冉凡燦，蔣句平（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

超算中心環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

冉凡燦，蔣句平
（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)其運(yùn)行環(huán)境有極為苛刻的要求，它的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行需要通過(guò)水冷、風(fēng)冷等設(shè)備對(duì)機(jī)房溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，為了檢測(cè)制冷設(shè)備的穩(wěn)定程度并制定合理的溫度控制策略，提出了以Linux操作系統(tǒng)和S3C2440處理器為平臺(tái)構(gòu)建分布式溫度采集系統(tǒng)的思想，該系統(tǒng)通過(guò)分布在機(jī)房多處的溫度傳感器采集機(jī)房?jī)?nèi)的溫度值，并將這些數(shù)據(jù)存入本地SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)Boa服務(wù)和CGI技術(shù)訪問(wèn)這些信息，系統(tǒng)管理人員則可以通過(guò)分析這些溫度信息判斷制冷設(shè)備的可靠性并制定合理的溫度控制策略。首先論述了系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法，再將系統(tǒng)布置在機(jī)房中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠，能夠滿(mǎn)足需求。

嵌入式系統(tǒng)；Linux；Boa；SQLite；公共網(wǎng)關(guān)接口

0 引言

隨著計(jì)算任務(wù)規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的性能要求也越來(lái)越高，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是超級(jí)計(jì)算機(jī)的功耗和發(fā)熱量越來(lái)越大，同時(shí)由于計(jì)算密度的差異，同一個(gè)計(jì)算任務(wù)在不同的時(shí)間段內(nèi)計(jì)算機(jī)的發(fā)熱量不同，因此機(jī)房?jī)?nèi)的溫度極易波動(dòng)。而超級(jí)計(jì)算機(jī)的持續(xù)可靠運(yùn)行需要穩(wěn)定的機(jī)房溫度，因此機(jī)房?jī)?nèi)的制冷效果以及制冷策略的制定變得極為重要。本文以天河2號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)機(jī)房管理為背景，提出了一種分布式溫度采集方法用以檢測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)溫度的穩(wěn)定性和制冷設(shè)備的可靠性。首先分析了以Linux操作系統(tǒng)和S3C2440嵌入式處理器為平臺(tái)，并利用Boa服務(wù)器、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)和溫度傳感器構(gòu)建分布式溫度采集系統(tǒng)的可行性，并給出了系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。由于這種分布式溫度采集系統(tǒng)能夠同時(shí)采集到機(jī)房?jī)?nèi)多處的溫度信息，相比使用單個(gè)傳感器或使用溫度計(jì)對(duì)機(jī)房溫度進(jìn)行采集，該系統(tǒng)的效率更高，采集到的數(shù)據(jù)也更加可靠。而機(jī)房維護(hù)人員則可以通過(guò)分析保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里的歷史數(shù)據(jù)判斷制冷設(shè)備的可靠性，并以此為依據(jù)科學(xué)地制定機(jī)房溫度控制策略。

1 系統(tǒng)技術(shù)分析

該系統(tǒng)基于一種嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)上集成了一顆S3C2440嵌入式處理器，并且平臺(tái)上已經(jīng)移植了Linux操作系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上又移植了Boa服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，并在處理器的6個(gè)IO引腳上掛接了溫度傳感器DS18B20，這些傳感器分布在機(jī)房各處。系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，而機(jī)房維護(hù)人員可以通過(guò)瀏覽器查看這些信息，圖1為單個(gè)溫度采集系統(tǒng)的框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 Boa服務(wù)器

Boa是類(lèi)Unix操作系統(tǒng)下的一個(gè)開(kāi)源的Web服務(wù)器軟件，最新版本的源碼包不到200KB。Boa是一個(gè)單任務(wù)服務(wù)器，即在同一時(shí)刻只能響應(yīng)一個(gè)用戶(hù)的請(qǐng)求，當(dāng)多個(gè)用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，只能有一個(gè)用戶(hù)的請(qǐng)求得到響應(yīng)，而其他用戶(hù)必須等待［1］。由于這些特性，Boa服務(wù)器適合移植到資源受限的嵌入式系統(tǒng)中。當(dāng)服務(wù)器收到來(lái)自瀏覽器的請(qǐng)求后，會(huì)分析請(qǐng)求類(lèi)型，若請(qǐng)求的是靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)，則服務(wù)器直接向?yàn)g覽器返回靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)，如是更復(fù)雜的請(qǐng)求，例如表單處理等，則需要調(diào)用CGI程序處理用戶(hù)請(qǐng)求［2］。該系統(tǒng)通過(guò)源碼方式安裝Boa服務(wù)器，在安裝完成后還需要通過(guò)修改配置文件boa.conf對(duì)服務(wù)器進(jìn)行配置［3-4］。

