基于麒麟操作系统的实时仿真平台关键技术研究

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航空航天等控制系统动力学领域对于自主可控的实时仿真平台有着很大的需求。然而,目前国内所开发的实时仿真平台底层普遍采用的是Windows操作系统和IntelCPU,可能带来信息安全上的隐患。麒麟(Kylin)操作系统和飞腾系列芯片作为对底层软硬件系统国产化努力的结果已经被越来越多的政府和国防单位采用和认可。因此,开展基于Kylin操作系统的实时仿真平台关键技术的研究对于满足航空航天等领域对自主可控仿真平台的需求具有十分重要的理论意义和实用价值。论文针对自主可控实时仿真平台的应用需求,在深入分析研究已有相关成果及Kylin操作系统和飞腾CPU特点的基础上,围绕基于Kylin的实时仿真平台框架、可伸缩的内存管理算法以及图形化建模方法等关键问题展开研究。主要工作和创新点包括:1.针对实时仿真应用中各种任务对于实时性具有不同要求的问题,在深入分析研究Kylin功能特点的基础上,设计了一种基于Kylin的实时进程和非实时进程协同调度的实时仿真框架,其中实时进程完成模型解算、参数传递等实时性要求高的任务,非实时进程完成数据显示和存储等影响实时性的工作;通过调用Kylin系统提供的系统函数,使得在仿真开始后实时进程以用户提供的参数和实时优先级自动执行,进程间通过IPC机制实现进程的同步和数据的传输,从而确保仿真的实时性。2.针对现有内存管理算法无法处理长时间、大数据量仿真的问题,设计了共享内存、循环缓存和实时写盘相结合的方法,在保证实时性能的前提下减少了内存的消耗。在该方法中,实时进程将产生的数据写入共享存储区,非实时进程从共享存储区读取数据并写入循环缓存,非实时进程中的写线程从循环缓存中读取数据并写入到硬盘。该方法通过对共享存储和循环缓存的配合使用可大大减少内存的消耗,同时也确保了系统的实时性。测试结果表明,内存使用量几乎不随仿真时长而变化。3.针对由Simulink/RTW工具生成的模型代码缺乏实时性控制的问题,本文设计了基于模板的模型代码实时性改造方法。该方法通过在帧时间控制代码中增加模型对应的初始化、步进和终止函数,并采用基于Kylin内核时钟的帧时间分级控制,从而实现了Kylin系统上的高精度实时仿真。测试结果表明,模型能够在仿真框架内正确运行并输出结果。在上述研究成果的基础上,设计实现了Kylin系统下实时仿真平台的验证系统,利用自建的模型测试表明,该系统能够在保持帧时间抖动小于15us的基础上完成从图形化模型创建到仿真结果输出的整个流程,验证了本文工作的实用性和有效性。
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