终端响应时间和消息传输间隔等。

    在进行通信传输方案优化前先进行预处理以形成完备的消息块清单文件。预处理过程分两步：排序处理和机制插入处理。排序处理是为了整理从ＩＣＤ文件中提取的消息块清单文件，排序原则是：按消息块最大允许延迟时间（ＭＤＴ）由小到大进行排序；具有相同最大允许延迟时间的消息块以消息量大小由大到小排序。

    通信机制的插入处理是依据改进的静态总线控制协议检测更新消息传输的机理，通过发送矢量字方式指令检测消息的数据是否更新。机制插入处理即完成将矢量字插入到需检测的消息块之前的操作。

    在电子综合系统中，不同类型的数据传输有不同的最大允许延迟时间。最大的最大允许延迟时间定义为大周期，记为ＭＡＸ（ＭＤＴ），而把最小的最大允许延迟定义为小周期，记为ＭＩＮ（ＭＤＴ），那么大周期中含有的小周期的个数为：

    ＭＡＸ（ＭＤＴ）／ＭＩＮ（ＭＤＴ）＝２ｎ（１）

    其中ｎ为整数，通常不大于６。

    因此，对于某一最大允许延迟时间的消息，在一个大周期（含２ｎ个小周期）之内，应安排传输２ｉ次，其中第一次安排传输，可以排在大周期的前２ｎ－ｉ个小周期的任一个之内，这个小周期的序号称为安排消息的相位，用ＰＨ来表示，那么随后几次则必须安排在第（ＰＨ＋Ｋ·２ｎ－ｉ）个小周期内，这Ｋ＝１，２…………，但应保证前式的值小于等于２ｎ。将系统中各类消息安排传输必须遵循的原则列于表１中。

表1 消息传输安排情况

    优化算法模型要解决的问题是如何才能在消息传输规定的最大允许延迟时间范围之内（满足表１），合理安排每条消息的传输相位，使各条消息的延迟时间率达到均衡，从而达到总线负载均衡。针对最大延迟时间为２ｉＭＩＮ（ＭＤＴ）的消息（ｉ∈[０,Ｎ],也就是最大延迟时间为小周期的２ｉ倍的消息，我们把大周期中的每２ｉ个小周期按顺序划分为一组，这样，对于这种消息，在一个大周期中就有２ｎ－ｉ个组。首先注意第一个组，原则上讲，消息可以安排在此组的任一个小周期内，但是为了达到优化的目的，我们在决定消息的相位之前，首先检测组内各个小周期的消息传输时间的当前累加值，并且将消息安排在最先检测到的累加值最小的小周期内，那么这个小周期既是该消息的相位ＰＨ，与此同时，插入到这个小周期的该消息的传输时间开销也要累加在该小周期的累加值上，供下一条消息检测。在第一组安排相位之后，一个大周期内，余下的２ｎ－ｉ－１个小组中的相位，则应安排在第ＰＨ＋Ｋ·２ｉ个小周期内（Ｋ＝１，２……），当然要保证前式的值小于或等于２ｎ。

    依照上述优化算法，每条消息的传输相位总是安排在用于消息传输时间最小的小周期中，从而各个小周期用于消息传输时间的差异不会超过一条消息的传输时间，这一点可得到数学上的证明。用这种优化方案应用于系统，总线的平均延迟时间率是均衡的，而且此优化方案的解是唯一的，可生成唯一的总线表文件，从根本上解决了优化方案唯一解的问题。用数学归纳法可以证明上述优化算法模型。

２ 仿真

    仿真运算即对总线通信系统的工作情况进行仿真。它按照消息块的性质模拟宿主机的消息块的产生，并模拟宿主机对总线接口板（ＭＢＩ）的操作（如矢量字置位等），同时对总线控制器（ＢＣ）的工作情况进行仿真以便考虑在硬件时间延迟的情况下产生所需要的命令字，以及消息在总线上的传输过程。在仿真过程中将收集大量所需要的数据经处理后产生输出报告和图形显示。仿真算法如下：
首先进行仿真数据准备，随机产生意外活动发生队列；对意外活动按时间先后顺序进行排序，形成排序后的意外活动队列；随机产生消息块的数据更新队列。

