基于Linux OS的嵌入式装置由于其小型紧凑、接口丰富、价格低廉、抗恶劣环境、源代码公开等特性,目前被大量用作许多控制系统的终端设备和通信设备,承担着数据采集、数据交换及命令执行的重任。由于软硬件资源的限制,嵌入式设备通常不具有较高的智能,难以承担大中型实时系统的复杂数据处理和控制策略优化任务,这部分工作需要由控制中心的高性能计算机(HPC)来完成。由此需要研究嵌入式设备到HPC系统间的接入系统。由于控制系统前后端之间的通信可能面临数据量巨大、时延敏感、缺乏有线信道等问题,因此设计并实现高性能的接入方案并非轻而易举的事情。本课题源于“985”工程“智能信息技术”项目的需要,对嵌入式装置到中心机房高性能计算机接入系统的关键技术进行研究,并实现了一个架构于SCM-7050嵌入式核心板的图像采集装置接入HP RX4640小型机的Demo系统。课题研究的主要工作包括:(1)针对核心板硬件平台进行Linux内核的剖析与精简、硬件驱动程序的改造、内核向Flash芯片的移植,以及引导程序的设计与烧写;(2)在嵌入式Linux平台上完成实时图像采集、传输、回放以及云台控制等一系列软件开发接口和扩展功能模块的设计;(3)针对控制系统地域分散,受控点通信不便等特点,进行了基于GPRS的无线通信信道的设计;(4)在详尽剖析Linux内核TCP/IP实现机制的基础上,结合接入系统的通信需求,改造内核的TCP/IP协议栈,提高传输性能;(5)分析SMP与MPP两种计算机系统实现高性能计算的软件支撑平台,使用OpenMP函数库在小型机上实现一个并行图像处理的示例程序。课题的创新点首先体现在集成与应用的创新:运用高端接入系统实现嵌入式装置与HPC计算机的无缝对接,优势互补,为建立大规模高性能控制系统提供基础框架;其次是在改造Linux内核的TCP/IP协议栈时,引入数据对象和对象池双重管理机制来管理数据单元,类似于CPU内存访问中的一级和二级缓存,以提高内存的利用率以及硬件缓存区级系统总线的利用率。课题进一步的研究内容包括:运用软构件技术改造系统,提高构建各种控制系统中的软件可重用性;针对通信需求进一步优化内核的TCP/IP协议栈,提高接入信道的吞吐量与实时性;本课题研究的侧重点在于接入系统,对于后端高性能并行计算的算法研究属于另一层面的研究范畴,本文只是做了例证,这方面的研究有待深入。