平成16年度ＮＩＦＳ共同研究「次世代実験のための核融合データ処理システム技術検討作業会 平成１６年5月26日、核融合科学研究所研究Ｉ期棟6階601会議室 ヘリオトロンＪにおける データ処理システムの取り組み 京都大学エネルギー理工学研究所 岡田浩之 [email protected] 内容 １．はじめに ２．ハードウェア構成と 各種デバイスドライバー ３．ソフトウェア構成 ４．ユーザーインターフェース ５．まとめ プラズマ実験におけるデータ処理 プラズマ閉じ込め評価、物性研究には多変量分布測定が必要 多数の計測器が同時に稼動 多チャンネル、多種（ＡＤＣ、スケーラー等）の効率的なデータ収集 多人数で相互的なデータ参照 実験パラメータ（ショット番号、磁場強度、ガス条件等）の参照 固有のデータ処理システム ヘリオトロンにおけるデータ処理 1980年（ヘリオトロンE実験開始） 沖電気製ミニコンと特殊ＡＤＣ、ＣＡＭＡＣ、ＩＯ。 Ｔｅｋｔｒｏ４０１４端末。 ＣＡＭＡＣを増強、Ｍ２００導入。 1992年 ミニコンからＳｕｎＳＰＡＲＣへの変更。 ＣＡＭＡＣのみ。デジタルＩＯを変更。 ディレイトリガー新設。 ＷＳ、Ｘ端末（グラフィックはＴｅｋｔｒｏモード）。 1999年 ＳｕｎからＡＴ ｃｌｏｎｅとDEC alphaへ。 セキュリティ強化と拡張性の増大。 グラフィックをＸへ。ＰＣ－ＵＮＩＸを活用。 ヘリオトロンにおけるデータ処理 ２００１年 Ｇｒａｓｐｅｒ3種類を処理系に加える。 ２００２年 ＮＢＩ用ローカルシステムの追加。 ヘリオトロンJと同期、非同期取り込み。 ２００３年 アンプ更新に伴いＧＰＩＢ制御機能追加。 DASBOX、CAMAC2種類の処理ソフトを加える。 通電カウントダウン表示機能を追加。 ＨＪ用システム開発の動機 • 全システムの老朽化ー計算機に関するシステムの顕著な老朽化 • sun（690MP等)および周辺機器（MOジュークボックス等）の維持困難 • 維持管理費の高さ、拡張性の悪さ • tektroモードのみのグラフィックの使い難さ • デバイスドライバーの対応が無いためシステムの変更が困難 • システムの安定性の問題 • ＣＡＭＡＣ用インターフェースソフトからのエラーが起きると1時間程度不動 （2-3ヶ月に1度程度） • 周辺機器が故障すると数日から1週間程度の修理期間が掛かる 1) 2) 3) 4) 5) システムとして高速・安定であること 拡張が容易であること ソフト・ハードのバージョンアップが簡便であること 既存のハード・ソフトが利用可能であること 維持管理費が少ないこと AT cloneとDEC alphaマシンを 使用し、OSとしてNetBSDを中心 に考える。汎用で無いものは 考えない。（サポートの問題、 修理期間の問題） デバイスドライバーの作成 今回のシステム開発でカギとなったのはデバイスドライバーである。CAMAC インターフェースのデバイスドライバーは限られたOSに対するものがあるのみ なので著しくシステム構成を規制してしまう。従ってデバイスドライバー作成の 技術を確立することが必要であった。幸いLinuxのドライバーが見つかったので CAMACよりの部分はそのまま使用し、OS側の部分を今回用いたNetBSD用に 変えた。また、DMA、IOによるブロック転送を完備させた。転送速度はKinetic製 ADCの4008/4054を使用してテストしたところ約740 kbytes/sec（3922のダブル バッファON）であった。 1000 Double Buffer Mode Transfer Rate (kBytes/sec) 900 800 Kinetic 4008（ADC)/ 4054（memory、2MB） を用いた転送テストの 結果。 インターフェースは Kinetic 2915、クレート コントローラーは3922。 700 600 500 400 300 Ordinary Mode 200 100 0 1 2 3 4 5 6 Trial Number 7 8 9 10 CAMACドライバーの機能 ioctl の命令 K2915_WAIT_LAM K2915_RST K2915_CHK_BRANCH K2915_SET_BRANCH K2915_SET_CRATE K2915_ENA_LAM K2915_DIS_LAM K2915_REG_DMP データ入出力 K2915_SNGL K2915_SETUP_DMA K2915_CMD_STAT K2915_PP K2915_IENA K2915_IDIS K2915_SETUP_BLK K2915_BLK_TRN 入出力 出力 入力 入力 無し 無し 入出力 入出力 出力 無し 入力 出力 出力 出力 無し 無し 内容 LAM 待ち インターフェースのリセット インターフェース番号の確認 インターフェース番号のセット クレート番号のセット LAM の有効化 LAM の無効化 インタフェース内のレジスタ内容出力 (syslog へ) 1 データの入出力 DMA の設定 コマンドステータスレジスタ内容の取得 パラレルポーリング 割り込み許可 割り込み無効 データのブロック転送設定 データのブロック転送 サポート済みインターフェース １．CAMAC関係 KineticSystems TOYO 2915（PCI)、2927(AT) CC/PCI(PCI) ２．GPIB National Instruments PCI-GPIB、AT-GPIB ３．Grasper関係 PCI-DMAC2（PCI)、PCI-DMAC3(PCI) ４．