CN102073562B - 基于硬件的主备倒换仲裁方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于硬件的主备倒换仲裁方法。该方法包括：热插拔单元对第一控制板和第二控制板进行检测，并将检测结果发送给主备倒换单元；所述主备倒换单元根据所述第一控制板的CPU和所述第二控制板的CPU各自的准备信号以及所述检测结果确定所述第一控制板和所述第二控制板的主备资格，并将所述主备资格发送给主备倒换仲裁器；所述主备倒换仲裁器根据所述主备资格自动执行对所述第一控制板和所述第二控制板的主备分配。应用本发明的技术方案，采用基于硬件的主备倒换仲裁器实现主备倒换控制，无需软件参与，具有速度快、稳定性高的特点。

Description

基于硬件的主备倒换仲裁方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于硬件的主备倒换仲裁方法。

背景技术

在数据通信系统中，越来越多的高端客户要求产品支持主备倒换来增强系统的可靠性，由此可见主备倒换技术的重要性。所谓主备倒换技术就是指相同的两个单元同时工作，一个为主用，一个为备用，由主用单元输出有效控制信号或总线信号，备用单元输出的控制信号或总线信号处于无效或者关闭状态。当主用单元发生故障时，系统可靠地平滑到无故障的备用单元上。主备倒换设计必须具备两个基本功能：对单板状态进行监测和保证单板可靠的硬件切换，以保证倒换机制的完善并具有对异常的处理功能。

在现代系统中，串行总线速率(目前通用的Serdes速率最低也在1.25Gbps，最高已经达到6.25Gbps)和串行数据总线带宽(目前高速总线最小带宽1.25Gbps，最大带宽已经达到100Gbps)在不断提高，系统中无论是控制层还是数据层，都要通过这些高速总线进行通信。因此如果要想实现传统意义上的主备倒换，即主用单元数据和控制总线完全打开，备用单元数据和控制总线完全关闭，需要很高速率的逻辑器件控制，而这种器件从价格上来说无疑是非常高的，同时也会给设计者带来极大的困难。

图1示出了现有技术一的基于软件的主备倒换系统的结构示意图。图1所示的是大多数主备倒换解决方案，整个主备倒换过程由软件实现：软件同时定期不断地通过两边CPU接收的状态字，来判断对端CPU的状态，同时控制主备状态指示信号。整个主备倒换过程全部都由软件实现，硬件只提供辅助通道的信息，例如状态字串并转换模块、定时电路、比较电路等。然而，现有技术一的基于软件的主备倒换仍然存在以下问题：控制模块有一根强制倒换的控制线引入到背板的连接器上，在插入过程中，因接触或上电等原因，可能会出现瞬间插入多次的情况，这样会产生争夺主用权现象；在程序跑飞，且看门狗(Watchdog)不正常工作的情况下，有可能会出现主控程序出错导致无法倒换的情况；当发生热插拔倒换的时候，软件需要检测单板是否正常工作，且根据情况分配主备信息。如果单板发生连续多次插拔抖动，软件需要处理多次这种中断，这样就会降低整个系统的性能；由于主备倒换主要依靠软件，所以无法实现快速纳秒级别的快速倒换；单板电路复杂，需要多个芯片进行协作，可靠性差。

图2示出了现有技术二的基于软件的主备仲裁算法的应用电路示意图。在该方法中，由后端的CPU系统判断两边的主备状态，根据实际情况分配主备。在这种方式中，CPU系统需要不断读取两边系统的工作状态，当处于主用的单板打算进行主备倒换时，将更换自身的主备信号，这时，处于备用的单板接收到这样的情况后，发生主备倒换。然而，现有技术二的基于软件的主备仲裁算法仍然存在以下问题：没有心跳检测机制，不知道对端设备是否正常运转，当软件主动进行命令行倒换的时候，会出现整个系统被挂死的风险；本方案至少需要两个逻辑器件和若干外围器件辅助，增加故障点，降低可靠性。

针对相关技术的无法保证主备倒换的快速性和稳定性的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种基于硬件的主备倒换仲裁方法，以解决现有技术中无法保证主备倒换的快速性和稳定性的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于硬件的主备倒换仲裁方法。该方法包括：热插拔单元对第一控制板和第二控制板进行检测，并将检测结果发送给主备倒换单元；主备倒换单元根据第一控制板的CPU和第二控制板的CPU各自的准备信号以及检测结果确定第一控制板和第二控制板的主备资格，并将主备资格发送给主备倒换仲裁器；主备倒换仲裁器根据主备资格自动执行对第一控制板和第二控制板的主备分配。

