CN1197018C - 一种实现双系统槽的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现双系统槽的装置与方法，通过在两系统槽之间建立三套PCI总线，其中的一套用以交换两系统板的系统管理信息和备份数据，另外两套是系统板控制外围板的连线，并建立一套合理的主备倒换工作流程，使得主系统板发生故障时，备用系统板能及时接管各种任务处理，实现无缝倒换，主用系统板得到及时维修更换。本发明可广泛应用于通信和计算机控制领域的CPCI系统中，具有高可靠性和容错性，达到电信级的要求主备倒换水平。
Description
技术领域：
本发明涉及通信、计算机控制领域的小型PCI(Compact PCI，简称CPCI)系统的备份技术，具体涉及在CPCI系统中通过PCI总线实现可互相备份，内存共享以及快速交换数据的双系统槽的装置和方法。
背景技术：
Compact PCI技术基于传统的桌面PCI技术，并针对工业和嵌入式应用需求在机械结构，高可靠性方面作了有益的改进。自Compact PCI规范(Compact PCI Specification，Revision 2.1)发布以来，基于CPCI的产品得到了广泛应用。为了指导CPCI技术的应用，PCI工业计算机行业协会(PICMG)也发布了许多相关规范，得到了业界的广泛认同。目前，CPCI系统在通信、计算机控制、工业控制等领域有着广泛的应用，但是，由于PICMG发布的规范中没有涉及到系统槽主备的相关技术，使得CPCI技术在需要高容错性能的电信级产品中的应用比较少见。
目前，基于CPCI技术的产品当中，比较典型的设计是一个系统槽加上最多七个外围槽，系统槽上的控制板作为整个CPCI系统的控制核心，来协调其余外围板的工作，外围板能够做到备份，而核心控制板无法备份，这对电信用户来说，比较难以接受。在此基础上，PICMG又发布了CPCI双系统槽规范(PICMG2.7，Compact PCI 6U Dual System SlotSpecification)，业界也推出了双系统槽双CPCI总线的产品，至于两个系统槽之间如何备份，PICMG没有制定相关规范，因此，有的产品就通过I2C总线互连方式或以太网来实现系统槽的备份。两个系统槽之间的系统管理信息和备份数据均通过I2C总线或以太网来交换。电信产品要求系统主备倒换速度快，同时不能影响现有业务的处理，这就要求备用系统随时更新业务和状态数据，与主用系统保持同步，无论有无发生倒换都有大量的数据需要进行交换。I2C总线作为用于IC间通信的一种高速串行总线，其支持的最高速率在几Mbit/s数量级，很难满足这种电信级要求；更为严重的灾难是当主用系统板突然失效(如程序跑飞，对外界不作任何响应)，此时往往有大量的电信业务参数保存在主用系统内存中，备用系统板要接替失效的主用系统板继续工作，做到平滑倒换，就一定要获得这些电信业务参数数据，无论采用I2C还是以太网，因为由此两种技术完成通信功能还需要主控制器和程序代码的过多干预，当主控制器的失效时，无法得到这些关键的电信业务参数数据，不可避免地会在主备倒换过程中产生短时的业务失败，这当然不是最好的主备倒换解决方案。
发明内容：
本发明的目的之一是提供一种应用于CPCI系统实现双系统槽的装置，使得互为主备的系统之间能够完全透明地访问对端系统的内存，无需对主控制器和程序的干预，以满足电信级的设备的要求。
本发明的目的之二在CPCI系统中实现双系统槽的方法，使互为主备的系统之间的倒换灵活方便，并具有高可靠性、高容错能力，达到满足电信级要求的主备系统槽实现方法。
本发明提供了一种在双系统槽的Compact PCI系统中实现系统槽主备倒换的装置，该装置包含：三套PCI总线和两块互为备份的第一、第二系统板；
第一PCI总线用于两块系统板同一组外围板互连，第二PCI总线用于两块系统板同另一组外围板互连，第三PCI总线用于两块系统板之间的通讯；
第一系统板包含：连接局部PCI总线和第一PCI总线的第一PCI透明桥，连接局部PCI总线和第二PCI总线的第二PCI透明桥，完成外围板热拔插处理的第一热拔插控制器，提供中央资源的第一特殊PCI总线中央资源控制器，第一PCI非透明桥和第一总线开关高阻复接在一起并连接于第三PCI总线与局部PCI总线之间，完成PCI总线资源的重新分配、PCI器件驱动程序的加载和卸载的第一主控制器部分；
第二系统板包含：连接局部PCI总线和第一PCI总线的第三PCI透明桥，连接局部PCI总线和第二PCI总线的第四PCI透明桥，完成外围板热拔插处理的第二热拔插控制器，提供中央资源的第二特殊PCI总线中央资源控制器，第二PCI非透明桥和第二总线开关高阻复接在一起并连接于第三PCI总线与局部PCI总线之间，完成PCI总线资源的重新分配、PCI器件驱动程序的加载和卸载的第二主控制器部分。