1.2 CGI編程

CGI程序是Web服務(wù)器的一種后臺(tái)程序，用于處理來(lái)自瀏覽器的請(qǐng)求，是實(shí)現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器動(dòng)態(tài)交互的一種方式，通常情況下提交瀏覽器中的表單或點(diǎn)擊一個(gè)超級(jí)鏈接就能夠觸發(fā)一個(gè)CGI程序的執(zhí)行［5］，例如〈form action="/cgi-bin/relay.cgi"method="post"〉是瀏覽器中的一個(gè)表單，提交這個(gè)表單就能夠觸發(fā)位于服務(wù)器上的一個(gè)CGI程序relay.cgi的執(zhí)行；而〈a href="/cgi-bin/dump.cgi"〉dump database〈/a〉是一個(gè)超鏈接，點(diǎn)擊這個(gè)超鏈接就能夠觸發(fā)dump.cgi的執(zhí)行。CGI程序能夠從環(huán)境變量或標(biāo)準(zhǔn)輸入中獲取來(lái)自瀏覽器的數(shù)據(jù)，并能將處理結(jié)果返回給瀏覽器［4-5］。

1.3 SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)

SQLite是一款開(kāi)源的、嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，它主要應(yīng)用在嵌入式設(shè)備上，在很多Android和IOS設(shè)備上都可以看到它的身影。與其他大型數(shù)據(jù)庫(kù)不同，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)和基于這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用程序共同運(yùn)行于同一個(gè)系統(tǒng)中，應(yīng)用程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以直接存入數(shù)據(jù)庫(kù)中而不需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸［6-7］。本系統(tǒng)中通過(guò)源碼方式安裝SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，需要注意的是在安裝過(guò)程中會(huì)生成一些文件，需要將其中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件復(fù)制到嵌入式Linux的/usr/lib目錄下， 除此之外還有一個(gè)頭文件sqlite3.h和一個(gè)庫(kù)文件libsqlite3.a，在編寫(xiě)基于數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用程序時(shí)需要使用這兩個(gè)文件。在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)溫度傳感器采集的溫度值，每個(gè)傳感器都對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)表，該表用于存儲(chǔ)傳感器采集的數(shù)據(jù)。機(jī)房管理人員通過(guò)分析大量的歷史數(shù)據(jù)，可以判斷機(jī)房?jī)?nèi)的制冷設(shè)備能夠滿(mǎn)足制冷需求，還能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)制定合理的溫度控制策略，使天河2號(hào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行。

2 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

圖2為溫度采集系統(tǒng)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件連接圖，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)S3C2440嵌入式控制平臺(tái)和8個(gè)溫度傳感器組成。圖中的8個(gè)圓圈是DS18B20溫度傳感器，該傳感器是一種高精度的單線式傳感器，通過(guò)一條數(shù)據(jù)線與處理器互連；圖中的4條數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度為4m，其余4條數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度為2m，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以保證該節(jié)點(diǎn)能夠均勻地采集到其覆蓋范圍內(nèi)的溫度信息。另外為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，傳感器的VCC和GND引腳沒(méi)有與處理器相連，而是使用獨(dú)立的5V電源為傳感器供電［8］。經(jīng)實(shí)地測(cè)試，10個(gè)圖2所示的溫度采集節(jié)點(diǎn)基本可以將天河2號(hào)機(jī)房完整地覆蓋，這些節(jié)點(diǎn)接入同一個(gè)路由器并與一臺(tái)PC互聯(lián)，而系統(tǒng)維護(hù)人員則能夠通過(guò)這臺(tái)PC獲取機(jī)房?jī)?nèi)各處的溫度信息。

圖2 單個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件連接圖

2.2 溫度信息的采集

處理器通過(guò)單總線發(fā)送指令控制傳感器，對(duì)該傳感器進(jìn)行操作的指令可以分為3類(lèi)：1條復(fù)位指令、5條ROM指令、6條RAM指令，每進(jìn)行一次操作都需要至少3條組合指令，即1條復(fù)位指令、1條ROM指令和1條RAM指令，在某些情況下并不需要執(zhí)行ROM指令，這時(shí)可以使用“跳過(guò)ROM”指令來(lái)代替ROM指令［8-9］。傳感器驅(qū)動(dòng)程序作為L(zhǎng)inux系統(tǒng)的內(nèi)核加載模塊［10］，每隔5min依次讀取所有傳感器的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)程序的核心函數(shù)是Write_byte和Read_byte，兩個(gè)函數(shù)分別用于向傳感器寫(xiě)1B數(shù)據(jù)和從傳感器讀1B數(shù)據(jù)，需要根據(jù)傳感器的時(shí)序圖實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)函數(shù)。向傳感器發(fā)送ROM或RAM指令是通過(guò)函數(shù)Write_byte實(shí)現(xiàn)的，從傳感器讀取溫度值是通過(guò)函數(shù) Read_byte實(shí)現(xiàn)的，圖3為溫度傳感器驅(qū)動(dòng)程序的流程圖。

圖3 溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序流程

2.3 溫度信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)

傳感器的驅(qū)動(dòng)程序讀取溫度值后會(huì)調(diào)用copy_to_user將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩?hù)態(tài)進(jìn)程［11］，用戶(hù)態(tài)進(jìn)程則會(huì)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。為了存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，每個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)本地的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)存放在嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的板載Flash芯片上，每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中需要?jiǎng)?chuàng)建8個(gè)表，用于存儲(chǔ)該節(jié)點(diǎn)下每個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)。以0號(hào)傳感器為例，該傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在表ds18b20_0中，表中有3列數(shù)據(jù)，分別為行編號(hào)、溫度值、采集數(shù)據(jù)的時(shí)刻。由于需要循環(huán)將溫度信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，SQLite提供的參數(shù)化語(yǔ)句功能可以很好地滿(mǎn)足這種應(yīng)用［12］，具體過(guò)程如下（下面函數(shù)省略了全部或部分參數(shù)）：

2.4 查詢(xún)溫度信息

系統(tǒng)維護(hù)人員可以通過(guò)PC上的瀏覽器訪問(wèn)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的溫度信息，實(shí)現(xiàn)該功能需要節(jié)點(diǎn)中Boa服務(wù)器的后臺(tái)CGI程序支持。由于SQLite是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的支持不全面，因此如果需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，可以先將數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息導(dǎo)出到本地文件中，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)這個(gè)本地文件。每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中都有一個(gè)CGI程序負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息導(dǎo)出到本地的文本文件中，以導(dǎo)出表ds18b20_0中的數(shù)據(jù)為例，過(guò)程如下：

最后這個(gè)CGI程序還要將保存在result中的臨時(shí)結(jié)果輸出到文本文件中，因此當(dāng)網(wǎng)頁(yè)中一個(gè)超鏈接指向這個(gè)文本文件時(shí)，用戶(hù)在瀏覽器中點(diǎn)擊這個(gè)超鏈接就可以查看溫度信息。

3 測(cè)試結(jié)果

在系統(tǒng)構(gòu)建完成之后將其部署在機(jī)房中并對(duì)其穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行測(cè)試，啟動(dòng)系統(tǒng)并使其運(yùn)行一段時(shí)間，以保證能夠采集到足夠量的數(shù)據(jù)。在瀏覽器地址欄輸入其中一個(gè)溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的IP地址，例如192.168.1.112，并選擇查看該節(jié)點(diǎn)下的任意一個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，瀏覽器就能顯示圖4所示的該傳感器采集的溫度信息。由圖4可知，這段時(shí)間內(nèi)該傳感器附近的溫度維持在23℃，將多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)與機(jī)房?jī)?nèi)的溫度計(jì)對(duì)比可知，通過(guò)該系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可靠，同時(shí)也可以說(shuō)明機(jī)房?jī)?nèi)各處的溫度保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 查詢(xún)溫度信息

4 結(jié)論

Web服務(wù)器提供了一種通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)訪問(wèn)和控制嵌入式設(shè)備的方式，這種方式基于成熟的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，使用這種方式能夠?qū)⑶度胧皆O(shè)備部署到任何地方而無(wú)需過(guò)多額外成本，而嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)則為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)帶來(lái)了極大的便利。本文首先分析了天河2號(hào)機(jī)房溫度采集的需求，針對(duì)這種需求提出了構(gòu)建分布式溫度采集系統(tǒng)的思想，該系統(tǒng)通過(guò)分布在機(jī)房各處的傳感器實(shí)現(xiàn)溫度信息的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于傳感器分布在機(jī)房的多個(gè)位置，因此采集到的數(shù)據(jù)能更好地反映機(jī)房?jī)?nèi)的溫度信息。相比傳統(tǒng)方式，這種分布式溫度采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)更為可靠，能夠更準(zhǔn)確反映機(jī)房的溫度信息。而機(jī)房維護(hù)員則可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查看這些數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)調(diào)整水冷和風(fēng)冷設(shè)備的工作狀態(tài)，使機(jī)房環(huán)境保持在最佳狀態(tài)以保證天河2號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］孫輝，陸松年，楊樹(shù)堂.基于Linux和S3c2410的嵌入式Web Sever的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007，24（2）：134-136.

［2］劉鑫.基于ARM平臺(tái)的嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.

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Design and implementation of temperature acquisition system for supercomputer center

Ran Fancan，Jiang Juping
（College of Computer，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

Supercomputer is strict with operating environment，and refrigeration equipments are used to keep temperature stable in engine room.In order to test the stability of temperature and making temperature control strategies，a distributed temperature acquisition system based on Linux operating system and S3C2440 processor was built.This system collects temperature informations by temperature sensors，and then the informations are stored in SQLite database and queried through Boa server and CGI technology. Related technologies and implementation methods were firstly discussed，and then a testing was performed.Testing demonstrated that the system could meet the demands.

embedded system；Linux；Boa；SQLite；CGI

TP399

A

1674-7720（2015）18-0089-03

冉凡燦，蔣句平.超算中心環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（18）：89-91，94.

2015-04-23）

冉凡燦（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

蔣句平（1965-），男，碩士，研究員，主要研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)RAS技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)。