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基于RTX与反射内存的实时支撑系统设计

作者：李龙华魏长安姜守达

来源：《现代电子技术》2013年第18期

摘要：随着半实物仿真系统的发展，基于Windows+以太网的仿真模式不能满足仿真系

统对实时性的要求，为达到提高仿真系统整体实时性的目的，采用了基于RTX+反射内存网的

模式，改进了仿真系统的运行平台和数据传输模式，改进了仿真设备的接入方式，规划了改进

模式后的仿真框架，搭建了该模式下的示例工程。该系统的仿真步长可以达到1ms以内，能

够满足半实物仿真的需求。

关键词：实时仿真；反射内存；共享内存；RTX驱动；仿真控制

中图分类号：TN964⁃34文献标识码：A文章编号：1004⁃373X（2013）18⁃0065⁃04

0引言

传统的靶场试验存在着试验组织过程复杂、试验成本代价高昂、试验易受自然客观条件限

制等问题。利用通用体系结构（如DIS，HLA，TENA）构建仿真试验系统来模拟现实中的靶

场试验，可以解决部分传统靶场试验中存在的问题[1]。HIT⁃GPTA平台即是基于HLA体系结

构建立的通用仿真实验平台，该平台可提高试验资源的互操作性、重用性和组合应用能力，可

以根据具体的任务需要将分布在各靶场、设施中的试验、仿真及高性能计算能力集成起来，构

成一个用于试验的开放式环境[2]。仿真试验系统存在着对高速、实时性等相关性能指标的要

求，而HIT⁃GPTA平台为方便资源的集成与可重复利用，采用了Windows+以太网的模式进

行设计，为提高HIT⁃GPTA平台在仿真试验领域的应用，需要提高平台的实时性[3]。

Windows+以太网的模式的优点在于资源的重复利用及系统构建方便，不足在于实时性受限于

Windows系统的性能和以太网的传输速率。为扩展平台在实时仿真领域的应用，需要扩展一个

实时的仿真支撑系统以提高仿真平台的整体实时性[4]。RTX是美国Ardence公司开发的基于

Windows操作系统的实时解决方案。RTX向Windows添加一个实时子系统（RTSS），实时性

能由RTX子系统提供，具有完全自己独立的实时性能强大的调度器[4]。反射内存网内每个节

点上的反射内存卡存储器中都有其他节点的共享数据拷贝[5]，相较于仿真系统的仿真步长而

言，反射内存网的数据传输延迟可以忽略。为提高HIT⁃GPTA平台的实时性，本设计采用了

RTX与Windows相结合的机制，将实时性要求较高的数据传输接口及处理算法在RTX内实

现，提高仿真系统数据处理及调度的实时性[6]，采用反射内存网替代以太网，提高了数据传

输的实时性。该仿真模式在武器装备的半实物仿真、调试、高覆盖率测试等领域，具有广阔的

应用前景。

1实时仿真系统简介

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本设计中采用RTX+Windows的设计方式改进了仿真系统算法及调度的实时性，采用了反