进一步地，热插拔单元对第一控制板和第二控制板进行检测包括：检测第一控制板和第二控制板是否在位，若是，则使能第一控制板和第二控制板的电源，并检测第一控制板和第二控制板的电源是否正常。

进一步地，在热插拔单元完成对第一控制板和第二控制板进行的检测后，第一控制板的CPU和第二控制板的CPU执行软件初始化，并将各自的准备信号发送给主备倒换单元。

进一步地，确定第一控制板和第二控制板的主备资格包括：当检测结果为第一控制板和第二控制板在位信号有效、电源正常信号有效、且各自的准备信号有效时，则根据各自的准备信号发送的先后顺序确定主备资格，先发送准备信号的控制板为主用控制板。

进一步地，确定第一控制板和第二控制板的主备资格包括：当检测结果为第一控制板的电源正常信号有效而第二控制板的电源正常信号无效，且第一控制板的CPU发出的准备信号有效时，则确定第一控制板为主用控制板。

进一步地，确定第一控制板和第二控制板的主备资格包括：当检测结果为第一控制板和第二控制板的在位信号有效、第一控制板和所述第二控制板的电源正常信号有效、且第一控制板的CPU发出的准备信号有效而第二控制板的CPU发出的准备信号无效时，则确定第一控制板为主用控制板。

进一步地，在主备倒换仲裁器执行完主备分配后，主备倒换仲裁器启动心跳检测模块以检测第一控制板和第二控制板的软件运行状态，若心跳检测模块检测到主用控制板的软件运行异常，则主备倒换仲裁器执行主备倒换。

进一步地，主备倒换时间为20ns。

进一步地，当主用控制板的准备信号置为无效时，则主备倒换仲裁器执行主备倒换。

进一步地，当主用控制板的在位信号、电源信号和准备信号均置为无效时，则主备倒换仲裁器执行主备倒换。

应用本发明的技术方案，采用基于硬件的主备倒换仲裁器实现主备倒换控制，无需软件参与，具有速度快、稳定性高的特点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术一的基于软件的主备倒换系统的结构示意图；

图2示出了现有技术二的基于软件的主备仲裁算法的应用电路示意图；

图3示出了根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁方法的流程图；

图4示出了根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁方法对应的应用结构示意图；以及

图5示出了根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明的目的在于提供一种新主备倒换的方法，以进一步提高系统主备倒换的可靠性和准确性。同时本发明和传统意义的主备倒换区别在于，一切的主备状态的切换，完全由硬件实现，不需要软件参与，保证了主备倒换的快速性和实时性。

图3示出了根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁方法的流程图。该方法包括：

S10，热插拔单元对第一控制板和第二控制板进行检测，并将检测结果发送给主备倒换单元。

S20，主备倒换单元根据第一控制板的CPU和第二控制板的CPU各自的准备信号以及检测结果确定第一控制板和第二控制板的主备资格，并将主备资格发送给主备倒换仲裁器。

S30，主备倒换仲裁器根据主备资格自动执行对第一控制板和第二控制板的主备分配。

应用本发明的技术方案，采用基于硬件的主备倒换仲裁器实现主备倒换控制，无需软件参与，具有速度快、稳定性高的特点。

具体地，在本实施例中，热插拔单元对第一控制板和第二控制板进行检测包括：检测第一控制板和第二控制板是否在位，若是，则使能第一控制板和第二控制板的电源，并检测第一控制板和第二控制板的电源是否正常。

在本实施例中，在热插拔单元完成对第一控制板和第二控制板进行的检测后，第一控制板的CPU和第二控制板的CPU执行软件初始化，并将各自的准备信号发送给主备倒换单元。

在本实施例中，可以通过以下步骤确定第一控制板和第二控制板的主备资格：当检测结果为第一控制板和第二控制板在位信号有效、电源正常信号有效、且各自的准备信号有效时，则根据各自的准备信号发送的先后顺序确定主备资格，先发送准备信号的控制板为主用控制板。

当然，还可以通过以下步骤确定第一控制板和第二控制板的主备资格：当检测结果为第一控制板的电源正常信号有效而第二控制板的电源正常信号无效，且第一控制板的CPU发出的准备信号有效时，则确定第一控制板为主用控制板。

