（物理电子学专业论文）冗余系统槽compactpci高可靠平台核心控制技术的研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠 平台 核心控制技术的 研究 abs t r a c t n e t w o r k i n g d a t a t r a f f i c i s g r o w i n g e x p o n e n t i a l l y , m o r e m e d i a m o v e s o v e r n e t w o r k ， m o r e b u s i n e s s a n d t r a n s a c t i o n s a n d g o v e rn m e n t a f f a i r s d e p e n d o n n e t w o r k , c o n s u m e r s o f n e t w o r k c o n t e n t a r e d e m a n d i n g r e l i a b l e , c o n t i n u a l a c c e s s . n o m a tt e r w h a t t i m e o f d a y o r n i g h t , p e o p l e n o w e x p e c t n e t w o r k t o b e a v a i l a b l e a n d r e l i a b l e . f o r s e rv i c e p r o v i d e r s a n d n e t w o r k m a n a g e r s , t h e r e i s n o t i m e o f d a y ( o r d a y o f t h e w e e k ) w h e n t h e n e t w o r k c a n b e t a k e n d o w n f o r r e p a i r s o r u p g r a d e s w i t h o u t d i s r u p t i n g c u s t o m e r s . m a n y o t h e r a r e a s , s u c h a s m i l i t a ry c o m m a n d i n g , e l e c t r o n i c a l a n t a g o n i s m , a v i a t i o n , p o w e r d e t e c t i o n a n d c o n t r o l , n u c l e a r p h y s i c s e x p e r i m e n t , t h e y a l l r e q u i r e t h e c o n t r o l l i n g p l a t f o r m t o b e m o r e a n d m o r e r e l i a b l e , w i t h h i g h e r a n d h i g h e r d a t a b a n d w i d t h . a s a r e s u l t , p e o p l e u r g e n t l y n e e d a c o m m u n i c a t i o n a n d c o n t r o l p l a t f o r m w h i c h i s o f h i g h a v a i l a b i l i t y a n d h i g h b a n d w i d t h . d u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f a l l t h e b a c k p l a n e b u s , t h e p a s s i v e b a c k p l a n e c o m p a c t p c i b u s i s o n e o f t h e m o s t p r o m i n e n t , w h i c h h a s a h i g h b u s b a n d w i d t h , i n d e p e n d e n t o f p r o c e s s o r s , s u p p o rt i n g h o t s w a p , r u g g e d e u r o c a r d m e c h a n i c a l f o r m - f a c t o r . i t s d e v e l o p i n g i n e m b e d d e d a p p l i c a t i o n i s t h e m o s t r a p i d . a l s o , t h e b i rt h o f c o m p a c t p c i i s 8 y e a r s l a t e r t h a n t h e t r a d i t i o n a l i n d u s t ry b u s v m e , a c c o r d i n g t o s t a t i s t i c s a n d p r e d i c t i o n , t h e m a r k e t o f c o m p a c t p c i p r o d u c t s w i l l s u r p a s s t h e v m e i n t h e f o u rt h q u a rt e r o f 2 0 0 1 . i t s s a f e t o s a y t h a t t h e t r a d i t i o n a l n o . 