CN1373427A - 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
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。
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，PCIT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。
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，无需对端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系统板；
Compact PCI总线A用于两块系统板(1和2)同外围板(1到6)互连，Compact PCI总线B用于两块系统板同外围板(7到12)互连，Compact PCI总线C用于两块系统板(1和2)之间的通讯；
系统板1包含：连接局部PCI总线和Compact PCI总线A的PCI透明桥1，连接局部总线和Compact PCI总线B的PCI透明桥2，完成外围板热拔插处理的热拔插控制器1(HSCl)，特殊的PCI总线中央资源控制器1(提供时钟、仲裁、复位)，PCI非透明桥1和总线开关1高阻复接在一起并连接于Compact PCI总线C与局部PCI总线之间，主控制器部分完成各种业务包括PCI总线资源的重新分配，PCI器件驱动程序的加载和卸载；
系统板2包含：连接局部PCI总线和Compact PCI总线A的PCI透明桥3，连接局部总线和Compact PCI总线B的PCI透明桥4，完成外围板热拔插处理的热拔插控制器2(HSC2)，特殊的PCI总线中央资源控制器2(提供时钟、仲裁、复位)，PCI非透明桥2和总线开关2高阻复接在一起并连接于Compact PCI总线C与局部PCI总线之间，主控制器部分完成各种业务包括PCI总线资源的重新分配，PCI器件驱动程序的加载和卸载。
本发明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，此时系统中与主备保护机制相关的功能模块主要完成以下功能：
主备系统板通过Compact PCI总线C与实现内存互访，随时更新业务数据，保持重要业务数据的同步；
备用系统板实时侦测主用系统板的工作状态，力求在主用系统发生故障时，能及时接管各种任务处理，完成主备用系统的切换；
第二步，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；主备倒换处理主要完成以下一些工作：
1)备用系统板通过Compact PCI总线C将主用系统板内存中的重要业务数据备份到自己的内存中；
2)备用系统板等待Compact PCI总线A，B空闲，通过主备互控信号将主用系统板HSC及特殊的PCI总线中央资源控制器的功能禁止，同时启用备用系统板内的HSC及特殊中央资源控制器；
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，此时可以对其热插拔，以便于更换维修。
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Compact PCI总线C实现主备切换的连接和功
能示意图；
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，Compact PCI总线B用于两块系统板同右边六块外围板互连，Compact PCI总线A用于两块系统板同左边六块外围板互连，Compact PCI总线C(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PCI总线进行信息交互，更为具体的表现就是：左边系统板把板上部分(或全部)内存通过PCI总线映射到右边系统板可访问的内存空间里，这样，右边系统板的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Compact PCI总线C通过PCI桥及总线开关隔离，具体连接和功能示意如图4。左右边系统板均包含一个PCI桥和一个总线开关，高阻复接在一起连到背板Compact PCI总线C上，PCI桥为非透明桥。当左边系统板主用时，左板上的PCI桥由左系统板配置后，处于工作状态，左板上的总线开关处于断开状态(相连的PCI信号呈高阻态)；同时右边系统板为备用板，右板上的PCI桥呈高阻态挂在PCI总线上，右板上的总线开关则处于闭合状态(正常工作状态)。当左边系统板对右边系统板上的内存进行操作时，其过程如下：左板CPU经局部PCI总线，对左板PCI非透明桥原边进行操作，左板PCI非透明桥响应此操作后，在次边PCI总线上产生相应操作上背板Compact PCI总线C，传到右边系统板后，经右板总线开关传到右边系统板局部PCI总线上，然后再反映到相应内存上，从而完成整个操作；右边系统板对左边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Compact PCI总线A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Compact PCI总线A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Compact PCI总线A上，即备用系统板在整个Compact PCI总线A上不可见。在整个Compact PCI总线A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Compact PCI总线B，也作完全一样的设计。在背板CompactPCI总线A和Compact PCI总线B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Compact PCI总线A、B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Compact PCI总线A、B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Compact PCI总线C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，假定系统板1工作在主用状态，相应地通过PCI透明桥1控制Compact PCI总线A，通过PCI透明桥2控制Compact PCI总线B，HSCl完成各外围板的热拔插处理，特殊的PCI总线中央资源控制器提供各种中央资源，系统板1上的主处理器完成各种业务处理，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。系统板2工作在备用状态，通过PCI总线C与主用系统板实现内存互访，随时更新业务数据，与主要系统板保持重要业务数据的同步。系统板2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。系统板2的HSC2及特殊中央资源控制器2的各种输出信号呈高阻状态，相应的功能被屏蔽。
当系统板2侦测到系统板1发生故障时，首先通过Compact PCI总线C将系统板1内存中的重要业务数据备份到自己的内存中，同时读取HSCl和特殊中央资源控制器1中的状态信息，然后等待Compact PCI总线A，B空闲，通过主备互控信号将HSCl及特殊中央资源控制器1的功能禁止，同时启用板内的HSC2及特殊中央资源控制器2，并把特殊中央资源控制器2的仲裁器置于单主(ONE MASTER)模式，只响应系统板2对Compact PCI总线A和B的访问请求，接着系统板2扫描Compact PCI总线A和B，搜索可能执行危险操作的PCI器件(如该器件中断功能开放，该器件对系统板1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，将特殊中央资源控制器2的仲裁器置于多主(MULTIPLE MASTER)模式，系统板2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，从而顺利完成了系统板1和2之间主备的平滑切换。
当系统板2处于主用状态，系统板1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Compact PCI总线A和B上的中央资源(包括仲裁信号，时钟信号和复位信号)在特殊中央资源控制器1和2之间切换时，备用板上的中央资源控制器有效在先，主用板上的中央资源控制器信号置为三态高阻在后，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系统板；
PCI总线A用于两块系统板(1和2)同一组外围板互连，PCI总线B用于两块系统板同另一组外围板互连，PCI总线C用于两块系统板(1和2)之间的通讯；
系统板1包含：连接局部PCI总线和PCI总线A的PCI透明桥1，连接局部总线和PCI总线B的PCI透明桥2，热拔插控制器1(HSC1)完成外围板热拔插处理，提供各种中央资源的特殊的PCI总线中央资源控制器1，PCI非透明桥1和总线开关1高阻复接在一起并连接于PCI总线C与局部PCI总线之间，主控制器部分完成各种业务包括PCI总线资源的重新分配，PCI器件驱动程序的加载和卸载；
系统板2包含：连接局部PCI总线和PCI总线A的PCI透明桥3，连接局部总线和PCI总线B的PCI透明桥4，完成外围板热拔插处理的热拔插控制器2(HSC2)，提供各种中央资源的特殊的PCI总线中央资源控制器2，PCI非透明桥2和总线开关2高阻复接在一起并连接于PCI总线C与局部PCI总线之间，主控制器部分成各种业务包括PCI总线资源的重新分配，PCI器件驱动程序的加载和卸载。
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；
主备系统板通过Compact PCI总线C与实现内存互访，随时更新业务数据，保持重要业务数据的同步；
备用系统板实时侦测主用系统板的工作状态，在主用系统发生故障时，能及时接管各种任务处理，完成主备用系统的切换；
第二步，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；主备倒换处理主要完成以下一些工作：
1)备用系统板通过Compact PCI总线C将主用系统板内存中的重要业务数据备份到自己的内存中；
2)备用系统板等待Compact PCI总线A，B空闲，通过主备互控信号将主用系统板HSC及特殊中央资源控制器的功能禁止，同时启用备用系统板内的HSC及特殊中央资源控制器；
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，此时可以对其热插拔，以便于更换维修。
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，所述的主系统板通过Compact PCI总线C与备用系统板实现内存互访的过程是：
主系统板的PCI非透明桥由系统配置为工作状态，总线开关由系统配置为断开状态，备用系统板的PCI非透明桥呈高阻态挂接在Compact PCI总线C上，备用板的总线开关处于闭合状态；
主系统板CPU经局部PCI总线，对主系统板PCI非透明桥原边进行操作，主系统板PCI非透明桥响应此操作后，在次边上产生相应操作上背板CompactPCI总线C，传到备用系统板后，经备用板总线开关传到备用系统板局部PCI总线上，然后再反映到相应内存上，从而完成整个操作；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，主用系统板的PCI透明桥处于正常工作状态，备用系统板的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，主用系统板的热拔插控制器和特殊的PCI总线中央控制器处于工作状态，备用系统板的热拔插控制器和特殊的PCI总线中央控制器的各种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，所述的主备倒换过程中启动备用板的HSC和特殊的PCI总线中央控制器时，先将中央控制器中的仲裁器置于单主模式，等待停掉所有可能执行危险操作的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，所述的主备倒换过程中在主备系统板的两个特殊的PCI总线中央控制器之间切换时，备用系统板的中央控制器有效在先，主用板上的中央资源控制器信号置为高阻在后。
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