摘  要： 超級計算機對其運行環(huán)境有極為苛刻的要求，它的持續(xù)穩(wěn)定運行需要通過水冷、風冷等設(shè)備對機房溫度進行嚴格控制，為了檢測制冷設(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處理器為平臺構(gòu)建分布式溫度采集系統(tǒng)的思想，該系統(tǒng)通過分布在機房多處的溫度傳感器采集機房內(nèi)的溫度值，并將這些數(shù)據(jù)存入本地SQLite數(shù)據(jù)庫，再通過Boa服務(wù)和CGI技術(shù)訪問這些信息，系統(tǒng)管理人員則可以通過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)和實現(xiàn)方法，再將系統(tǒng)布置在機房中進行測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠，能夠滿足需求。

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

0 引言

　　隨著計算任務(wù)規(guī)模越來越大，對超級計算機的性能要求也越來越高，但隨之而來的問題是超級計算機的功耗和發(fā)熱量越來越大，同時由于計算密度的差異，同一個計算任務(wù)在不同的時間段內(nèi)計算機的發(fā)熱量不同，因此機房內(nèi)的溫度極易波動。而超級計算機的持續(xù)可靠運行需要穩(wěn)定的機房溫度，因此機房內(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號超級計算機機房管理為背景，提出了一種分布式溫度采集方法用以檢測機房內(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，并利用Boa服務(wù)器、SQLite數(shù)據(jù)庫和溫度傳感器構(gòu)建分布式溫度采集系統(tǒng)的可行性，并給出了系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法，最后對系統(tǒng)進行了測試。由于這種分布式溫度采集系統(tǒng)能夠同時采集到機房內(nèi)多處的溫度信息，相比使用單個傳感器或使用溫度計對機房溫度進行采集，該系統(tǒng)的效率更高，采集到的數(shù)據(jù)也更加可靠。而機房維護人員則可以通過分析保存在數(shù)據(jù)庫里的歷史數(shù)據(jù)判斷制冷設(shè)備的可靠性，并以此為依據(jù)科學地制定機房溫度控制策略。

1 系統(tǒng)技術(shù)分析

　　該系統(tǒng)基于一種嵌入式開發(fā)平臺，該平臺上集成了一顆S3C2440嵌入式處理器，并且平臺上已經(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，并在處理器的6個IO引腳上掛接了溫度傳感器DS18B20，這些傳感器分布在機房各處。系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，而機房維護人員可以通過瀏覽器查看這些信息，圖1為單個溫度采集系統(tǒng)的框圖。

　　1.1 Boa服務(wù)器

　　Boa是類Unix操作系統(tǒng)下的一個開源的Web服務(wù)器軟件，最新版本的源碼包不到200 KB。Boa是一個單任務(wù)服務(wù)器，即在同一時刻只能響應(yīng)一個用戶的請求，當多個用戶同時訪問服務(wù)器時，只能有一個用戶的請求得到響應(yīng)，而其他用戶必須等待[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。當服務(wù)器收到來自瀏覽器的請求后，會分析請求類型，若請求的是靜態(tài)網(wǎng)頁，則服務(wù)器直接向瀏覽器返回靜態(tài)網(wǎng)頁，如是更復(fù)雜的請求，例如表單處理等，則需要調(diào)用CGI程序處理用戶請求[2]。該系統(tǒng)通過源碼方式安裝Boa服務(wù)器，在安裝完成后還需要通過修改配置文件boa.conf對服務(wù)器進行配置[3-4]。

　　1.2 CGI編程

　　CGI程序是Web服務(wù)器的一種后臺程序，用于處理來自瀏覽器的請求，是實現(xiàn)瀏覽器與服務(wù)器動態(tài)交互的一種方式，通常情況下提交瀏覽器中的表單或點擊一個超級鏈接就能夠觸發(fā)一個CGI程序的執(zhí)行[5]，例如<form action="/cgi-bin/relay.cgi"method="post">是瀏覽器中的一個表單，提交這個表單就能夠觸發(fā)位于服務(wù)器上的一個CGI程序relay.cgi的執(zhí)行；而<a href="/cgi-bin/dump.cgi">dump database</a>是一個超鏈接，點擊這個超鏈接就能夠觸發(fā)dump.cgi的執(zhí)行。CGI程序能夠從環(huán)境變量或標準輸入中獲取來自瀏覽器的數(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

　　SQLite是一款開源的、嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，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)庫不同，SQLite數(shù)據(jù)庫和基于這個數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序共同運行于同一個系統(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)庫中而不需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸[6-7]。本系統(tǒng)中通過源碼方式安裝SQLite數(shù)據(jù)庫，需要注意的是在安裝過程中會生成一些文件，需要將其中的動態(tài)鏈接庫文件復(fù)制到嵌入式Linux的/usr/lib目錄下，除此之外還有一個頭文件sqlite3.h和一個庫文件libsqlite3.a，在編寫基于數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序時需要使用這兩個文件。在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫用于存儲溫度傳感器采集的溫度值，每個傳感器都對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的一個表，該表用于存儲傳感器采集的數(shù)據(jù)。機房管理人員通過分析大量的歷史數(shù)據(jù)，可以判斷機房內(nèi)的制冷設(shè)備能夠滿足制冷需求，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號計算機系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運行。

2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　圖2為溫度采集系統(tǒng)中單個節(jié)點的硬件連接圖，每個節(jié)點由一個S3C2440嵌入式控制平臺和8個溫度傳感器組成。圖中的8個圓圈是DS18B20溫度傳感器，該傳感器是一種高精度的單線式傳感器，通過一條數(shù)據(jù)線與處理器互連；圖中的4條數(shù)據(jù)線長度為4 m，其余4條數(shù)據(jù)線的長度為2 m，這種拓撲結(jié)構(gòu)可以保證該節(jié)點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引腳沒有與處理器相連，而是使用獨立的5 V電源為傳感器供電[8]。經(jīng)實地測試，10個圖2所示的溫度采集節(jié)點基本可以將天河2號機房完整地覆蓋，這些節(jié)點接入同一個路由器并與一臺PC互聯(lián)，而系統(tǒng)維護人員則能夠通過這臺PC獲取機房內(nèi)各處的溫度信息。

　　2.2 溫度信息的采集

　　處理器通過單總線發(fā)送指令控制傳感器，對該傳感器進行操作的指令可以分為3類：1條復(fù)位指令、5條ROM指令、6條RAM指令，每進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，這時可以使用“跳過ROM”指令來代替ROM指令[8-9]。傳感器驅(qū)動程序作為Linux系統(tǒng)的內(nèi)核加載模塊[10]，每隔  5 min依次讀取所有傳感器的數(shù)據(jù)，驅(qū)動程序的核心函數(shù)是Write_byte和Read_byte，兩個函數(shù)分別用于向傳感器寫1 B數(shù)據(jù)和從傳感器讀1 B數(shù)據(jù)，需要根據(jù)傳感器的時序圖實現(xiàn)這兩個函數(shù)。向傳感器發(fā)送ROM或RAM指令是通過函數(shù)Write_byte實現(xiàn)的，從傳感器讀取溫度值是通過函數(shù)Read_byte實現(xiàn)的，圖3為溫度傳感器驅(qū)動程序的流程圖。

　　2.3 溫度信息存入數(shù)據(jù)庫

　　傳感器的驅(qū)動程序讀取溫度值后會調(diào)用copy_to_user將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩魬B(tài)進程[11]，用戶態(tài)進程則會將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。為了存儲溫度數(shù)據(jù)，每個溫度采集節(jié)點需要創(chuàng)建一個本地的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫存放在嵌入式開發(fā)平臺的板載Flash芯片上，每個數(shù)據(jù)庫中需要創(chuàng)建8個表，用于存儲該節(jié)點下每個傳感器采集的數(shù)據(jù)。以0號傳感器為例，該傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲在表ds18b20_0中，表中有3列數(shù)據(jù)，分別為行編號、溫度值、采集數(shù)據(jù)的時刻。由于需要循環(huán)將溫度信息存入數(shù)據(jù)庫，SQLite提供的參數(shù)化語句功能可以很好地滿足這種應(yīng)用[12]，具體過程如下（下面函數(shù)省略了全部或部分參數(shù)）：

　　char*sql="insert into ds18b20_0 values（?，?，?）"

　　//定義一條參數(shù)化的SQL語句

　　sqlite3_prepare（）//將上述語句編譯成數(shù)據(jù)庫引擎字節(jié)碼

　　sqlite3_bind_int（1，id）//將id和第一個“？”綁定

　　sqlite3_bind_int（2，temperature）

　　//將溫度值temperature和第二個“？”綁定

　　sqlite3_bind_text（3，time）

　　//將時間字符串time和第三個“？”綁定

　　sqlite3_step（）//執(zhí)行綁定了參數(shù)的SQL語句

　　2.4 查詢溫度信息

　　系統(tǒng)維護人員可以通過PC上的瀏覽器訪問任意一個節(jié)點數(shù)據(jù)庫中的溫度信息，實現(xiàn)該功能需要節(jié)點中Boa服務(wù)器的后臺CGI程序支持。由于SQLite是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫，它對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的支持不全面，因此如果需要通過網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)庫中的信息，可以先將數(shù)據(jù)庫中的信息導(dǎo)出到本地文件中，再通過網(wǎng)絡(luò)訪問這個本地文件。每個監(jiān)測節(jié)點中都有一個CGI程序負責將數(shù)據(jù)庫中的信息導(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，過程如下：

　　char*sql="select*from ds18b20_0；"

　　//定義一條SQL語句，查詢整個表ds18b20_0

　　sqlite3_get_table（db，sql，&result，&row，&colum，&zErr）

　　//執(zhí)行上述SQL語句，將查詢結(jié)果保存在result中，

　　并返回查詢結(jié)果中的行數(shù)和列數(shù)

　　最后這個CGI程序還要將保存在result中的臨時結(jié)果輸出到文本文件中，因此當網(wǎng)頁中一個超鏈接指向這個文本文件時，用戶在瀏覽器中點擊這個超鏈接就可以查看溫度信息。

3 測試結(jié)果

　　在系統(tǒng)構(gòu)建完成之后將其部署在機房中并對其穩(wěn)定性和可靠性進行測試，啟動系統(tǒng)并使其運行一段時間，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溫度監(jiān)控節(jié)點的IP地址，例如192.168.1.112，并選擇查看該節(jié)點下的任意一個傳感器采集的數(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，這段時間內(nèi)該傳感器附近的溫度維持在23℃，將多個傳感器采集的數(shù)據(jù)與機房內(nèi)的溫度計對比可知，通過該系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可靠，同時也可以說明機房內(nèi)各處的溫度保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

　　Web服務(wù)器提供了一種通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)訪問和控制嵌入式設(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需過多額外成本，而嵌入式數(shù)據(jù)庫則為數(shù)據(jù)的存儲和訪問帶來了極大的便利。本文首先分析了天河2號機房溫度采集的需求，針對這種需求提出了構(gòu)建分布式溫度采集系統(tǒng)的思想，該系統(tǒng)通過分布在機房各處的傳感器實現(xiàn)溫度信息的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。由于傳感器分布在機房的多個位置，因此采集到的數(shù)據(jù)能更好地反映機房內(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，能夠更準確反映機房的溫度信息。而機房維護員則可以通過網(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)整水冷和風冷設(shè)備的工作狀態(tài)，使機房環(huán)境保持在最佳狀態(tài)以保證天河2號超級計算機的可靠穩(wěn)定運行。

參考文獻

　　[1] 孫輝，陸松年，楊樹堂.基于Linux和S3c2410的嵌入式Web Sever的研究與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2007，24（2）：134-136.

　　[2] 劉鑫.基于ARM平臺的嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2010.

　　[3] 王軍飛.基于ARM和Linux的嵌入式Web服務(wù)器的研究與實現(xiàn)[D].太原：太原理工大學，2009.

　　[4] 張曦熀，柴志雷.嵌入式Web服務(wù)器中的CGI特點及實現(xiàn)[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2003，24（11）：2046-2048.

　　[5] 黃奇光.CGI編程指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

　　[6] ALLEN G， OWENS M. The definitive guide to SQLite （Second Edition）[M]. Berkeley： Apress， 2010.

　　[7] 施忠華.基于嵌入式Linux和Sqlite的Web服務(wù)器的研究及應(yīng)用[D].南昌：南昌大學，2012.

　　[8] ds18b20[EB/OL].[2015-01-08]. http：//baike.baidu.com/link？Nhh7VxAxdcGfK-t5sbmM1tZIhXB1a5yo1P3DbisgKmlbuH xU vvxKbns7a3dLuNeUkrDHTf2qxZiM-K.

　　[9] 李雪峰.分布式溫度采集網(wǎng)絡(luò)在恒溫控制中的應(yīng)用[J].微型機與應(yīng)用，2013，32（15）：69-72.

　　[10] CORBET J， RUBINI A， KROAH-HARTMAN G. Linux設(shè)備驅(qū)動程序（第三版）[M].魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京：中國電力出版社，2009.

　　[11] BOVET D， CESATI M.深入理解Linux內(nèi)核（第三版）[M].陳莉君，張瓊聲，張宏偉，譯.北京：中國電力出版社，2009.

　　[12] BI C Y. Research and application of sqlite embedded database technology[J]. Wseas Transactions on Computer，2009，8（1）：83-92.