本发明上述装置实现双系统槽主备倒换的具体工作步骤如下：
第一步，系统上电，通过主备互控机制完成上电主备竞争，之后一块系统板工作于主用状态，另一块系统板工作于备用状态；
两块系统板分别完成操作系统和应用业务软件加载，主用系统板负责对外围板进行资源配置和管理，系统进入正常工作状态；
主备用系统板通过第三PCI总线实现内存互访，实时更新业务数据，保持业务数据的同步；
第二步，备用系统板实时检测主用系统板的工作状态，当备用系统板检测到主用系统板处于故障状态时，将进行一系列主备倒换处理，系统进入主备倒换状态；主备倒换处理完成以下工作：
1)备用系统板通过第三PCI总线将主用系统板内存中的业务数据备份到该备用系统板的内存中；
2)备用系统板等待第一、第二PCI总线空闲，通过主备互控信号将主用系统板第一热拔插控制器(HSC)及第一特殊PCI总线中央资源控制器的功能禁止，同时启动备用系统板内的第二热拔插控制器(HSC)及第二特殊PCI总线中央资源控制器；
3)备用系统板成为主用，开始响应新的业务请求；
第三步，原主用系统板变为备用系统板，处于备用工作状态。
附图说明：
结合附图和实例进一步说明本发明的特点，在附图中：
图1是本发明实现双系统槽的装置的构成图；
图2是本发明实现双系统槽的方法的工作步骤图；
图3为实施本发明的CPCI系统各槽位连接信号及功能框图；
图4为作备份通道的第三PCI总线实现主备切换的连接和功能示意图；
具体实施方式：
图1的装置构成和图2的工作步骤流程在前面已经作了详细的说明，在此就不再赘述。
如图3所示，背板设计成16个槽位和三套PCI总线，第二PCI总线用于两块系统板同右边六块外围板互连，第一PCI总线用于两块系统板同左边六块外围板互连，第三总线(图示J3处)用于两块系统板之间的通讯。H.110 CT BUS总线/100BaseT以太网线主要用于CPCI系统与外部业务数据流的交互。
本发明有两个具体特征：
第一个具体特征在于作为双系统槽的互连通道是PCI总线。两块系统板之间通过第三PCI总线进行信息交互，更为具体的表现就是：第一系统板把板上部分(或全部)内存通过第三PCI总线映射到第二系统板可访问的内存空间里，这样，第二系统板的CPU就可以把这块内存当作是本板自带的内存进行直接操作；反之亦然。系统板内PCI总线和背板上第三PCI总线通过PCI桥及总线开关隔离，具体连接和功能示意如图4。第一、二系统板均包含一个PCI桥和一个总线开关，高阻复接在一起连到背板第三PCI总线上，PCI桥为非透明桥。当第一系统板主用时，第一系统板上的第一PCI非透明桥由第一系统板配置后，处于工作状态，第一系统板上的第一总线开关处于断开状态(相连的PCI信号呈高阻态)；同时第二系统板为备用板，第二系统板上的第二PCI非透明桥呈高阻态挂在第三PCI总线上，第二系统板上的第二总线开关则处于闭合状态(正常工作状态)。当第一系统板对第二系统板上的内存进行操作时，其过程如下：第一系统板CPU经局部PCI总线，对第一系统板的第一PCI非透明桥原边进行操作，第一系统板的第一PCI非透明桥响应此操作后，在次边第三PCI总线上产生相应操作，经背板第三PCI总线，传到第二系统板后，经第二系统板的第二总线开关传到第二系统板局部PCI总线上，然后再传到相应内存上，从而完成整个操作；第二系统板对第一系统板上的内存操作也是经过同样的过程。
第二个具体特征在于，CPCI系统双系统槽的设计实现需要硬件技术和软件技术协同完成。通过对传统Compact PCI总线结构的改进，不仅支持I/O槽的热插拔，同时支持系统槽的热插拔，真正做到业务在主备系统上的平滑切换，提供电信级应用的可靠性。硬件提供物理连接手段及相关逻辑控制，软件进行底层硬件驱动及倒换、配置的灵活控制。两块系统板互为主备用时，只有主用系统板作为整个第一PCI总线的主控设备，负责总线的仲裁、配置、管理等，主用系统板需要对自身的PCI桥作配置，同时还需要对第一PCI总线上的外围板的PCI桥次边作配置，此时备用系统板上的PCI桥次边信号呈三态高阻方式挂在第一PCI总线上，即备用系统板在整个第一PCI总线上不可见。在整个第一PCI总线看来，主用系统板可以通过该总线直接操作外围板上的内存，外围板也可以通过该总线直接操作主用系统板上的内存，任一外围板也可以通过该总线直接操作其它外围板上的内存。针对第二PCI总线，也作完全一样的设计。在背板第一PCI总线和第二PCI总线上，两块系统板的PCI桥都是直接挂在总线上的，差别在于主用系统板上的PCI桥处于正常工作状态，备用系统板上的PCI桥则处于高阻状态，当发生主备倒换时，首先通过主备互控信号置背板第一、二PCI总线空闲，然后在背板Compact PCI总线时钟的低电平时把主用系统板的PCI桥设置为高阻状态，此后通过信号线通知备用系统板可以成为主用，同时原主用板立即变为备用，备用系统板收到“可以成为主用”的信号后，在PCI时钟的低电平时，激活本板PCI桥，对背板第一、二PCI总线取得控制权，然后再把背板Compact PCI总线由高阻状态设置为正常工作状态。这样一来，整个主备倒换过程对外围板而言是不可见的，做到了无缝倒换。对背板第三PCI总线上的主备倒换完全类似，稍有不同就是在操作相应的PCI桥时需同时操作总线开关。