还可以通过以下步骤确定第一控制板和第二控制板的主备资格：当检测结果为第一控制板和第二控制板的在位信号有效、第一控制板和所述第二控制板的电源正常信号有效、且第一控制板的CPU发出的准备信号有效而第二控制板的CPU发出的准备信号无效时，则确定第一控制板为主用控制板。

在本实施例中，在主备倒换仲裁器执行完主备分配后，主备倒换仲裁器启动心跳检测模块以检测第一控制板和第二控制板的软件运行状态，若心跳检测模块检测到主用控制板的软件运行异常，则主备倒换仲裁器执行主备倒换。其中，主备倒换时间为20ns。

在本实施例中，当主用控制板的准备信号置为无效时，则主备倒换仲裁器执行主备倒换。

在本实施例中，当主用控制板的在位信号、电源信号和准备信号均置为无效时，则主备倒换仲裁器执行主备倒换。

图4示出了根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁方法对应的应用结构示意图。图4中的信号的定义参照下述表1。

表1

信号名称	信号方向	信号意义	‘0’	‘1’
					CP0_ACT	0UT	主控板0主用状态指示	主控板0非主用	主控板0主用
CP0_PSV	OUT	主控板0备用状态指示	主控板0主用	主控板0非主用
					CP1_ACT	OUT	主控板1主用状态指示	主控板1非主用	主控板1主用
CP1_PSV	OUT	主控板1备用状态指示	主控板1主用	主控板1非主用
					CP0_PRST	IN	主控板0在位	主控板0在位	主控板0不在位
CP1_PRST	IN	主控板1在位	主控板1在位	主控板1不在位
					CP0_PWROK	IN	主控板0电源okay	主控板0电源故障	主控板0电源正常
CP1_PWROK	IN	主控板1电源okay	主控板1电源故障	主控板1电源正常
					CP0_PWREN	OUT	主控板0电源使能	主控板0电源使能	主控板0电源关闭
CP1_PWREN	OUT	主控板1电源使能	主控板1电源使能	主控板1电源关闭
					CP0_RDY	IN	主控板0准备好	主控板0没准备好	主控板0准备好
CP1_RDY	IN	主控板1准备好	主控板1没准备好	主控板1准备好
					Heart0_Beat	IN	主控板0心跳	主控板0产生心跳	主控板0没有心跳
Heartl_Beat	IN	主控板1心跳	主控板1产生心跳	主控板1没有心跳

其中Heart0_Beat和Heartl_Beat为脉冲信号。

下面结合图4详细描述根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁方法。首先，系统上电后，热插拔单元会检测两块主控板(还可以称为控制板)在位，随后使能两块控制板的电源让他们上电，最后判断电源是否正常。两块主控板都有平等的机会争夺主控权。热插拔单元将检测到的结果传送给主备倒换状态单元，作为主备倒换条件的一个参数。

主备倒换单元将准备(Ready)信号、热插拔单元传送过来的状态信息及从心跳检测单元传递过来的信号作为主备状态指示的参数，如果符合主控板在位，电源正常、软件准备好且心跳正常，则将主备判别情况下发，通知主备倒换仲裁器。

主备倒换仲裁器，仅起到主备分配作用。它接收主备倒换单元送过来的信号后，将主备状态如实的反映出来，自动配置主控板上各自的ACT和PSV信号。其中，所有进入仲裁器的信号在仲裁器内部都是经过去抖动处理。

最后，心跳检测模块，用于检测两块主控板软件是否运行正常。软件采用轮询方式，每隔一段时间，产生一个脉冲信号，用于清除心跳检测模块的计数器。这个计数器的值可以设置，最长255秒。如果长时间没有心跳，仲裁模块会根据相应状态发起主备倒换流程，或者复位整个系统。

所述的ACT和PSV是两根主备指示信号，每块主控板各有两根。其通信方式为异步方式。这两个信号是互斥的，即“01”和“10”，其余状态均为无效状态，这样能大大提高主备状态指示的可靠性。

Ready信号是主控板启动完成信号。系统全局复位后，主控板上的CPU会开始启动阶段，当启动完成后，CPU会下发一个指示，也就是Ready，表明CPU已经正常工作，CPU将Ready信号置高。最先Ready好的主控板，优先得到主控权。