接点入出力 Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ CONTEC PCI-2105A(PCI) PI-64T（AT) データ処理システムの概要 • ショット番号、磁場設定値等の1500点のリレー信号は RS232CでCAMACサーバーへ • CAMAC用トリガー設定値もRS232CでCAMACサー バーへ • データ保存はデータファイルサーバーの4TBのハード ディスクと5”MO（4GBor9.1GB/枚）、DLT320へ • サーバーの電源は二重化＋UPS Main System Analog, Scaler Signals KUINS Network CISCO Router 10BaseT HUB ‘Fusion’ Network INS1500 Grasper Sub System Signal AmplifiersCAMAC System Relay Signals ASCEND Router Local Laser Printer 10Base5 RS232C 19.2kbps Grasper, DASBOX ADC Relay Signal Processor Grasper Controller RS232C 9.6kbps Discharge Parameter Display System Shot No. 12345 HV 100% AV 100% Shot No. 12345 TA 100% IV 0% Video Signal Splitter CAMAC Server(NetBSD) Delay Trigger Timing Processor MO HV 100% AV 100% TB 100% No. 12345 TA 100%Shot IV 0% TB 100%HV 100% AV 100% TA 100% IV 0% TB 100% DAT Data File Server(NetBSD) 100BaseTX SW.HUB Display Controller 18“ LCD MO Power Supply Monitor Relay Signal Relay Signal Input Interface Coil Power Supply Voltage, Current Signals Local Laser Printer Signal Amplifiers CAMAC System Server for System Maintenance Calculation Server (Alpha21264, 21164) (Linux) Print Servers Client Computers (Linux) 主なサーバー類 CAMAC サーバー： ４台（６、１、１、１クレート） Ｇｒａｓｐｅｒサーバー： ２台（３、１ユニット） ＤＡＳＢＯＸサーバー： １台（２ユニット） データサーバ： ３台（２台はデータ、１台は個人用ファイル） サポート済みCAMACモジュール CAMACモジュールはさまざまなものがあるため、パラメータ設定 も1つの画面設定では対応できない。現在は7種類の画面を作成 して下記のモジュールに対応している。今後も実験者の使用に 応じて対応モジュールを増やしていきたい。 ADC/Memory 4008/4054 8212A/8/8800/12 5909 スケーラー/Memory HNE320/HNE280 クロック発生器 8501 接点入力 3473 Memory 8201 T3500 8212A/32/8800/12 8210 8212A/16/8800/12 2250L 8590/8801 403 8206 629（ヒストグラム） 2161 ＣＡＭＡＣ以外のADCモジュール １．System Design 社 Grasper-12 （32チャンネル、2台） Grasper-12/300III （40チャンネル） Grasper-820 （16チャンネル） DASBOX530 （32チャンネル、2台） ２．部分的サポート Yokogawa DL2240（ディジタルオシロ） ライブラリ データ取得ライブラリ getdata 入力 信号名、ショット番号、電圧出力・ビット出力切り替え 出力 データ、サンプリング時間、AQDC情報等 データダンプユーティリティ gｅｔｆｉｌｅ 入出力 同上 通電データ取得ライブラリ 入力 ショット番号 出力 ECHパワー、パルス幅、プラズマに対するコメント等 データ処理のプログラム構成 Main Sequence Control Parameter Editors (CAMAC, Graphics) CAMAC Control GPIB Controller PC98 Communication Relay Signal Processor Delay Trigger Delay Trigger Communication Timing Processor Graphic Graphic Task Manager Output Control Data Storage (HD, MO) Relay Signal Monitoring Discharge Parameter Display Time Control シーケンスの流れ 通電1分前 heldap起動 CAMAC サーバー パラメータ 設定 heldapシーケンス スタート LAM用3474 スタート タイマーソフトの リセット Joule遮断10秒前 LAM用3474 接点待ち Relay、Trigger モジュールへの送信要求 Relay Signal Processor スタート CAMACサーバーへ データ送信 Delay Trigger Processor スタート CAMACサーバーへ データ送信 アンプ設定 読込 コントローラ GPIB スタート Controller ショット トリガー CAMAC サーバー 全てのCAMACにパラメータを 送信しADCスタート タイマーの 監視 CAMAC サーバー 受信 DataとHeaderをデータファイル サーバーのHD、MOに書き込み タイマーの 監視 全てのCAMACの 計測終了を示すQ待ち Qの出たものから1次 ファイルをHDに書きこみ タイマーソフトの リセット Graphic スタート heldapシーケンス スタートへ戻る 全てのデータの Header作成 取り込みデータの種類 1．