基于BF537的雙冗余以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
鮑敬源 現(xiàn)代電子技術(shù)
摘要： 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信也顯得越發(fā)重要，以太網(wǎng)也成為了各種控制系統(tǒng)接口互聯(lián)的主要媒介。在金融機(jī)構(gòu)、政府部門(mén)、軍事應(yīng)用等特殊應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高，為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗毀性，常常采用雙冗余的設(shè)計(jì)方式。雙冗余網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是以故障檢測(cè)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件檢查、交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)卡協(xié)同處理共同完成的。冗余網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式通常是在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用雙網(wǎng)卡，中間用兩個(gè)HUB或交換機(jī)相連。這樣當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的一塊網(wǎng)卡、網(wǎng)線(xiàn)或者HUB出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)馬上啟用另一塊冗余網(wǎng)卡使得系統(tǒng)仍能夠正常運(yùn)行。本文基于BF537提出了兩種冗余網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方案和實(shí)現(xiàn)方法。
Abstract：
Key words :
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信也顯得越發(fā)重要，以太網(wǎng)也成為了各種控制系統(tǒng)接口互聯(lián)的主要媒介。在金融機(jī)構(gòu)、政府部門(mén)、軍事應(yīng)用等特殊應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高，為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗毀性，常常采用雙冗余的設(shè)計(jì)方式。雙冗余網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是以故障檢測(cè)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件檢查、交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)卡協(xié)同處理共同完成的。冗余網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式通常是在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用雙網(wǎng)卡，中間用兩個(gè)HUB或交換機(jī)相連。這樣當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的一塊網(wǎng)卡、網(wǎng)線(xiàn)或者HUB出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)馬上啟用另一塊冗余網(wǎng)卡使得系統(tǒng)仍能夠正常運(yùn)行。本文基于BF537提出了兩種冗余網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方案和實(shí)現(xiàn)方法。
1 BF537結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
BF537是Blackfin家族的升級(jí)產(chǎn)品，其在標(biāo)準(zhǔn)Blackfin內(nèi)核的基礎(chǔ)上擁有更加豐富的接口，并在內(nèi)部集成了一個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器。BF537的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
Blackfin內(nèi)核包含2個(gè)乘／累加器(MAC)，2個(gè)40位的ALU，4個(gè)視頻專(zhuān)用8位ALU和1個(gè)40位移位器。運(yùn)算單元處理來(lái)自寄存器組的8位、16位或者32位數(shù)據(jù)。每個(gè)MAC每周期可完成一個(gè)16位乘16位的乘法運(yùn)算，并把結(jié)果累加到40位的累加器中，提供8位的精度擴(kuò)展。ALU單元執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，由于2個(gè)ALU具備對(duì)16位或32位數(shù)據(jù)操作的能力，因此運(yùn)算單元具備的靈活性可以滿(mǎn)足各種應(yīng)用中信號(hào)處理的要求。每個(gè)32位的輸入寄存器可以作為2個(gè)16位的寄存器，因此每個(gè)ALU可以完成非常靈活的單16位算術(shù)運(yùn)算。通過(guò)把寄存器當(dāng)作2個(gè)16位的操作數(shù)使用，雙16位或單32位操作可以在1個(gè)周期中完成。更好地利用第二個(gè)ALU，四個(gè)16位操作可以簡(jiǎn)單地完成，加速了每個(gè)周期的吞吐量。強(qiáng)大的40位移位器功能豐富，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行移位、循環(huán)移位、歸一化、提取和存儲(chǔ)等操作。運(yùn)算單元所使用的數(shù)據(jù)來(lái)自具有16個(gè)16位操作數(shù)或8個(gè)32位操作數(shù)的寄存器組。
同時(shí)BF537把存儲(chǔ)器視為一個(gè)統(tǒng)一的4 GB的地址空間，使用32位地址并采用分級(jí)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。Level(L1)存儲(chǔ)器一般以全速運(yùn)行，沒(méi)有或只有很少的延遲。Level 2(L2)／Level 3(L3)分布在片內(nèi)或片外，對(duì)它的訪(fǎng)問(wèn)會(huì)耗費(fèi)多個(gè)處理器周期。在L1級(jí)，指令存儲(chǔ)器只存放指令，2個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)，一個(gè)專(zhuān)用的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放堆棧和局部變量信息。在L2／L3級(jí)可以存放指令和數(shù)據(jù)。
2 雙冗余以太網(wǎng)構(gòu)建方案
從硬件角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(PHY)兩大部分構(gòu)成，本文從是否具備獨(dú)立的MAC控制器出發(fā)提出了兩種不同的構(gòu)建雙冗余以太網(wǎng)的方案。
2．1 基于獨(dú)立MAC控制器的設(shè)計(jì)方案
上文中提到，BF537在內(nèi)部集成了一個(gè)支持IEEE802．3 MAC控制層協(xié)議的MAC控制器，只需要在外部外接一個(gè)以太網(wǎng)接口芯片，便可以形成一個(gè)完整的以太網(wǎng)通道。因此本文選擇了SMSC公司的LAN8187，它提供了標(biāo)準(zhǔn)的MII總線(xiàn)接口，可以方便地與BF537相連接，連接方式如圖2所示。其中在MII總線(xiàn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，MDC和MDIO則用來(lái)完成對(duì)接口芯片LAN8187寄存器的讀寫(xiě)。本文在下面稱(chēng)由BF537的MAC控制器與物理層接口芯片LAN8187構(gòu)成的以太網(wǎng)通道為主網(wǎng)絡(luò)通道。
如果要求雙冗余網(wǎng)絡(luò)通道擁有獨(dú)立的MAC控制器，則需在BF537外部擴(kuò)展一個(gè)以太網(wǎng)控制器，見(jiàn)圖2，選擇同樣來(lái)自于SMSC公司的LAN91C-111，通過(guò)BF537的外部總線(xiàn)與之相連。選擇LAN91C111的16位總線(xiàn)工作方式，其A0～A15與BF537的地址總線(xiàn)相連，DO～D15與BF537的數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連，并由BF537的AMS信號(hào)控制LAN91C111的片選，外部PF管腳來(lái)響應(yīng)來(lái)自L(fǎng)AN91C111的中斷請(qǐng)求。
具有獨(dú)立MAC控制器的雙冗余以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。
2．2 基于共用MAC控制器的設(shè)計(jì)方案
從應(yīng)用角度分析，即使系統(tǒng)擁有獨(dú)立的MAC控制器，在實(shí)際應(yīng)用中也需要要求兩個(gè)MAC控制器擁有相同的物理地址，因?yàn)槿鬗AC地址不同，冗余切換將引起協(xié)議層中ARP綁定表的變化，重新映射ARP表中物理地址和IP地址之間的關(guān)系將增加冗余切換的時(shí)間，影響到網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性。
因此本文提出了一套MAC控制器，兩個(gè)以太網(wǎng)接口芯片的方案。該設(shè)計(jì)方案通過(guò)一片CPLD將BF537的MII總線(xiàn)分別轉(zhuǎn)接到兩片LAN8187上，并由BF537來(lái)控制轉(zhuǎn)接的時(shí)機(jī)，如圖3所示。這樣形成了兩個(gè)以太網(wǎng)通信通道，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了冗余切換的實(shí)時(shí)性。
3 冗余切換軟件設(shè)計(jì)
3．1 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)
冗余切換的實(shí)現(xiàn)首先在于對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，本文中檢測(cè)的方法基于LAN8187的寄存器。LAN8187寄存器定義如表1所示。其中，Basic Control Register為基本控制寄存器，通過(guò)配置其各位，可以完成芯片軟復(fù)位、lO／100 MHz選擇、全雙工／半雙工選擇、LookBack模式選擇、自協(xié)商等功能。Basic Status Register為基本狀態(tài)寄存器，對(duì)其查詢(xún)可以得到自協(xié)商結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)物理連接狀態(tài)等網(wǎng)絡(luò)基本狀態(tài)。PHY IdenTIfier 1／PHY Identitier 2兩個(gè)寄存器標(biāo)識(shí)了芯片的Chip ID。
因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際上就是實(shí)時(shí)讀取Basic Status Register，并對(duì)結(jié)果做出判斷。
3．2 程序設(shè)計(jì)
可以通過(guò)操作BF537的寄存器EMAC_STAADD完成其對(duì)LAN8187寄存器的讀寫(xiě)。
對(duì)LAN8187寄存器讀寫(xiě)的函數(shù)定義為：
u16 RdPHYReg(u16 PHYAddr，u16 RegAddr)；
void WrPHYReg(u16 PHYAddr，u16 RegAddr，u32 Data)；
其中PHYAddr為芯片的物理地址，RegAddr為寄存器地址。
對(duì)Basic Status Register的監(jiān)測(cè)采用輪詢(xún)的機(jī)制，即設(shè)定一個(gè)信號(hào)量Link_status，其周期為2ms，因此每隔2 ms，Ether_moniter線(xiàn)程被觸發(fā)一次。在Ether_moniter中通過(guò)調(diào)用RdPHYReg()函數(shù)，讀取Basic Status Register的值，并判斷Link位。Ether-moniter線(xiàn)程流程圖如圖4所示。
對(duì)于設(shè)計(jì)方案1來(lái)講，當(dāng)檢測(cè)到需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)，需要停用當(dāng)前網(wǎng)卡初始化備用網(wǎng)絡(luò)LAN91C111并設(shè)定相同的lP地址以及MAC地址。對(duì)于方案2，則只需要通知CPLD將通道切換至備用的LAN8187接口。
4 冗余切換測(cè)試
用Visual C++6．O開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的上位機(jī)測(cè)試程序，每隔1 ms發(fā)送一個(gè)UDP數(shù)據(jù)報(bào)，并給每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)編寫(xiě)不同的序號(hào)。在BF537中編寫(xiě)程序不斷接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)。然后制造網(wǎng)絡(luò)通信故障，本文構(gòu)建的冗余網(wǎng)絡(luò)將會(huì)自動(dòng)切換到備用通道繼續(xù)接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)報(bào)。最后通過(guò)檢測(cè)接收到數(shù)據(jù)報(bào)的序號(hào)來(lái)確定冗余切換所消耗的時(shí)間。分別對(duì)兩種方案所構(gòu)建的冗余網(wǎng)絡(luò)的切換進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出方案2具有快速切換的優(yōu)點(diǎn)，丟包率低；方案1平均丟包數(shù)遠(yuǎn)大于方案2，并且切換時(shí)間長(zhǎng)。
5 結(jié)語(yǔ)
提出了兩種基于BF537構(gòu)建雙冗余以太網(wǎng)的方案，分別論述了其原理、器件選擇、連接方法，并做出軟件設(shè)計(jì)。最后經(jīng)過(guò)測(cè)試，方案2的切換效果和時(shí)間非常理想，最終在實(shí)際項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。
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