本发明通过两块主控板的在位、电源正常指示和Ready信号来对整个系统主备情况进行监控，可准确的在第一时间完成主备切换，切换时间最短可在20ns以内。其中，实现对主备状态的监控主要是依靠电源正常指示和Ready信号实现的，通过对这两个信号的比较，获得精确的主备信息，大大简化了系统的复杂程度，提高了系统的可靠性和稳定性。本发明整个主备倒换都是由硬件实现，不受软件限制，比传统方案更加简单、可靠和稳定。

图5示出了根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁系统的结构示意图。下面结合图5详细描述根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁方法。

首先，系统上电后，热插拔单元最先开始工作。两块主控板都将Present信号和Power OK信号引入热插拔单元中，Present为低电平，表示单板在位；Power OK信号为高，表示单板电源正常。热插拔单元内部有热插拔流程控制状态机，这个状态机在检测到单板Present后，自动延时1ms，这里主要是考虑出现Present不稳的情况。如果1ms后，Present仍然有效，则打开单板电源使能信号。主控板根据上电时序，逐一上电，所有电源上好，整板全局复位解除后，Power OK信号有效，表明单板硬件初始化完成。主控板上的CPU开始进入Boot阶段，整个热插拔流程结束，同时热插拔单元将最后的结果以其中参数的形式，传递给主备倒换单元。

随后，主备倒换单元启动主备倒换状态监控状态机，等待Ready信号。Ready信号是由主控板上的CPU发出的，CPU硬件初始化后，需要进行软件初始化，CPU将Boot代码从ROM中搬移到内存中，进行解压缩，然后初始化CPU，包括对Cache的复位、设置，以及打通串口、初始化内存控制器等。软件初始化完成后，CPU将Ready信号拉高，向主备倒换仲裁器申请仲裁。仲裁器根据Ready先后顺序进行分配，即先来的Ready，优先获得主用权。

由于主控板硬件、软件初始化的时间可能不一致，因此主备倒换单元默认主控板0是主用的。如果检测到主控板0在位，则优先分配主控板0为主用。在这样的判决规则下，可能出现如下两种情况，下面具体分析如下：

主控板0的电源始终没有准备好。在这种情况下，主备倒换状态进入到Power OK等待状态，等待时间为1s。如果1s后，仍然检测到Power OK信号无效，则检测主控板1的Power OK信号，如果这个信号为高，则认为主控板0电源处于异常状态，直接判断主控板1是否具备主用资格。

主控板0的Ready信号无效。在这种情况下，主备倒换状态首先要检测一下主控板1的状态，单板是否在位，并且电源是否上好。这样可以保证在主控板0失效的时候，可以第一时间直接切换到主控板1。如果主控板1确实在位并且电源正常，状态机进入到延时状态，等待主控板0的Ready信号到来。如果5s后，仍然无法等到Ready，则主备倒换单元将主控权交给主控板1。

一旦系统明确主备状态，则主备倒换仲裁器启动心跳检测机制，心跳检测是从主控板上过来的一个脉冲信号，主控板上的应用软件每隔32s发送一个脉冲，表示主控板上的应用软件正常工作。一旦发生异常，主备倒换仲裁器将在32s后，或发生主备倒换，或复位整个系统。

系统发生主备倒换总共有三种情况：第一种是主用主控板软件异常倒换，第二种是命令行或软件主动倒换，最后一种是热插拔倒换。下面逐一分析者三种情况。

第一种情况，主用主控板软件异常。这种异常监控主要是依靠心跳检测实现的。32s之内如果没有下发心跳序列，则认为软件异常，主备倒换仲裁器不管Ready信号是否有效都将强制倒换。切换时间为20ns。

第二种情况，命令行或软件主动倒换。这种情况主要发生在主用主控板发现自己有潜在的异常，比如出现大量丢包或错包，内存出现坏块儿或者CPU内部FIFO出现大量溢出。软件主动发起主备倒换，具体方法是将Ready信号置为无效，则主备倒换仲裁器立刻分配另一块单板为主用。

最后一种情况，热插拔倒换。在主用主控板被拔出后，由于Present、Power OK和Ready全置为无效，则主备倒换条件一个都不满足，则立刻发生主备倒换。

无论是热插拔单元、心跳检测单元还是主备倒换单元，最后的核心部分仍然是主备倒换仲裁器，仲裁器根据优先原则，最先分配主用权，通过置相应的ACT和PSV来表明主用和备用。