ADC、スケーラー等の信号 2．ADC、スケーラー等の設定値（周波数、モジュール名等） 3．ショット番号、磁場設定値、アンプゲイン、フィルター種類 4．ディレイトリガーの設定値 5．測定値（電圧）から物理量への変換係数 6．各測定器のコメント 7．加熱装置、測定装置の設定値 8．生成プラズマに対するコメント 保存データ形式 収集されたデータは信号名 の表（別に定める）から得た 各ファイル名を付けられて次 のようなディレクトリの下に格 納される。 xxx/日付/shot番号 例えば xxx/991126/00400/ECHG1 の意味は1999年11月26日 のECHG1信号のデータファ イルということになる。各ファ イルはヘッダー部とデータ部 に分かれている。ヘッダーは CAMACモジュールの設定 値と通電条件（接点データ） からなる298バイトであり、 データ部はビット数により1， 2、4*（データ数、binary）バ イトとなっている。 項目 No. 記入例 バイト数 1 日付 99-11-26 8 2 通電データ（時刻、ショット番 号、コイル電流） 10:1000400 … 55 3 モジュール名 8212a/32-1 15 4 チャンネル名 25 2 5 データワード数 1234567 7 6 サンプリング時間（3桁）、 0（m秒）、1（m秒）、2（n秒） 1000 4 7 遅延時間 170 3 8 アンプゲイン（負のときは100 分の1） 1000 4 9 アンプフィルタ 2 3 10 パネル設定値 11 スケール 1000 20 12 ユニット /cc 20 13 最小－最大電圧とADC分解 ビット数 -10+1012 8 14 Information 50 15 データ データワード 数×1,2,4 99 KUINS Data files • データファイルの共有はNFS によって行う。データファイル とユーザー領域は完全に分離 した。 • CAMACサーバーへのユー ザーアクセスはできない。 • データファイルサーバへは読 み込み専用でアクセスできる。 • 大学内部のネットワークには ルータを通して接続。IPによる 通信制御を行っている。 Temporary data files セキュリティ制御 CAMAC Server (CAMAC, Delay Trigger PC98) User forbidden area Data File Server Prese rved data fi les MO User File Server MO User files IP フィルタリング ネットマスク CISCO ROUTER Core area Client Computers 操作 • 操作はXlibによって記述され たGUIによって行う。 • 右のメインＷｉｎｄｏｗによって ＣＡＭＡＣサーバーのすべて の機能をコントロールする。 • 下はＣＡＭＡＣの制御パラメ ターを定義するエディタ。 • グラフの出力制御するエディ タはクライアントでも動作。 時間 監視 PC98 通信 メイン シーケンス MO 保存 CAMAC エディタ グラフ 表示 グラフ エディタ 印刷 出力 メッセージ ‘Crate’ Editor ‘Module’ Editor ‘Function’ Editor ユーザーの入力 • データ名とCAMACチャンネルの関連付け。 • 物理量への変換データ入力。 • 各データファイルへのコメント 実験オペレーターの入力 • 実験で稼動している主な機器の状況を入力する（加熱設定、測定器設定）。 • 生成されたプラズマあるいは、全体の実験状況のコメントを書く。 グラフ出力 • 実験中にデータ参照が十分できるような操作性と高速性を考慮して開発。 • ディスプレイ出力ではデータ表示を対話的に変えることができる。 • 時間変化（下図）、Ｘ－Ｙプロット、shot by shot変化の3パターンを作成。 • 出力はディスプレイとＰＳプリンタ（カラーを含む）をサポート。 • プラットホームはＸＷｉｎｄｏｗが動作する全てのマイクロコンピュータ。 システムのコンポーネント ショット番号、コイル電流設定（18インチLCD） CAMACサーバーとファイルサーバー CAMACとアンプ ファイルサーバー２ ディレイトリイガーと接点取り込み部分 クライアントコンピュータ システムのコンポーネント 接点付アンプ 接点入力器 CAMACクレート 接点ボード トリガー発生器 サーバー群 システムの特徴 • メインコンピュータにＡＴクローン、周辺機器にも一般部品のみで システムを構成したため維持管理が廉価・簡便で、アップグレー ドも容易。 • CAMAC（現在約500チャンネル）、Grasper、DASBOX、リレー 接点（1500点）、ＧＰＩＢ経由の設定値を一括して処理。 • CAMACサーバー、データファイルサーバーは必要に応じて拡 張可能。 • データ表示（時間発展、X-Y、shot by shot）もサポート。 • C、FORTRANからのデータ利用のためのライブラリ。 • 全てのプログラムはソースコードレベルで管理。 • デバイスドライバーを除いて移植性を考慮したプログラム。
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