Gregor Wagner, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000
Schlagwörter:CP invariance, Data acquisition, Digital signal processing chips,computer networks,distributed processing, beauty particles,elementary particles
PACS: 14.40.Nd Bottom mesons, 07.05.Hd Data acquisition: hardware and software, 13.25.Hw Decays of bottom mesons
Das HERA-B-Experiment am Deutschen Elektronen-Synchrotron dient in erster Linie zur Untersuchung von CP-Verletzung in Zerfällen neutraler B-Mesonen. Die interessierenden Zerfälle besitzen ein sehr kleines Signal-zu-Untergrund-Verhältnis (≤ 10-10). Dies erfordert, dass das vierstufige Trigger- und Datennahmesystem von HERA-B die 520.000 Detektorkanäle bei einer Eingangsrate von 10 MHz verarbeiten kann und den inelastischen Untergrund um ca. sechs Größenordnungen unterdrückt, während die gewünschten B-Zerfälle mit möglichst großer Effizienz selektiert werden.
Für die zweite Trigger-Stufe wird eine Prozessor-Farm mit 240 PCs verwendet. Während der Ausführung der Trigger-Algorithmen befinden sich die Detektordaten in einem Zwischenspeicher, der über ein Netzwerk mit der PC-Farm verbunden ist. Netzwerk, Zwischenspeicher als auch eine Kontrolleinheit, die den Datentransfer zwischen PC-Farm und Zwischenspeicher steuert, sind mit Digitalen-Signal-Prozessoren (DSP) vom Typ SHARC aufgebaut.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Inbetriebnahme der Software für die im Datennahmesystem eingesetzten DSPs. Diese Software sowie die Hardware des DSPs werden in dieser Arbeit beschrieben. Ihre Funktionsweise und Tauglichkeit für den Einsatz bei HERA-B werden anhand der beim Datennahmebetrieb gewonnenen Erfahrungen demonstriert, die zeigen, dass das Konzept, DSPs für die Datennahme einzusetzen, erfolgreich angewendet werden kann.
Zur Erfüllung des Messprogramms von HERA-B ist es notwendig, dass die im Datennahmesystem verwendeten DSPs die erforderliche Eingangsrate in die zweite Trigger-Stufe von 50 kHz ermöglichen. Aus diesem Grund werden Untersuchungen durchgeführt, die die Leistungsfähigkeit des DSP-Netzwerks, des Zwischenspeicher und der Kontrolleinheit bestimmen. Ihre Einflüsse auf den zukünftigen Datennahmebetrieb bei mbox{HERA-B} werden abgeschätzt. Hierzu ist mit Hilfe von Simulationsstudien das bei Betrieb des vollständigen Detektor- und Trigger-Systems zu erwartende Datenaufkommen ermittelt worden. Diese Information ermöglicht es, die Ratenlimitierung zu messen, die durch den Zwischenspeicher verursacht wird. Die Bandbreite der Kommunikation zwischen DSPs wird bestimmt und durch Vergleich mit der erwarteten Belastung für die einzelnen Netzwerkknoten der Einfluss des DSP-Netzwerks auf die Eingangsrate in die zweite Trigger-Stufe abgeschätzt. Diese Untersuchungen ergeben, dass Zwischenspeicher und DSP-Netzwerk in der derzeitigen Konfiguration die maximal mögliche Eingangsrate in die zweite Trigger-Stufe auf 25 - 35 kHz begrenzen. Es werden Vorschläge gemacht, wie eine Ratensteigerung auf 50 kHz auf einfache Weise erreicht werden kann. Diese bestehen in erster Linie in einer Optimierung der für den Zwischenspeicher benutzten Software und einer homogeneren Gestaltung des Datenverkehrs auf Netzwerk und Zwischenspeicher, die sich durch eine Modifikation der Verkabelung zwischen den DSPs untereinander sowie zwischen den DSPs und der Ausleseelektronik des Detektors realisieren lässt.
Messungen der Leistungsfähigkeit der mit DSPs realisierten Kontrolleinheit zeigen, dass diese Eingangsraten von bis zu 70 kHz verarbeiten kann und damit die Anforderungen deutlich erfüllt.
The HERA-B experiment at DESY is designed primarily to measure CP-violation in the decays of neutral B-mesons. The decay channels of interest have very low signal-to-background ratios (≤ 10-10). Consequently the data acquisition and triggering system must read out all 520,000 detector channels at a very high rate (10 MHz) and must suppress the background by six orders of magnitude, while selecting the interesting decays with high efficiencies.
The trigger system consists of four consecutive trigger levels. A processor farm of 240 PCs is used to run the second level trigger algorithms. During event processing on a farm processor, the detector data is stored in a buffer system which is connected to the farm via a network. The buffer system, network and the control process of the second level trigger are all implemented with SHARC digital signal processors (DSP).
The task described in this thesis was the development of the DSP software. This software and the DSP hardware are described. Their functionality and availability is demonstrated based on the experience gained with the system during the 1999 and 2000 running periods. It is shown that the concept of basing the data acquisition on DSPs can be applied successfully.
The components of the data acquisition system built from DSPs have to ensure an input rate to the second level trigger of 50 kHz in order to avoid any restriction of the physics program of HERA-B. Therefore the capacities of the DSP-network, the buffer system and of the control process are investigated. Their influence on the future running performance of the HERA-B experiment is determined. For this purpose a simulation is used to study the distribution of the data traffic among the DSPs of the network and buffer system, which is expected for future data taking using the complete detector and trigger system. This information allows the measurement of the rate limitations caused by the buffer system. The bandwidth of inter-DSP communication is measured. The maximum rate which the network can handle is estimated by a comparison of the measured bandwidth with the expected traffic of each network node. These investigations predict that the current configuration of the DSP-network and the buffer system will limit the maximum input rate of the second level trigger to 25 - 35 kHz. It is suggested how the design input rate of 50 kHz can be reached. One approach is the optimisation of the DSP software used for the buffer system. In addition the data traffic upon the DSPs of the buffer and the network can be leveled by modifying the cabling from the detector readout electronics to the buffer system as well as the interconnections of the network.
Measurements of the performance of the control process of the second level trigger show that the control process is able to run at rates of up to 70 kHz, and hence will not restrict the second level trigger input rate.