1 b a c k p l a n e b u s v m e w i l l g r a d u a l l y g i v e p l a c e t o c o m p a c t p c i i n t h e n e a r f u t u r e . r e d u n d a n t s y s t e m - s l o t c o m p a c t p c i h a p l a t f o r m p r o v i d e s a h i g h b a n d w i d t h( 1 3 2 m b y t e s / s f o r 3 2 b i t , 3 3 mh z ; 5 2 8 m b y t e s / s f o r 6 4 b i t , 6 6 mh z . )a n d 9 9 .9 9 9 % a v a i l a b i l i t y ( e q u a t i n g t o a p p r o x i m a t e l y 5 m i n u t e s o f d o w n t i m e a y e a r ) ， i t h a s t h e b e s t r a t i o o f p e r f o r m a n c e a n d p r i c e . i t s m o s t a p p l i c a b l e t o s y s t e m s w i t h l a r g e i / o d e m a n d s . c h i n a d o e s n o t h a v e t h e p l a t f o r m u n t i l n o w , a n d o n l y s e v e r a l b i g c o r p o r a t i o n s a b r o a d h a v e m a n u f a c t u r e d t h e h a p l a t f o r m . t h i s p a p e r m a k e s a d e e p r e s e a r c h o n t h e c o r e - c o n t r o l t e c h n i q u e s o f t h e r e d u n d a n t s y s t e m - s l o t c o m p a c t p c i h a p l a t f o r m , a n d w e h a v e d e s i g n e d t h e c o r e - c o n t r o l m o d u l a r . t h e c o r e - c o n t r o l t e c h n i q u e s o f t h e r e d u n d a n t s y s t e m - s l o t c o m p a c t p c i h a p l a t f o r m i n c l u d e s t h e b e l o w: . p c i i n t e r f a c e a n d p c i b r i d g e c o m p a c t p c i i s f u l l y c o m p a t i b l e w i t h p c i i n e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s , l o g i c a n d t i m i n g s e q u e n c e . w h e n p c i m a s t e r r e a d s fr o m o r w r i t e s t o 1 / o d e v i c e s o r c o m m a n d a n d s t a t u s r e g i s t e r s , i t m u s t r e l y o n p c i n t e r f a c e . p c i i n t e r f a c e h a s a c o m p l e x l o g i c t i m i n g , w e u s e t h e p c i i n t e l l e c t u a l p r o p e r ty c o r e a s t h e i n t e r f a c e . 