射内存网提高了节点之间数据传输的实时性，并为各种总线接口设计了RTX系统下的驱动程

序，提高设备接入的实时性。改进后的设计如图1所示，该实时系统包含以下几个组成部分：

平台接口模块、实时仿真组件、实时流程控制、设备驱动接口、反射内存网络。平台接口模块

承担定义仿真类型、配置仿真参数、处理非实时数据、显示仿真结果等任务。实时仿真组件运

行实时仿真算法，是实时仿真系统的主体。实时流程控制是仿真系统的控制中枢，用于控制仿

真系统的执行流程[7]。设备驱动接口用于向仿真系统接入实物设备，使仿真系统具有了半实

物仿真的能力。反射内存网络用于完成各仿真节点之间的数据交互。该系统的实时仿真部分采

用Windows+RTX的设计模式，Windows部分对应Win32进程，为非实时进程，完成非实时的

仿真任务；RTX部分对应RTSS进程，为实时进程，完成实时仿真运算，通过共享内存与

Win32进程通信，获取配置数据并更新发布数据，通过反射内存操作，完成与实时组件之间的

订购发布，同时接受流程控制组件的调度的推进[8]。

对该系统各组成部分的功能进行分析可以发现，可以从两个方面保证仿真系统实时性：一

是建立一个完成实时仿真运算的实时仿真子系统；二是构建实时数据传输链路，包括数据的传

输、设备的接入等。

2实时仿真子系统设计

实时仿真子系统包括仿真平台接口、实时仿真设备、实时流程控制等几个部分。

2.1平台接口模块

图1中非实时组件、本地通信代理、信息传输管理平台等部分属于仿真平台接口模块。仿

真平台接口提供参数的配置用户接口界面，由用户对仿真系统进行配置，配置完成后生成仿真

接口文件，供实时仿真组件加载和使用。此外，仿真平台接口还承担实时系统与非实时系统的

交互任务，完成系统内实时设备与非实时设备的交互。

仿真平台的参数配置主要包含表1中的内容。

2.2实时仿真组件

实时仿真组件包含两个进程，该模板的Win32进程为平台组件，继承自组件基类，提供

与平台的接口，RTSS进程为实时进程，运行实时仿真算法，并读写反射内存完成实时订购发

布。静态建模完成后，由Win32进程创建RTSS进程，RTSS初始化完成后仿真组件准备就

绪，根据推进命令及流程控制命令进行相关仿真。实时仿真组件运行流程如图3所示。

仿真开始后RTSS进程根据仿真节拍的顺序进行仿真，节拍开始时查询仿真标识，当所有

高优先级的组件仿真完成后，从共享内存（本地仿真）或反射内存（分布式仿真）中取出订购

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数据，进行仿真计算；完成后将发布数据写入反射内存，根据抽样间隔将数据抽点写入共享内

存，交由Win32进程发布；设置组件相关的仿真标识。Win32进程检测共享内存的更新状态，

有数据更新时将所更新的数据发布到平台，供其他非实时组件订购。

实时仿真组件的两个进程之间通过共享内存通信，并通过互斥信号量来保证读写的正确进

行。每个仿真组件分别创建发布区和订购区共享内存，为发布区创建“双事件”进行互锁，确保

共享内存的读/写安全与及时；为订购区创建互斥信号量确保读/写统一。

2.3实时流程控制

实时流程控制是仿真系统的控制中枢，通过分析系统各组成部分的运行状态决定下一步的

仿真动作。基本的仿真命令有开始、初始化、同步、暂停、运行、停止等命令，实时流程控制

设计了开放式的接口，便于扩展仿真控制命令。

静态建模完成后，启动流程控制组件的实时进程，读取仿真信息文件，组件自身完成初始

化并设置相关寄存器。然后按照流程控制的各个步骤完成发布流程控制命令，各设备根据具体

的流程控制命令执行相应操作。实时流程控制组件运行流程图如图4所示。

3实时数据传输链路构建

提高仿真系统实时性的另一个途径是提高数据传输链路的实时性，这主要从两个方面来提

高，一是提高仿真实物设备接入的实时性；另一个是提高系统内各节点之间数据传输的实时性

[9]。

3.1实时设备驱动

一般的实时仿真系统都会有实物设备接入系统，为提高仿真系统的实时性，必须提高设备

接入的实时性。实物设备是通过驱动程序接入到仿真系统中的，Windows的实时性由于系统本

身的调度机制难以达到实时系统的需求，必须为实物设备设计在RTX系统中的驱动程序[10]。

如图1中所示，实物设备通过各种总线接口接入到上位机的系统中，仿真组件的RTSS进程通

过访问设备驱动程序完成对设备的控制。RTX设备驱动可直接使用VisualStudio开发工具开

发，工程向导直接生成驱动框架程序，开发简单且开发周期较短。

3.2实时数据传输

实时支撑子系统的数据传输采用反射内存网完成。反射内存网内每个节点的存储器中都有

其他节点的共享数据拷贝，相较于上位机的仿真节拍，数据的传输延迟可以忽略。通过反射内

存，各个仿真系统可以及时地获取仿真控制命令和仿真数据。使用反射内存进行仿真节点的数

据传输可以极大地缩小数据链路的延迟，保证仿真系统的整体实时性。

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4测试结果及分析

为对比改进的结果，对含有实时支撑平台和不含实时支撑平台的仿真系统进行了测试，测

试流程按照仿真周期递减开始测试，结果如表2所示。从测试结果可知，仿真系统中加入实时

支撑子系统后可以极大地提高仿真系统整体的实时性，弥补了HIT⁃GPTA平台的一个缺陷。

5结语

本文对组成仿真系统的各个环节的实时性进行了分析，从软件、驱动、硬件三个层次改进

仿真系统的各组成部分，缩小了仿真延迟的最大瓶颈，提高了仿真系统的整体实时性。

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