以下对主备倒换处理步骤的具体内容作进一步的详细说明：
正常工作时，假定第一系统板工作在主用状态，相应地通过第一PCI透明桥控制第一PCI总线，通过第二PCI透明桥控制第二PCI总线，第一热插拔控制器(HSC1)完成各外围板的热拔插处理，第一特殊PCI总线中央资源控制器提供各种中央资源，第一系统板上的第一主处理器部分(CPU)完成各种业务处理，外围板热拔插软件处理，包括PCI总线资源的重新分配、PCI器件驱动程序的加载和卸载。第二系统板工作在备用状态，通过第三PCI总线与主用系统板实现内存互访，随时更新业务数据，与主用系统板保持重要业务数据的同步。第二系统板同时负责侦测主用板的工作状态，以求在主用系统发生故障时，能及时接管各种任务处理，完成平滑切换。第二系统板的第二热插拔控制器(HSC2)及第二特殊PCI总线中央资源控制器的各种输出信号呈高阻状态，相应的功能被屏蔽。
当第二系统板侦测到第一系统板发生故障时，首先通过第三PCI总线将第一系统板内存中的重要业务数据备份到自己的内存中，同时读取HSC1和第一特殊PCI总线中央资源控制器中的状态信息，然后等待第一、第二PCI总线空闲，通过主备互控信号将HSC1及第一特殊PCI总线中央资源控制器的功能禁止，同时启用板内的HSC2及第二特殊PCI总线中央资源控制器，并把第二特殊PCI总线中央资源控制器的仲裁器置于单主(ONE MASTER)模式，只响应第二系统板对第一、第二PCI总线的访问请求，接着第二系统板扫描第一、第二PCI总线，搜索可能执行危险操作的PCI器件(如该器件中断功能开放，该器件对第一系统板的内存有访问权，或该器件位于一失控的板卡上，包括系统板和外围板)，并停掉这些器件的功能(等重新编程后再使用)。此时，将第二特殊PCI总线中央资源控制器的仲裁器置于多主(MULTIPLE MASTER)模式，第二系统板根据备份的业务数据处理未完成的业务请求，同时可以响应新的业务请求，从而顺利完成了第一、第二系统板之间主备的平滑切换。
当第二系统板处于主用状态，第一系统板处于备用状态，发生倒换时工作原理完全类似。当发生手动人工倒换而非故障倒换时，工作原理也完全相似。值得一提的是第一、第二PCI总线上的中央资源(包括仲裁信号，时钟信号和复位信号)在第一、第二特殊PCI总线中央资源控制器之间切换时，先使备用板上的特殊PCI总线中央资源控制器有效，再将主用板上的中央资源控制器信号置为三态高阻，以防止信号处于短暂的不定态，时钟信号由主备互控逻辑处理，确保不出现短周期。
从以上的说明可以看出本发明由于在主备系统板上通过PCI总线实现了内存共享，因为PCI技术提供了紧耦合的通信方式，在初始化配置完成后，互为主备的系统可以完全透明地访问对端系统的内存，而无需对端主控制器和程序的干预，得到相关的电信业务参数数据就变得非常容易。
本发明的实现双系统槽的装置和方法已在一个实验性的CPCI系统中得到应用，经过测试，可以在不影响外围板工作的情况下实现主备系统的平滑切换。本发明的思想可以应用到类似系统中，以尽可能地减少系统中断时间，使系统的可靠性达到电信级的要求。
Claims (7)
1.一种实现双系统槽的装置，包括：三套PCI总线和两块互为备份的第一、第二系统板；
第一PCI总线用于两块系统板同一组外围板互连，第二PCI总线用于两块系统板同另一组外围板互连，第三PCI总线用于两块系统板之间的通讯；
第一系统板包含：连接局部PCI总线和第一PCI总线的第一PCI透明桥，连接局部PCI总线和第二PCI总线的第二PCI透明桥，完成外围板热拔插处理的第一热拔插控制器，提供中央资源的第一特殊PCI总线中央资源控制器，第一PCI非透明桥和第一总线开关高阻复接在一起并连接于第三PCI总线与局部PCI总线之间，完成PCI总线资源的重新分配、PCI器件驱动程序的加载和卸载的第一主控制器部分；
第二系统板包含：连接局部PCI总线和第一PCI总线的第三PCI透明桥，连接局部PCI总线和第二PCI总线的第四PCI透明桥，完成外围板热拔插处理的第二热拔插控制器，提供中央资源的第二特殊PCI总线中央资源控制器，第二PCI非透明桥和第二总线开关高阻复接在一起并连接于第三PCI总线与局部PCI总线之间，完成PCI总线资源的重新分配、PCI器件驱动程序的加载和卸载的第二主控制器部分。
