現(xiàn)代微電子學為實驗物理學、工程學和其他應用中的分布式系統(tǒng)發(fā)展提供了新的可能。用于數(shù)據(jù)采集（DAQ）且與網(wǎng)絡相互連接的新型模塊化微處理器系統(tǒng)和分布式控制應用正被人們提出并討論。高功率多功能的特定（用于通信和DSP）微處理器與分布式存儲器一起作為實時系統(tǒng)來運作。用于數(shù)字信號處理（DSP）和控制應用的嵌入式模塊化系統(tǒng)在工業(yè)標準（工業(yè)計算機系統(tǒng)（ICS）ISA機箱（MicroPC）有兩個/四個插槽或cPCI有四至八個插槽）中發(fā)展起來。多處理器系統(tǒng)能有效應用于分布式控制，人們正在研究用于此系統(tǒng)的實時多處理器核和操作系統(tǒng)（OS）以適應實驗研究和工程技術(shù)應用中的可能發(fā)生的各種應用場合。 人們正考慮將具有有源底板的緊湊型工業(yè)計算機系統(tǒng)（ICS）和具有無源底板的基于緊湊型PCI的系統(tǒng)（cPCI/PXI）通過以太網(wǎng)連接起來作為嵌入式實時系統(tǒng)用于控制應用場合。人們也考慮將分布式系統(tǒng)與系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）連接起來作為具備并行流水線數(shù)據(jù)處理能力的高級模塊系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集和控制應用場合。在對數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)和控制子系統(tǒng)進行聯(lián)合建模的基礎(chǔ)上，人們考慮將實驗物理學和工程子系統(tǒng)結(jié)合起來。 1、具備有源底板的嵌入式模塊化實時系統(tǒng) 微型機由許多元件（插入到底板上）組成，包括CPU、存儲器、磁盤驅(qū)動器和串口/并口。一些計算機基于IBM PC（ISA總線）插件模塊，另一些作為在單個板上的獨立系統(tǒng)（無底板）來實現(xiàn)，其他的則是基于底板總線（VME/VXI）的單板計算機（SBC）。 　　 基于底板的微型機可以用于數(shù)據(jù)采集、過程控制和不同的研發(fā)項目，但是一般情況下，由于其過大的體積而不將它作為智能元件嵌入到設備中去。二十世紀八十年代，計算機板被大規(guī)模集成芯片所限制，集成電路因具有先進的性能而占領(lǐng)了整個計算機板市場，而后發(fā)展為單片機或DSP。PC/104和PC/104-Plus 模塊趨向于由支持嵌入式Linux的標準PC臺式機和筆記本電腦組件來組成。PC/104-Plus增加了使用board-to-board總線（120 針）的PCI總線。 　　 在基于PC的非桌面嵌入式系統(tǒng)上，人們對IBM PC兼容性的興趣日益增加： ·PC芯片級和外圍的兼容性能使成本更低、結(jié)構(gòu)更簡單、支持更容易， ·PC兼容性提供了PC機操作系統(tǒng)（MS-DOS, Windows, Linux）、語言和工具等優(yōu)勢。 　　 由于新型接口（USB, FireWire, 藍牙）、架構(gòu)（MIPS, PowerPC, ARM）和操作系統(tǒng)（RTLinux, RTEMS）的出現(xiàn)，嵌入式單板計算機（SBC）平臺能夠更好地服務于嵌入式模塊化實時系統(tǒng)： ·增加了嵌入式智能，許多應用需要有對用戶友好的圖形和語音界面； ·增加了需要進行相互連接（TCP/IP, PPP, HTTP, FTP）的電子設備的需求； ·USB正在取代串口、并口和PS/2接口，以太網(wǎng)隨處可見，F(xiàn)ireWire （IEEE-1394）正開始被使用； ·處理器（高度集成了基于ARM, MIPS, PowerPC和x86的面向應用的片上系統(tǒng)） 正在開發(fā)中； Linux用于所有的計算處理，它提供了低成本、開源的解決方案，支持開放性標準、網(wǎng)絡連接、通信、Internet和其他功能。 　　 有人提議將基于小型工業(yè)計算機系統(tǒng)（ICS）的具有兩個插槽的緊湊型模塊化系統(tǒng)作為嵌入式控制器端（CS）和工作虛擬端（VS）通過10/100M以太網(wǎng)在分布式網(wǎng)絡中連接起來。每個虛擬端（VS）都是基于Windows 或/和 Linux，每個控制器端（CS）都是基于RT-Linux并且用于數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測和控制。兩個PCI插槽中的一個用于基于DSP的數(shù)據(jù)采集和控制模塊，另一個則用于擴展或另外的以太網(wǎng)連接。 通常，在硬件和軟件上，現(xiàn)場總線用經(jīng)濟的模塊化方法來取得不同的應用成果。今天，大多數(shù)計算機將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡（10/100M以太網(wǎng)、FireWire、USB）作為標準的連接?，F(xiàn)場總線的概念對于所有電子設備來說應該是透明的。串行總線（USB、 FireWire）用于中高速的I/O連接。SCI的相互連接支持可擴展的多處理器集群和高性能模塊化實時系統(tǒng)。 另一版本的緊湊型CS隨著具有基本通信處理器模塊的四個插槽的Micro PC機箱發(fā)展起來，此處理器模塊也包括了動態(tài)和靜態(tài)的存儲芯片和一套標準接口（CAN總線、RS232及其它）。實時操作系統(tǒng)（RT-Linux, RTEMS）可用于數(shù)據(jù)采集和控制應用場合。 2、具備無源底板的嵌入式模塊化實時系統(tǒng) 　　 Euro -card（3U格式）是國際標準（IEEE 1101.1）。VME總線允許16位數(shù)據(jù)以3U格式傳送（6U板支持全數(shù)據(jù)總線帶寬）。與VME（3U）相比，cPCI（3U）是個性能更高且更有效率的系統(tǒng)，而在VME體系結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)PC功能困難重重。3U cPCI總線性能優(yōu)于3U VME。 與嵌入式PC板格式相比，cPCI/PXI總線支持single-wide板和double-wide板中的全32位或64位數(shù)據(jù)傳輸。cPCI/PXI也提供了一些優(yōu)勢。cPCI/PXI提升了系統(tǒng)的靈活性，將PCI插槽數(shù)由4個提高到了8個。cPCI為工業(yè)環(huán)境（如VME）所設計，而PXI為儀器使用系統(tǒng)（如VXI）所設計。3U cPCI無源底板比較小但可以增大。使用底板的方法使維護和升級3U cPCI模塊變得更為簡單。cPCI/PXI（3U）板支持工業(yè)自動化所需要的I/O，而工業(yè)自動化也需要分布式I/O。 　　 cPCI支持現(xiàn)場總線用于數(shù)據(jù)采集、控制、監(jiān)測和進程報告。為了滿足工業(yè)應用的需要，cPCI系統(tǒng)支持高級的用于cPCI單板計算機上的網(wǎng)絡連接功能（10/100M以太網(wǎng)、 USB、FireWire和現(xiàn)場總線）。模塊性能夠幫助人們進行最廣泛的應用并提供了基于cPCI/PXI的SBC支持的靈活性。 嵌入式模塊化cPCI/PXI（3U）系統(tǒng)硬件有如下優(yōu)勢： 1）小型規(guī)格（220針，2mm連接器）體現(xiàn)了它是個對抗控制應用場合中沖擊和振動的良好平臺。 2） 完整的PC模塊（帶有圖形、快速以太網(wǎng)、IEEE1394、USB、現(xiàn)場總線、flash存儲器和128M的SDRAM）能夠建立在緊湊型且具靈活性的 3U平臺上。 3） 降低功耗是減小成本的重要步驟，追求更小型的處理器幾何尺寸降低了功率級。研究顯示，通過3U cPCI實現(xiàn)的控制設備消耗的功率通常低于20W。 4） 另外，帶有64位總線的8插槽cPCI底板通過使用機架和EMI屏蔽附件提供了經(jīng)濟型底板（無源的和有源的）?，F(xiàn)代嵌入式計算機的解決方案需要基于Windows的軟件來完成用于控制應用 （RT-Linux, RTEMS, QNX, OS-9, VxWork）的人機連接、網(wǎng)絡連接、文件管理和確定性的實時軟件。 用于與PC兼容的嵌入式SBCs的Linux支持傾向于以正常方式使用芯片來提供，包括一些特定的功能如：顯示控制器模式、LCD面板控制信號、PCMCIA、板上固態(tài)磁盤和非標準的功能（看門狗定時器）。 3、與SAN相互連接的分布式系統(tǒng) 　　 由于在分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，大量并行處理器受到總線的限制，所以可擴展一次性接口（SCI）就成為一個用于高級多處理器體系結(jié)構(gòu)的最好的系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡 （SAN）而發(fā)展起來。隨后，第一個具有硬件一致性的基于SCI的高性能模塊化多處理器系統(tǒng)被開發(fā)出來。根據(jù)多級物理模型，人們提出將用于高性價比系統(tǒng)的基于標準緊湊型PC （PC-board）和鏈路模塊（如Dolphin）的高級集成化實時系統(tǒng)高效SAN體系結(jié)構(gòu)用于實驗物理研究中的高性能數(shù)據(jù)采集、控制和分布式數(shù)據(jù)處理。組建高性價比實時系統(tǒng)的一個最佳方法是使用工業(yè)計算機系統(tǒng)MB（ICS MB）、PC MB 或 cPCI/PXI，并根據(jù)實際的應用場合通過不同的拓撲連接到SAN中。 分布式并行數(shù)據(jù)處理模型包括對稱多處理（SMP）、大規(guī)模并行處理（MPP）和機群系統(tǒng)（RMC和NUMA）。RMC（映射內(nèi)存集群）是一個在節(jié)點和通信連接之間具有內(nèi)存復制功能和內(nèi)存?zhèn)鬏敊C制的集群系統(tǒng)。 　　 借助系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）的鏈路模塊，分布式集成系統(tǒng)的高模塊化結(jié)構(gòu)能夠支持分布式處理器和內(nèi)存之間的高效交互作用。SAN包括以下幾個級： 1） 核心級由一套內(nèi)核處理器、存儲器、I/O控制器所組成，它們之間相互連接。與同一板上的片外存儲器相比，新型單芯片微型機具有更短的通信鏈路，更易訪問和更短的數(shù)據(jù)傳輸時間。 2） 系統(tǒng)模型的緊湊型板結(jié)構(gòu)的原子級（A模塊）包括用于特定目的和一般目的的處理器。用于數(shù)據(jù)采集和控制的最簡高效實時系統(tǒng)可以以具有單核、雙核或三核處理器的標準PC MB為基礎(chǔ)。在同一總線上，處理器模塊有數(shù)量限制。對稱多處理（SMP）是用于多處理器的基本軟件模型。 3） 分子級（宏觀結(jié)構(gòu)）取決于系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。大量多處理器節(jié)點可以通過SAN（“大總線”模型）連接到大型（千處理器）系統(tǒng)中以支持分布式集成實時系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集、控制和數(shù)據(jù)處理應用。 　　 4） 分布式系統(tǒng)的相互連接基于鏈路、橋接和開關(guān)模塊（L模塊、B模塊和S模塊）。通信速度的成本比針腳和板空間的成本下降地更快。傳統(tǒng)的通信基于總線，這限制了處理器的數(shù)目。 一個可行的解決方案是在許多獨立的點對點連接上使用基于包的信號，這可以解決總線瓶頸的問題，但也帶來了新的問題——如何保持系統(tǒng)中共享內(nèi)存模型的cache一致性。 處理器模塊之間的弱相互作用基于消息傳送（以太網(wǎng)）。中級相互作用基于集群中使用的外部存儲設備（磁盤、磁帶）。處理器核之間的強相互作用基于直接讀取分布式存儲器，并在SCI上實現(xiàn)，SCI也支持處理器模塊之間的弱相互作用。SCI的強相互作用包括小包交易（有回顯地發(fā)送和響應分離的包）。包格式包括寫 xx、讀xx、移動xx和鎖定命令，此處xx表示允許的數(shù)據(jù)塊長度（數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目，在數(shù)據(jù)包頭的右方）。 可擴展性是增強多處理器實時系統(tǒng)性能（與千處理器系統(tǒng)相連接）的一個問題。 SAN架構(gòu)的分布式存儲器模型能支持并行流水線數(shù)據(jù)處理（計算）作為SMP模型運行于單個地址空間。64位地址支持每個節(jié)點上的256T字節(jié)。 Cache 一致性支持分布式并行數(shù)據(jù)處理實時系統(tǒng)中所有處理器的數(shù)據(jù)可用性。實時系統(tǒng)包含有許多處理器，它們嘗試著修改單個數(shù)據(jù)或與此同時將數(shù)據(jù)的備份保存到自己的 cache中。通過軟件或硬件實現(xiàn)的一致性阻止多處理器在同一時刻嘗試修改同樣的數(shù)據(jù)。硬件一致性支持高性能（高價格）而軟件一致性則提供了高性能（低價格）。 模塊化實時系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)應該基于一套精選過的模塊來發(fā)展系統(tǒng)以達到最優(yōu)化地解決確定問題的目的。它應該是個具有矩陣探測器的用于數(shù)據(jù)采集的矩陣或是用于3D圖像的3D拓撲結(jié)構(gòu)。在控制領(lǐng)域，系統(tǒng)應該需要有個類似于大型機器（線性或環(huán)形）結(jié)構(gòu)的拓撲。 基于SAN的分布式系統(tǒng)應該共享64位SCI地址，高16位用于在適當?shù)墓?jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)拓撲可以在簡易環(huán)、多環(huán)、橋接或交換器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)處理器之間的并行流水線的強相互作用。SCI基于點到點的連接并支持同一時間內(nèi)所有處理器模塊的事務。商用Dolphin的L模塊提供了每秒800M字節(jié)的雙向 SCI連接用于移動大量的具有小型應用-應用潛力（2.3毫秒）的分布式數(shù)據(jù)并且減少了用于多點應用的最好的可擴展性的節(jié)點控制信息。 基于網(wǎng)絡的分布式實時系統(tǒng)包括下面節(jié)點：連接到虛擬端（VS）的控制器端（CS）收集實時數(shù)據(jù)并輸出控制數(shù)據(jù)。具有一個以太網(wǎng)端口的簡易CS基于具有兩個 PCI插槽的緊湊型ICS MB用于數(shù)據(jù)采集和控制模塊。另一個端口用于擴展或另外的以太網(wǎng)連接。VS應該支持專業(yè)級的仿真、監(jiān)測和測試。虛擬儀器和標準應用軟件基于基本的操作系統(tǒng) （Windows、Linux），借助于10/100M以太網(wǎng)，它們工作于連接到大量安裝有RTLinux的分布式CS的VS上。每個VS應該能夠達到多服務器級。 可擴展模塊化實時系統(tǒng)的聯(lián)合通用模型集成了基于相互連接的網(wǎng)絡（以太網(wǎng)）和SAN（SCI）的數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)和控制系統(tǒng)。對于控制技術(shù)領(lǐng)域中的工程系統(tǒng)來說，具有兩個PCI插槽的緊湊型ICS MB （A模塊）和以太網(wǎng)是個不錯的平臺。而對于實驗物理領(lǐng)域中的高性能數(shù)據(jù)采集和觸發(fā)系統(tǒng)來說，基于嵌入式cPCI/PXI且與SAN（SCI）相互連接的節(jié)點是個不錯的平臺。