中国科学技术大学博士 学位论文冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠平台核心控制技术的研究 o n e p c i b u s o n l y s u p p o rt s a l i m i t e d n u m b e r o f p c i e x p a n s i o n c o n n e c t o r s , i f t o o m a n y e l e c t r i c a l l o a d s a r e p l a c e d o n a p c i b u s , i t c e a s e s t o f u n c t i o n c o r r e c t l y . i n t h e p l a t f o r m w e d e s i g n e d , o n e c p u d r i v e s 6 1 / o b o a r d s , e v e n u p t o 1 2 i / o b o a r d s , i t m u s t b e i m p l e m e n t e d t h r o u g h p c i - t o - p c i b r i d g e . we s e l e c t i n t e l t r a n s p a r e n t b r i d g e 2 1 1 5 4 w h i c h s u p p o rt s 6 4 b i t d a t a w i d t h a n d 6 6 mh z b u s c l o c k . .h o t s w a p h o t s w a p i s a k e y t e c h n i q u e i n t h e r e d u n d a n t s y s t e m - s l o t c o m p a c t p c i h a p l a t f o r m . h o t s w a p a l l o w s i n s e rt i n g o r e x t r a c t i n g v o b o a r d a n d m a i n c p u b o a r d w i t h o u t d o w n i n g t h e s y s t e m . t h i s t e c h n i q u e d e a l s w i t h d e l i m i t i n g t h e i m p a c t t o b u s s i g n a l s w h e n i n s e rt i n g o r e x t r a c t i n g b o a r d , a u t o m a t i c s e p a r a t i n g f a i l e d b o a r d a n d a u t o m a t i c c o n n e c t i n g t h e s t a n d b y o n e . t h e p l a t f o r m w h i c h w e d e s i g n s u p p o rt s h i g h a v a i l a b l e h o t - s w a p f o r a l l t h e b o a r d s i n c l u d i n g t h e m a i n s y s t e m b o a r d . . r e d u n d a n t c p u s w 叩a n d b u s c o n t r o l s w i t c h i n g wh e n c o n d u c t i n g c p u a n d s o f t w a r e u p g r a d e s , o n e c p u s a p p l i c a t i o n c a n b e h a n d e d o v e r t o a n o t h e r , t h e r e a r e n o d a t a c o r r u p t d u r i n g c p u b o a r d s w a p , t h i s c a n r e d u c e p l a n n e d d o w n t i m e . wh e n o n e c p u f a i l e d , i t c a n b e s e p a r a t e d a u t o m a t i c a l l y , a n o t h e r c p u b o a r d c a n t a k e o v e r a l t a p p l i c a t i o n s , t h i s c a n a v o i d u n p l a n n e d d o w n t i m e .f a i rne s s b u s a r b i t r a t i o n i n t h e r e d u n d a n t s y s t e m - s l o t c o m p a c t p c i h a p l a t f o r m , o n e d o m a i n c o m p a c t p c i b u s s u p p o rt