2.一种在权利要求1所述的装置中实现双系统槽的方法，其特征在于，实现的工作步骤为：
第一步，系统上电，通过主备互控机制完成上电主备竞争，之后一块系统板工作于主用状态，另一块系统板工作于备用状态；
两块系统板分别完成操作系统和应用业务软件加载，主用系统板负责对外围板进行资源配置和管理，系统进入正常工作状态；
主备用系统板通过第三PCI总线实现内存互访，实时更新业务数据，保持业务数据的同步；
第二步，备用系统板实时检测主用系统板的工作状态，当备用系统板检测到主用系统板处于故障状态时，将进行一系列主备倒换处理，系统进入主备倒换状态；主备倒换处理完成以下工作：
1)备用系统板通过第三PCI总线将主用系统板内存中的业务数据备份到该备用系统板的内存中；
2)备用系统板等待第一、第二PCI总线空闲，通过主备互控信号将主用系统板第一热拔插控制器及第一特殊PCI总线中央资源控制器的功能禁止，同时启动备用系统板内的第二热拔插控制器及第二特殊PCI总线中央资源控制器；
3)备用系统板成为主用，开始响应新的业务请求；
第三步，原主用系统板变为备用系统板，处于备用工作状态。
3.根据权利要求2所述的实现双系统槽的方法，其特征在于，所述的主用系统板通过第三PCI总线与备用系统板实现内存互访的过程是：
主用系统板的第一PCI非透明桥由系统配置为工作状态，第一总线开关由系统配置为断开状态，备用系统板的第二PCI非透明桥呈高阻态挂接在第三PCI总线上，备用系统板的第二总线开关处于闭合状态；
主用系统板第一主控制器部分经局部PCI总线，对主用系统板第一PCI非透明桥原边进行操作，主用系统板第一PCI非透明桥响应此操作后，在次边上产生相应操作，经背板第三PCI总线，传到备用系统板后，经备用系统板的第二总线开关传到备用系统板局部PCI总线上，然后再传到相应内存上；备用系统板对主用系统板上的内存操作也是经过同样的过程。
4.根据权利要求2所述的实现双系统槽的方法，其特征在于，主备倒换处理之前，主用系统板的第一PCI透明桥处于正常工作状态，备用系统板的第二PCI透明桥处于高阻状态。
5.根据权利要求2所述的实现双系统槽的方法，其特征在于，主备倒换处理之前，主用系统板的第一热拔插控制器和第一特殊PCI总线中央资源控制器处于正常工作状态，备用系统板的第二热拔插控制器和第二特殊PCI总线中央资源控制器的输出信号呈高阻状态，相应的功能被屏蔽。
6.根据权利要求2所述的实现双系统槽的方法，其特征在于，所述的主备倒换处理过程中启动备用系统板的第二热拔插控制器和第二特殊PCI总线中央资源控制器时，先将该第二特殊中央资源控制器中的仲裁器置于单主模式，等待停掉所有执行危险操作的PCI器件的功能后再将所述的仲裁器置于多主模式。
7.根据权利要求2所述的实现双系统槽的方法，其特征在于，所述的主备倒换处理过程中，先使备用系统板的第二特殊PCI总线中央资源控制器有效，再将主用系统板上的第一特殊PCI总线中央资源控制器信号置为高阻。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170907 Address after: 450003 No. 1, building 168, 119 health Road, Jinshui District, Henan, Zhengzhou, China Patentee after: Guo Lijun Address before: 518057 Department of law, Zhongxing building, South Science and technology road, Nanshan District hi tech Industrial Park, Shenzhen Patentee before: ZTE Corporation |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Guo Lijun Inventor before: Wang Chengzhong Inventor before: Wang Xin Inventor before: Li Guangnian Inventor before: Li Mu |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20050413 Termination date: 20180301 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |