現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。用于數據采集（DAQ）且與網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)域網絡（SAN）連接起來作為具備并行流水線數據處理能力的高級模塊系統(tǒng)用于數據采集和控制應用場合。在對數據采集、觸發(fā)和控制子系統(tǒng)進行聯合建模的基礎上，人們考慮將實驗物理學和工程子系統(tǒng)結合起來。 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，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據采集、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、結構更簡單、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（MIPS, PowerPC, ARM）和操作系統(tǒng)（RTLinux, RTEMS）的出現，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，以太網隨處可見，FireWire （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以太網在分布式網絡中連接起來。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并且用于數據采集，監(jiān)測和控制。兩個PCI插槽中的一個用于基于DSP的數據采集和控制模塊，另一個則用于擴展或另外的以太網連接。 通常，在硬件和軟件上，現場總線用經濟的模塊化方法來取得不同的應用成果。今天，大多數計算機將傳統(tǒng)的網絡（10/100M以太網、FireWire、USB）作為標準的連接?，F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）可用于數據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位數據以3U格式傳送（6U板支持全數據總線帶寬）。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體系結構中實現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位數據傳輸。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支持現場總線用于數據采集、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單板計算機上的網絡連接功能（10/100M以太網、USB、FireWire和現場總線）。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、IEEE1394、USB、現場總線、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屏蔽附件提供了經濟型底板（無源的和有源的）?，F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) 由于在分布式數據處理系統(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構的最好的系統(tǒng)區(qū)域網絡（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體系結構用于實驗物理研究中的高性能數據采集、控制和分布式數據處理。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。 分布式并行數據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（映射內存集群）是一個在節(jié)點和通信連接之間具有內存復制功能和內存?zhèn)鬏敊C制的集群系統(tǒng)。 借助系統(tǒng)區(qū)域網絡（SAN）的鏈路模塊，分布式集成系統(tǒng)的高模塊化結構能夠支持分布式處理器和內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據傳輸時間。 2）系統(tǒng)模型的緊湊型板結構的原子級（A模塊）包括用于特定目的和一般目的的處理器。用于數據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。在同一總線上，處理器模塊有數量限制。對稱多處理（SMP）是用于多處理器的基本軟件模型。 3）分子級（宏觀結構）取決于系統(tǒng)拓撲結構。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)用于數據采集、控制和數據處理應用。 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）。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，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（帶回波的發(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表示允許的數據塊長度（數據字節(jié)數目，在數據包頭的右方）。 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架構的分布式存儲器模型能支持并行流水線數據處理（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據處理實時系統(tǒng)中所有處理器的數據可用性。實時系統(tǒng)包含有許多處理器，它們嘗試著修改單個數據或與此同時將數據的備份保存到自己的cache中。通過軟件或硬件實現的一致性阻止多處理器在同一時刻嘗試修改同樣的數據。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)的拓撲結構應基于一套精選過的模塊來開發(fā)系統(tǒng)以達到最優(yōu)化地解決確定問題的目的。它應是個具有矩陣探測器的用于數據采集的矩陣或是用于3D圖像的3D拓撲結構。在控制領域，系統(tǒng)應需要有類似于大型機器（線性或環(huán)形）結構的拓撲。 基于SAN的分布式系統(tǒng)應該共享64位SCI地址，高16位用于在適當的節(jié)點轉發(fā)數據包。系統(tǒng)拓撲可以在簡易環(huán)、多環(huán)、橋接或交換器的基礎上實現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）的分布式數據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）收集實時數據并輸出控制數據。具有一個以太網端口的簡易CS基于具有兩個PCI插槽的緊湊型ICS MB用于數據采集和控制模塊。另一個端口用于擴展或另外的以太網連接。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，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)的聯合通用模型集成了基于相互連接的網絡（以太網）和SAN（SCI）的數據采集、觸發(fā)和控制系統(tǒng)。對于控制技術領域中的工程系統(tǒng)來說，具有兩個PCI插槽的緊湊型ICS MB （A模塊）和以太網是個不錯的平臺。而對于實驗物理領域中的高性能數據采集和觸發(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。