s 6 i / o s l o t s a n d m a i n c p u , t h e r e m a y b e t o t a l s e v e n p c i m a s t e r s i n o n e d o m a i n . p c i i s a s h a r e b u s , e v e ry p c i m a s t e r r e q u i r e s t h e u s e o f t h e b u s t o p e r f o r m a d a t a t r a n s f e r , i t m u s t r e q u e s t t h e u s e o f t h e b u s fr o m t h e p c i b u s a r b i t e r . t h e m a s t e r b e g i n s b u s t r a n s a c t i o n o n l y a ft e r g r a n t e d . we h a v e d e s i g n e d a r o t a t i o n a l p r i o r i ty， e f f e c t i v e a n d f a i r c o m p a c t p c i b u s a r b i t e r w h i c h c a n m e e t t h e s p e c i a l r e q u i r e m e n t s o f b u s c o n t r o l s w i t c h i n g . we h a v e i m p l e m e n t e d a p c i i n t e r f a c e , a h o t - s w a p c o n t r o l l e r , a b u s s w i t c h i n g c o n t r o l l e r a n d a f a i r n e s s a r b i t e r i n a s i n g l e c h i p o f l a r g e v o l u m e f p g a ( a l t e r a f l e xi o k i 0 0 e ). we h a v e d e s i g n e d a c o r e - c o n t r o l m o d u l a r w h i c h c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t o f t h e r e d u n d a n t s y s t e m - s l o t c o m p a c t p c i h a p l a t f o r m . t h e m o d u l a r h a s b e e n t e s t e d a n d a c c e p t e d . i i i 中国科学技术大学博士学位论文冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠平台 核心控制技术的 研究 第一章绪论 在信息、电子时代的今天，各种嵌入式应用对系统总线带宽和可靠性的需求不断增长。 据统计， c p u的 速度大约 1 8个月翻倍，而总线带宽的增长速度约 3 6个月翻倍， 总线 带宽一直是个瓶颈;随着电子商务、政府网络办公、各种媒体网络的快速发展，人们对网络 信息的依赖也越来越强， 对通讯平台可靠性的要求日 益提高: 在其它许多领域，诸如， 军事 指挥、电子对抗、 航空航天、电力测控、核物理实验等等，都对测控平台的可靠性要求越来 越高。随着数字化技术应用的深入，系统处理、 远程传输的数据量也越来越大，因而需要通 讯、测控平台具有更高的数据带宽 ( 吞吐率) 。 这些促使人们不断研究开发具有最佳性价比 的高带宽、高可靠的通讯、测控平台。 最近几年， 在众多的背板总线系统中，p c i 总线的应用发展最快。在 p c i 总线的基础上 发展 起来的 更加坚固的 适于工业应用的 c o m p a c tp c i 背板总线， 最近两 年中， 在嵌入 式系统 的发展和应用极 其迅 速， 尤其是 在远程通讯和数 据通讯 领域。 基于 c o m p a c tp c i 总线的 冗余 系统槽高可靠( h a . h ig h a v a il a b i l it y ) 平台 是最具 应用潜力的 通讯、 测控的 通用平台。1 1 前，世界许多大公司都在围绕这个平台的核心控制技术展开研究，国内至今仍没有这样的 平 台，国外也只有少数几个大公司开发出了这样的平台。 本章首先介绍 无 源背板总线的 发展趋势，以 及 v m e . c o m p a c t p c i 的 主要 特点， 分析 在 嵌 入式系统中c o m p a c t p c i 的 应用即 将超过 v m e的 原因。 然 后， 介绍高可 靠冗余平台 的 概 念。 本章最后， 介绍了 冗余系统槽 c o m p a c t p c i h a平台 核心控制技术包含的内 容及国内 外 的研究现状。 1 . 1 背板总线的 发展趋势 1 . 1 . 1背板总 线的 发展的 动力 从总线的发展历史来看，一个新总线的诞生总是有许多动力源的驱动。当 半导体器件公 司推出了一个新的 微处理器，他们总是要设计一系列单板或系统级产品来简化这种微处理器 的应用设计， 从而促进人们接受他们的芯片。这些总线通常就是微处理器的局部总线在背板 上的 扩展。 这就是m u lt i b u s 和v e r s a b u s 最终能 够合并 成v m e ( v e r s a m o d u le e u r o p e ) 总 线 的原因。计算机工业是导致总线诞生的另一个源泉。当i b m在 1 9 8 1 年生产了p c机， 它需 要一种结构能够允许功能卡被方便地增加或减少。p c / i s 人总线就是为满足开放系统设计而 诞生的。 在总线发展的 历史上，有许多独具创新意识的公司 独立地定义了一些总线结构。例如: g e s p a c在1 9 7 9 年定义的g - 6 4 总 线， p r o - l o g 公司 在7 0 年带中 期定义的s t d总 线，以 及 后来a m p r 。 公司 定义的p c / 1 0 4 总线。这些总 线在市 场上 发展良 好， 主要归功于 他们都是 瞄 准某一特定领域而且都是相对独立于任何一家芯片或计算机制造商。 另外一个积极的但是在商业上并非成功的总线源是类似 i e e e这样的协会。比较出名的 总线有s t e b u s 以 及稍后的f u t u r e b u s .这些总线虽然没有一个得到大公司和市场的认可， 但它们对总线技术的发展还是具有一定的贡献的，它们的有些设计思想被今天广为使用的一 些总线所吸收。 可以说，对总线的发展作出最重要贡献的是计算机和半导体工业。 中国科学技术大学博士学位论文冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠平台核心控制技术的研究 1 . 2 v m e , p c i , c o m p a c t p c i 总 线简介 目 前在嵌入式系统中， 背板总 线的 两大阵 营是v m e和p c i ( 包括c o m p a c t p c i ) 。 下面 将就v m e 和p c i ( 包括c o m p a c t p c i ) 的性能和特点进行比 较。 1 . 2 . 1 v me总线 v m e总线是指v e r s a m o d u l e e u r o c a r d 。其中v e r s a 是m o t o r o l a 公司 于 1 9 7 9 年专为其 m c 6 8 0 0 0 微处理器而设计的一种计算机总线。 v m e于 1 9 8 7 年被i e e e接受为i e e e 1 0 1 4 规 范， 主要成员有m o t o r o l a . m o s t e k . s i g n e t i c s 及t h o m s o n 等公司。 v m e 总线主要采用v e r s a b u s 的电气标准及 e u r o c a r d的机械标准。1 9 8 4年成立了 v me国际贸易协会 v i t a(v me i n t e rn a t i o n a l t r a d e a s s o c ia t io n ) . v i t a致力于开放系统的 研究， 而不是专用系 统 ( p r o p r ie t a ry s y s t e m) . 1 . v me总线的 主要特点 . 采用总线主设备/ 目 标设备结构 ( ma s t e r / s l a v e ) . 主设备是发起读或写的功能 模块，目 标设备是主设备的 读数的源或写数的目的 地。 . 异步、 非复用传输模式。 v m e总线是异步总线，不用时钟来协调数据的传输。模块之间的数据传输是通过互锁 握手信号来实现的。 非复用传输是指v m e 总线有独立的3 2 位数据线、 独立的3 2 位地址线。 .支持 1 6 位、2 4 位、3 2 位寻址及8 位、1 6 位、3 2 位数据传输。 v m e总线的 数据线的宽度、 地址线的宽度可以 动态的配置改变，即可以自 动改变宽 度。 .支持跨界数据传送。 所谓跨界传输数据是指将双字节和4 字节放置在跨界的位置上。 . 传输速率最大4 0 m b y t e / s . 异步总线的最大传输率是由信号在背板及插卡元件缓冲区之间的延时决定的。v m e背 板最长可达 5 0 0 m m ，在信号线上具有相对较大的感性和容性负载。假设v me是同步总线， 它的同步时钟的最大频率只能是大约l o m h z o . 7 条中断请求线，菊花链优先级排队。 . 4 条总线请求线，菊花链优先级排队。 .在一个背板上最多有2 1 个插槽。 .总线错误及系统错误检测。 2 . v me 总线的发展 v me于 1 9 8 7 年被i e e e接受为i e e e 1 0 1 4 规范。 在 1 9 9 5 年， v m e 6 4 规范 颁布。 v m e 6 4 支持6 4 位地址、 6 4 位数据， 总线最大 传输数 据速率可 达8 0 m b y t e s / s o 在1 9 9 7 年， v i t a标 准化组织 ( v s o - - v i t a s ta n d a r d o r g a n iz a t io n . ) 颁布t v m e 6 4 x 规 范。 