數據獲取系統(tǒng)

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1、北京正負電子對撞機重大改造工程初步設計4.12數據獲取系統(tǒng)4.12.1BESIII數據量估計BEPCII的設計亮度為，預期在J/ψ能區(qū)通過一級觸發(fā)判選后的事例率高達4000Hz。BEPCII亮度兩個數量級的提高和BESIII探測器的升級需要采用流水線的電子學系統(tǒng)，因此BESIII數據獲取系統(tǒng)（DAQ）的設計目標是完成高事例率（不超過4000Hz）下的數據讀出和處理。DAQ系統(tǒng)的性能需求是由觸發(fā)率和事例大小決定的，也就是說，可以通過對探測器數據量的估計來決定DAQ系統(tǒng)的設計方案。下面根據探測器的指標對數據量進行初步的估計，BESIII總電子學信

2、道數將超過3萬路，其中ADC和TDC類型的有2萬多路。如果MDC時間信號通道按平均15%“著火”率計算，EMC按平均17%“著火”率計算，MUC按平均1%“著火”率計算，剩下的按平均10%“著火”率計算，可以得到表4.12-1數據量估算參數。表4.12-1BESIII探測器數據量估計探測器子系統(tǒng)信道數VME機箱讀出數據量(Mbyte/s)機群處理數據量(MByte/s)記帶數據量(Mbyte/s)MDC（T+Q）1360046.62821EMC627224.81713TOF+CCT8962.31.61.2MUC90882.41.61.2觸發(fā)4

3、006.46.44.8小計3025682.554.641.2因此，BESIII數據獲取系統(tǒng)需要完成超過每秒80Mbytes的數據讀出任務，經PowerPC和讀出PC機對事例進行初步組裝，去除冗余的字頭、字尾和出錯等信息后，在線計算機機群需要處理的數據量超過每秒50Mbytes，最后通過軟件觸發(fā)判選的記帶數據量超過每秒40MBytes。由此可見，分級事例組裝技術不僅可以逐級減少數據量，而且可以有效地利用網絡資源。與國外目前運行的同類系統(tǒng)相比，不論在規(guī)模還是在性能方面，BESIII數據獲取系統(tǒng)的設計指標都是相當高的，實現的技術難度比較大，研制周期

4、長。因此，在系統(tǒng)設計策略方面必須采用成熟的和先進的技術，特別需要注重總線技術、網絡技術和計算機技術的未來發(fā)展。4.12.2系統(tǒng)的主要任務-9-北京正負電子對撞機重大改造工程初步設計BESIII數據獲取系統(tǒng)的主要任務是獲取通過一級觸發(fā)判選后的前端電子學事例數據，經過兩級計算機預處理和高速網絡傳輸，將分布在各電子學（VME）讀出機箱中的事例數據段迅速地匯集到在線計算機系統(tǒng)上進行事例包裝和過濾，整理成為完整的有效事例，最終將標記的事例數據通過網絡傳送到計算中心記錄到永久介質上。為了從前端電子學系統(tǒng)中快速讀出數據并使系統(tǒng)死時間盡可能地小，BESIII

5、數據獲取系統(tǒng)設計將大量采用多級數據緩沖技術、并行處理技術、VME總線高速讀出技術以及網絡傳輸技術。多級數據緩沖可以有效地減小由于高能物理實驗事例產生的隨機性而引起的死時間，基于網絡交換機的并行數據傳送可以提高數據流量和完成事例的并行處理。為此，BESIII數據獲取系統(tǒng)必須實現下列任務：（1）實現讀出機箱中VME設備（ADC和TDC插件）的高速數據采集，最充分地利用VME總線的帶寬資源，采用CBLT（ChainedBlockTransfer）DMA傳輸技術將前端電子學插件中的數據段讀出并匯集成事例段；（2）設計并實現數據獲取系統(tǒng)對前端電子學讀出

6、系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)、事例數據流控制系統(tǒng)、在線系統(tǒng)、運行控制及監(jiān)測系統(tǒng)的接口；（3）提供并實現保證數據正確讀出/傳輸所需的硬件和軟件所有協議；（4）實現上位機系統(tǒng)，完成全系統(tǒng)運行控制、信息監(jiān)測和狀態(tài)調整功能。提供完善的系統(tǒng)運行“報錯”功能，包括：無效或錯誤的操作、緩沖區(qū)溢出、各種故障等；（5）實現在線基本軟件系統(tǒng)，包含事例組裝、事例過濾和在線分析等重要數據處理軟件以及直方圖和單事例顯示等功能；（6）完成大容量、高速度的數據轉儲任務，最終將事例數據送到計算中心記錄到永久介質上；（7）提供系統(tǒng)在線刻度、電子學讀出系統(tǒng)校準和網絡環(huán)境監(jiān)測等輔助支持系統(tǒng)；（

7、8）根據BESIII的數據貯存需求和其它數據監(jiān)測需求，設計并實現在線數據庫管理系統(tǒng)，并與離線分析數據庫管理系統(tǒng)連接，實現數據自動更新。4.12.1系統(tǒng)構成BESIII數據獲取系統(tǒng)是基于前端電子學和觸發(fā)/判選的硬件系統(tǒng)，由讀出系統(tǒng)、在線系統(tǒng)和校準系統(tǒng)及其它輔助/服務系統(tǒng)組成。在系統(tǒng)構造方面，BESIII數據獲取系統(tǒng)必須成為高可靠性、高穩(wěn)定性、易升級、易擴充的系統(tǒng)。系統(tǒng)設備配置和軟件開發(fā)工具著眼于未來技術發(fā)展趨勢，盡可能采用市場上性能/價格比最好的商業(yè)化產品。-9-北京正負電子對撞機重大改造工程初步設計BESIII數據獲取系統(tǒng)大規(guī)模運用先進的計算

8、機和網絡技術，采用多級并行處理方案。最低一級為基于VME總線系統(tǒng)的讀出機箱，由前端電子學讀出插件（TDC和ADC等）和一個作為控制器使用的處理機組成。每個VME讀出