    然后开始模拟总线运行，启动总线表（ＢＵＳＬＩＳＴ）的循环，程序便依据总线表中消息的安排次序来模拟实际总线组织消息的传输，有以下几个步骤：

    （ａ）首先检测是否有意外活动发生，即条件：意外活动发生时间≤总线运行时间，如果条件成立，则说明有意外活动发生，将此意外活动的时间开销算入到总线运行时间中，若条件不成立，说明没有意外活动发生转到（ｂ）。

    （ｂ）从优化的总线表中取出消息块的序号，此消息块即是此时准备要传输的消息，对于不同传输机制的消息处理的方式有以下几点不同：

    · 对于采用更新机制的消息，如果有新数据产生，即满足条件：消息的更新数据产生时间≤此时总线运行时间，则根据通信协议计算该消息的传输时间并且计算入总线运行时间中，如果条件不满足则只计算入消息检测时间。

    · 对于矢量字消息，只要是总线表中轮循到，就把矢量字传输时间计算到总线运行时间中即可。

    · 对于简单机制的消息，只要是总线表中轮循到，就根据通信协议计算该息传输时间，并计算到总线运行时间中即可。

    ·在消息的传输过程中可能会产生消息的重写：某一消息块ｍ１在前一次的新数据ｍ１１未被传输到目的地时又产生了新的数据ｍ１２，如果允许重写则ｍ１２覆盖了ｍ１１，如果不允许重写，则ｍ１２不能覆盖ｍ１１，传输时仍然传输ｍ１１。

    （ｃ）在仿真过程中同时进行数据的采集，记录消息传输延迟时间、更新数据传输次数、旧数据传输次数、检测次数以及重写次数等，以便进行数据统计形成仿真报告和图形。

    （ｄ）在组织完一次消息传输后，程序再跳到(ａ)，组织下一条消息的传输，如此不断循环直到到达仿真时间。

    最后进行统计运算输出仿真报告和图形。

    我们以某电子综合系统的数据为例给出部分仿真结果和图形（见图１，图２）。

    总线负载和平均延迟率是评价总线通信系统性能的重要参数：

    ·总线负载（Ｂｕｓ Ｌｏａｄｉｎｇ——是传输信息（数据字和控制字）所需时间与通信系统总的激活时间的比值，它反映了系统可扩充的余量，公式为：

    总线负载＝传输信息量（数据字和控制字） / 总线激活时间   （２）

    ·平均延迟率，延迟时间率是传输消息的实际延迟时间ＴＬ与最大允许延迟时间ＴＭ的比值，那么在某个时间范围内所有消息的平均延迟时间率定义为：



    式中Ｄ为平均延迟率，ｎ为消息总数。平均延迟率反映了系统进行数据传输的效率，它与总线负载的概念是相关联的，当总线达到理想化的总线负载均衡时，每个消息的延迟时间率都应等于平均延迟时间率。实际传输中，各个消息的延迟时间率越接近，则说明总线的负载均衡程度越好。信息传输时，达到总线负载均衡可保证总线信息传输安全可靠、高效、避免发生总线阻塞。

    延迟率曲线描述了在整个仿真时间内消息传输的最大、平均、最小延迟率随时间的变化情况，从最后给出的统计报告得到：

    ·最大延迟时间率：２４．３２％

    ·平均延迟时间率：９．３７％

    ·总线负载：４５．０４％

    ·传输消息次数：２６４０

    ·重写次数：０

    从图中也可以看出，在２０００ｍｓ的仿真时间内消息的延迟率较低，而且消息延迟率最多集中在５％～１０％之间（共有９００次）和１０％～１５％之间（共有８１０次），在所有２６４０次消息传输中没有发生消息的传输延迟时间超过最大允许延迟时间的情况，也没有发生重写，低的消息传输延迟时间率和均衡的总线负载表明经优化的总线传输方案是成功的。

    总之，本文讨论了电子综合系统传输方案的优化和通信过程仿真的算法模型，并以作者开发的多路数据总线仿真软件对实例进行了仿真分析，仿真结果表明我们对总线传输方案的优化达到了系统信息传输的设计要求。因此，利用仿真软件进行电子综合系统设计的仿真可以得到系统的最优传输方案和评价系统性能的重要参数，为设计人员提供了可靠的支持同时也提高了工作效率。