总 线带 宽可 达1 6 0 m b y te s / s , 在1 9 9 7 年， a r i z o n a d i g i t a l 公司 公布7一种改进的v m e 结构，叫v me 3 2 0 ， 最大传输 速率高 达3 2 0 m b y t e s / s 这些后来改进了的v me总线， 虽然总线带宽有较大的提高， 但与8 7 年最初定义的v me 中国科学技术大学博士学位论文冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠平台核心控制技术的研究 总线结构及工作原理大致相同。 1 . 2 . 2 p c i 总线与c o m p a c t p c i 总线 p c i 总线的 英文全 称为: p e r ip h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ，即 周边器 件互 连。 p c i 局部 总 线是微型计算机中处理器 l 存储器与外围控制部件、扩展卡之间的互连接口， p c i 规范是互 连机构之间的协议，以 及电 气和机械配置的规范，是当今高性能微型计算机的事实上的总线 标准。 1 9 9 1 年， i n te l 公司 联合了 多 家公司 成立了 p c i s i g ( p c i s p e c i a l in t e r e s t g r o u p ) 协会， 致 力于促进p c i 局部总线工 业标准的 建立和发展。 1 9 9 2 年， p c i s i g 发布了 p c i 局部总线规范( p c i l o c a l b u s s p e c i f i c a t io n ) 1 .0 版。 经过几年的发 展， 2 .2 版已 于1 9 9 9 年 2 月公布。 p c i 局部总线诞生和发展是技术发展和应用的需要。 例如在图形处理方面， 传统的p c 1 / o 结构己经成为制约处理器和视频显示设备之间的瓶颈， 而p o局部总线的应用， 可以 在3 3 m h z 时 钟、 3 2 位数据宽度的条件下达到峰值1 3 2 m b y t e / s 的带宽， 在6 6 mh z 时钟、6 6 位数据宽度的 条 件下达到 峰值5 2 8 m b y t e / s 的带 宽。 p c i 局部总线的设计是独立于处理器的。 虽然它是由 i n t e l 公司 提出的， 但不局限于 i n t e l 系 列的处理器。当 今流行的 其 他处理器系列， 如a lp h a . p o w e r p c , s p a r c 以及多处理 器结 构的 下一代处理器都可以 适用p c i 局部总线。 1 9 9 3 年以 来，由 于p c i 总 线在高 性能 低成本、 开放 性等方 面的 优势，使 其得到 迅 速普 及和发展。 这一冲击波大大地激发了制造商和用户， 他们开 始考虑如何将 p c i的 成果用于 改 造嵌入式计算机产品， 使其模块化，更加坚固可靠、 方便使用、生命周期更长。1 9 9 4 年美 国的一些工业计算机制造商建立了 p c i 工业计算机制造协会，简称 p i c mg ( p c i i n cl u s t r a l c o m p u t e r m a n u f a c t u r e s g r o u p )。作为一个非赢利性的行业组织， p i c m g 致力于将p c i 标准 应用于 t - 业控制计算 机系 统。1 9 9 5 年 p i c m g 出 版了 c o m p a c t p c i 规范1 .0 版。 1 . 2 . 2 . 1 p c i 局部总线 1 . p c i 局部总线特点 p c i 局部总线是一种高性能、 3 2 位或6 4 位地址数据线复用的同步总线。它的用途是在高 度集成的外设控制器、 扩展板和处理器 / 存储器系统之间提供一种内部连接机制。 p c i 是先进 的高性能局部总线， 可同时支持多组外围设备。 p c i 局部总线不受制于处理器，为中央处理 器及高速外围设备提供一座桥梁。 p c i 采用高度综合化的局部总线结构。其优化的设计可充 分利用今日 最先进的 微处理器及个人电脑科技。 它可确保电 脑部件、附加卡、及系统之间的 运作可靠，并能完全兼容现有的i s a / e i s a / mi c r o c h a n n e l 扩充总线。 p c i ,0 . 线具有如下所述的主要特点: ( 1 ) .高性能 . 传输率可以 透明 升级， 从3 3 m h z 的 3 2 - b it 总线( 最大 传输 率1 3 3 b y t e s / s) ， 到3 3 m h z 的 6 4 - b i t 总线 ( 最大传输率2 6 4 m b y t e s / s)，以及从6 6 m h z 的 3 2 - b i t 总线 ( 最大传输率 1 3 3 m b y t e s / s) ， 到 6 6 m h z 的 6 4 - b it 总 线 ( 最 大传输率 5 2 8 m b y te s / s)。 . 对读和写，都有可变长度的线性突发传输和高速缓存线 ( c a c h e l i n e )的迁回突发传输模 式，这使得主要是写操作的图形性能大大提高。 . 随机存取延时低， 能够大幅度减小 外围设备取得总线控制权所需的时 间。当 停靠在p c i 中国科学技术大学博士学位论文冗余系统槽c o m p a c tp c i 高可靠平台核心控制技术的研究 洲n 3 户 -臼 1 i 1不叮飞经、 1- - l1 s li 1 图1 . 5 p c i 总线的最大数据传输率 2 .用c o m p a c t p c i 作为 简 单的u o接口 c o m p a c t p c i 诞生之初主要反 对意见之一是 p c i 作为同步总线， 特别适合于用突发模式 传输数据，而对单字操作非常糟糕。下图所示为单字交换的理论上所需的时间。 3 a n舀 尸-气 s in g le w o r d w r 比 . 凡尹 1 1 11 1 1乒、 1$ i 1 二6 0 n o 1二i i. ( 4 . - - - - . 1 . 1 1 6 .6 而 r a n s t e r a / s i 1 6 6 m b y 怕 习 9( 3 2 一川 1 3 3 m b y l e 目 .( 6 4 - b i t ) !劫书eese s i叩l e 岁. r 月e 日0 翻 脸翻 月 佃日 目 . m b y t es 内 趁- b i t ) 仙 b y t s e f ( 8 0 - b l t ) l. 图1 . 6 p c i 单字读写时 序图 的 确，单字读的传输速率是最高突发模式的 1 / 4 ，因此， 单字读的 速率也就在 v m e规 范的传输速率范围内。 无论如何， 这个速率也远远超过了简单、 单个寄存器设备的典型需要， 例如， 数字或模拟v 0接口。 c o m p a c t p c i 限 制在一 个系统中 只能 有8 槽( 扩展需 要使 用p c i t o p c i 桥) ， 这使得v m e 总线 更有适合在组合的c o m p a c t p c i/ v m e系统中的i / o操作。 尽管如此， c o m p a c t p c i 完 全 能够在6 u卡上制造u o板，它的上端接插件用于u o信号。 3 . c o m p a c t p c i 总 线上的中 断 中断在实时系统中非常重要。实时系统是v me 系统的主要应用。为了达到最好的性能， 总线上的中断结构必须与c p u芯片匹配。存储器的存取周期对不同的c p u差别不大，而中 断处理对不同的c p u差别很大，对于不同的系统结构差别更大。 对于6 8 x x 0 处理器， v m e的7 个中断被直接映射到c p u , c p u内 部具有硬件逻辑来处 理中断优先级，以 及特殊的 指令去 快速确定中断源、保存现场、 跳到正确的中断服务程序。 中国科学技术大学博士学位论文 冗余系 统 槽c o m p a c t p c i 高 可 靠平台 核 心 控 制 技 术 的 研 究 当一个非6 8 x x 0 处理器( 如i n t e l ) 被用于v m e , v m e的中断结构需要被翻译成i n t e l 模 式，因此要增加额外的中断延时。例如， 在 i n t e l 处理器上的中断是沿敏感，并且字节顺序 是反向的 ( 高位在后) 。 象p o w e r p c这样的r i s c( 精简指令计算机)处理器，不具有象6 8 x x 0 的较多的中断线 和特殊指令。在p o w e r p c 6 0 3 / 4 上，只有两根中断线， 用户 ( 或操作系统开发者) 必须处理 中断确认、优先级、检测中断源并跳转到相应的中断服务 程序。必须增加特定的硬件到系统 去协助c p u处理中断。 p c i 和c o m p a c t p c i 在对待 非6 8 x x 0 处理器的中 断 处理上也 没有什么妙方， 但是， 它建 立了 一个独立 于处 理器的 连接外部中 断的中断 连接图。 p c i 和c o m p a c t p c i 规定了4 个电 平 敏感的中 断线和一个中 断认可 总线 操作 ( i n t e r r u p t a c k n o w l o d g e b u s tr a n s a c t io n ) 。 如图1 .7 所 刁屯 。 cl o c k a d d r e s s / da t a c o mma n d / b y 加 e n a b le 图1 . 7 p c i 总线的中 断认可周期 p c i 没有规定中断 优先级以 及中断如何被连接到c p u 。虽然从理论上说可以随意设计处 理中断的硬件， 但是， p c i 系统的中断一般都在参考设计平台说明书上有明确的定义， 例如 p c / a t 标准以及p o w e r p c的参考平台标准。 4 . c o m p a c t p c i 上的 多 处 理 器 c o m p a c t p c i 支持多 处理 器。 但是， c o m p a c t p c i 的 多 处理器结构图 与 v m e不同， p c i 规定了 只有主c p u板负责总线仲裁以 及系统的 绝对控制。 