根据本发明实施例的基于硬件的主备倒换仲裁方法可以应用到任何需要主备倒换的系统中。

目前本发明所采用的方式，仅仅是用很低速的逻辑器件，作为一个主备倒换仲裁器，仲裁器仅仅分配主用和备用状态，并将最后判决出来的结果传递给CPU系统，由CPU系统进行对高速数据、控制通道进行切换。这样做不但解决了高速系统中主备倒换的难题，而且也降低了开发成本和开发周期。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：输入端为两根信号，ACT和PSV，用于指示两个单板状态，“01”和“10”状态为有效状态，其余为无效状态，保证了主备倒换的可靠性；在程序跑飞的情况下，主用控制板无法下发心跳，如果在规定时间内，心跳仍然没有回复，则自行进行主备倒换，无需任何软件干预；主备倒换模块可应用到高速和低速系统中，由于是硬件实现仲裁功能，无需软件干预，拥有速度快，稳定性高的特点；所有进入仲裁器的信号在仲裁器内部都是经过去抖动处理，且去抖时间可以设置。这样做减少了亚稳态和不定态的发生，增强了系统可靠性；主备倒换模块内部100MHz参考时钟，如果所有条件都具备，则在20ns内实现快速倒换；单板电路简单，只需要一个芯片即可，简化了外围电路设计，减少了故障点；简化的通信信号，少量的控制信号即可提供主备切换所需的全部信息，简化系统设计。

即，主备倒换无需软件干预，可实现快速倒换，减少了系统倒换的时间，降低了系统因为倒换而造成的丢包，为系统快速倒换打下坚实基础。同时基于硬件的主备倒换仲裁器，不受软件控制，软件的任何内部缺陷(bug)都无法对它造成影响，这样就减少了故障点，增强了可靠性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于硬件的主备倒换仲裁方法，其特征在于，包括：

热插拔单元对第一控制板和第二控制板进行检测，并将检测结果发送给主备倒换单元；

所述主备倒换单元根据所述第一控制板的CPU和所述第二控制板的CPU各自的准备信号以及所述检测结果确定所述第一控制板和所述第二控制板的主备资格，并将所述主备资格发送给主备倒换仲裁器；

所述主备倒换仲裁器根据所述主备资格自动执行对所述第一控制板和所述第二控制板的主备分配；其中，

在所述热插拔单元完成对所述第一控制板和所述第二控制板进行的检测后，所述第一控制板的CPU和所述第二控制板的CPU执行软件初始化，并将所述各自的准备信号发送给所述主备倒换单元，所述主备倒换单元确定所述第一控制板和所述第二控制板的主备资格的步骤包括：当所述检测结果为所述第一控制板和所述第二控制板在位信号有效、电源正常信号有效、且所述各自的准备信号有效时，则根据所述各自的准备信号发送的先后顺序确定所述主备资格，先发送准备信号的控制板为主用控制板，

其中，所述热插拔单元对所述第一控制板和所述第二控制板进行检测包括：检测所述第一控制板和所述第二控制板是否在位，若是，则使能所述第一控制板和所述第二控制板的电源，并检测所述第一控制板和所述第二控制板的电源是否正常；

其中，所述方法还包括：在所述主备倒换仲裁器执行完主备分配后，所述主备倒换仲裁器启动心跳检测模块以检测所述第一控制板和所述第二控制板的软件运行状态，若所述心跳检测模块检测到所述主用控制板的软件运行异常，则所述主备倒换仲裁器执行主备倒换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述第一控制板和所述第二控制板的主备资格包括：当所述检测结果为所述第一控制板的电源正常信号有效而所述第二控制板的电源正常信号无效，且所述第一控制板的CPU发出的准备信号有效时，则确定所述第一控制板为主用控制板。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述第一控制板和所述第二控制板的主备资格包括：当所述检测结果为所述第一控制板和所述第二控制板的在位信号有效、所述第一控制板和所述第二控制板的电源正常信号有效、且所述第一控制板的CPU发出的准备信号有效而所述第二控制板的CPU发出的准备信号无效时，则确定所述第一控制板为主用控制板。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主备倒换时间为20ns。

5.根据权利要求2-3中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：当所述主用控制板的所述准备信号置为无效时，则所述主备倒换仲裁器执行主备倒换。

6.根据权利要求2-3中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：当所述主用控制板的在位信号、电源信号和准备信号均置为无效时，则所述主备倒换仲裁器执行主备倒换。