那就是说，不可能在主c p u板的 相邻槽上再插一块与其具有等优先权的第二个处理器。 尽管如此， p c i 总线仍然可以 有总线 主设备 ( m a s t e r ) ， 它通常就是典型的智能i / o功能模块， 但一般都是独立的协处理器。 图1 . 8 所示为仲裁器和外部设备 之间的 仲裁连接线。在仲裁器和主设备之间有独立的总线申 请和总 线允许连接线。 图l s多主设备总线仲裁 中国科学技术大学博士学位论文 冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠平台核心控制技术的研究 当主设备要占 用总线，它必须向 仲裁器提出申 请，得到许可后才能使用。如果在同一时 间，有多个主设备申 请占 用总线， 仲裁器将执行一个优先级算法来确保公平。当一个主设备 获得了总线，它可以与总线上的任何其它设备进行d m a传输，包括与主c p u . 5 . c o m p a c t p c i 的 热 插 拔 c o m p a c t p c i 的目 标 之 一是 把 热 插拔 包括到 规范 中 。 所 谓 热插拔， 即 在不间 断 系 统 正 常 运行的情况下拔插总线单板插件。这个特性对 p i c m g中的几个从事远程通讯的会员相当重 要，从 1 9 %年4 月 起成立了 一个工作组开始起草热插拔规范。同时，p c i s i g内部的许多 硬 件和软 件公司 开始定 义热 插拔结构， 主要是面向 作为 服务 器的p c 机。 c o m p a c tp c i 热插拔 规 范 1 .0 版，在 1 9 9 8 年5 月正式公布。 c o m p a c t p c i 热插拔技术要求背板接插件的 针不等长， 在准备上电的单板完全插入背板 之前， p c i 信号线是高阻。当 其完全插入后， p c i 总线被激活， 单板开始初始化。 p i c m g和p c i s i g的共同 努力， 在规范中不仅允许系统不断电 就可以 插拔单板，而且确 保新板插入后要能被系统正确确认和初始化。 c o m p a c t p c i 支 持热 插拔， 这大大 提高了c o m p a c t p c i 系 统的可靠性和缩短了 系统维 护的 时间，使得c o m p a c t p c i 总线在现代高可靠嵌入式系统中得到了 迅速而广泛的应用。 1 .4高可靠平台综述 所谓高 可靠 ( h a . h i g h a v a i la b le ) ， 就是指系 统可以 不间 断、 持续正常工作的时间 长。 这一般包含两方面的含义:一个是系统故障停机 ( 非计划停机)的时间短，另一个是指系统 维护停机 ( 计划停机)的时间短。高可靠系统有各种结构， 通常都是采用了 冗余技术。 不同 的应用对可靠性指标的需求不同，应该根据具体的应用去寻求最佳的性能价格比。 1 . 4 . 1高可靠平台的意义 由于网络通讯数据量成指数级在增长，这使得当今世界上的网络设备不堪重负，这些网 络设备最初只是用来进行声音传递的。现在，数据通过声音网络传输，声音也通过数据网络 传输，人们对多媒体和无线通讯的需求也很普遍， 在现有的 通讯设施上开展各种新的通讯服 务的压力越来越大。 现在，通讯行业的原始设备制造商 ( o e m, o r ig i n a l e q u ip m e n t m a n u f a c t u r e r ) 都面临着一种挑战，即提供能够满足客户对带宽和可靠性的要求不断增长的 技术或产品。随着越来越多的媒体数据在网络传输， 越来越多的商贸功能也依赖网络，网络 信息消费者需要网 络通讯更加可靠、不间断。不管是白 天或黑夜，人们都希望网络一直是可 用的而且是可靠的。 对网络服务提供商和网络管理者来说， 不可能有什么时间停机检修或升 级而不干扰网络消费者的。 中国科学技术大学博士 学位论文冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠平台核心控制技术的 研究 1 . 5 c p c i h a核心控制技术 包含的内 容 及国内外研究的现状 1 . 5 . 1 冗余系统槽c p c i h a核心控制技术包含的内 容 冗余系统槽c o m p a c t p c i h a核 心控制技术包含: p c i 接口 技术、 p c i 桥接技术、 热插拔 技术、冗余 c p u 自 动切换技术、 总线公平仲裁技术。核心控制器是由一块专用控制板来实 现， 这块电 路板通常叫 做h s c 板 ( h o t s w a p c o n tr o l l e r 最近又成功的开发出具有2 1 个槽位的c p x 8 2 2 1 系统，最多允许在一个机箱内 插 入1 9 个c p c i 主设备 接口 板。 s u n m ic r o s y s t e m i n c . ( n a s d a q : s u n w) 于2 0 0 0 年3 月开 发 成功了c p 2 0 0 0 h a平台。 s b s 通讯公司( s b s t e c h n o lo g ie s , i n c . c o m m u n i c a t io n s g r o u p ) ( n a s d a q : s b s e