雙主機(jī)冗余顯示系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)

　　摘要：根據(jù)大屏幕行業(yè)應(yīng)用的高可靠性要求，設(shè)計(jì)了雙主機(jī)冗余視頻顯示方案。利用目前最新的PCI Exrpess總線技術(shù)，在橋芯片PEX8696的基礎(chǔ)上搭建雙主機(jī)通信通道，通過非透明橋的心跳寄存器傳送主機(jī)的信息，從而實(shí)現(xiàn)了從機(jī)對(duì)主機(jī)工作監(jiān)控的功能，達(dá)到高可靠性的要求。在系統(tǒng)啟動(dòng)初期，針對(duì)可能出現(xiàn)的情況，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制，保證冗余系統(tǒng)的正常啟動(dòng)和運(yùn)行。分析結(jié)果表明，該視頻冗余的設(shè)計(jì)機(jī)制合理，系統(tǒng)中各狀態(tài)轉(zhuǎn)換安全，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：冗余;非透明橋;視頻顯示;PCI Express;PEX8696

　　冗余系統(tǒng)的重要性

　　近年來，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域各行業(yè)都非常重視信息化建設(shè)，對(duì)信息的可視化需求也急劇擴(kuò)大，特別是一些監(jiān)控中心、指揮中心、調(diào)度中心等重要場(chǎng)所的需要，人們對(duì)于觀看的顯示圖像尺寸的要求越來越大，對(duì)顯示圖像提供的信息量要求越來越多，人們要求可以在一個(gè)超大尺寸的屏幕上同時(shí)顯示多個(gè)不同信息的圖像和文字信息，要求大屏幕的各個(gè)單元顯示的圖像能夠?qū)崿F(xiàn)無縫連接。隨著大屏幕拼墻應(yīng)用領(lǐng)域的不斷推廣，在醫(yī)療影像、指揮調(diào)度中心等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了高可靠性的需求，而且這種需求非常迫切。如在臨床手術(shù)中，醫(yī)療影像的中斷可能會(huì)威脅到一個(gè)病人的生命，這些需求促使人們開發(fā)高可靠性視頻顯示系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)的可靠性體現(xiàn)在很多方面，包括了元器件的選擇、降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等。冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)即為了保險(xiǎn)起見，采取兩套同樣配置的硬件、軟件，目的是在其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一套系統(tǒng)能立即啟動(dòng)，并代替工作，這好比演員的替身，兩套完整好用的系統(tǒng)也許單獨(dú)運(yùn)行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改變內(nèi)部設(shè)計(jì)的情況下，這套系統(tǒng)的穩(wěn)定性立即可以大幅度提高!假如單獨(dú)系統(tǒng)的故障率為50%，而冗余系統(tǒng)馬上可以將故障率降低到25%。本文主要從主機(jī)冗余的角度考慮，目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有備份功能的視頻顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)將采用PCI Express協(xié)議和透明橋技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙主機(jī)冗余設(shè)計(jì);利用PLX公司的橋接芯片PEX 8696將雙主機(jī)連接起來實(shí)現(xiàn)主機(jī)備份功能。

　　PCI Express總線

　　PCI Express是新一代的總線接口。早在2001年的春季，英特爾公司就提出了要用新一代的技術(shù)取代PCI總線和多種芯片的內(nèi)部連接，并稱之為第三代I/O總線技術(shù)。它徹底變革原來的PCI總線的并行技術(shù)，克服PCI總線在系統(tǒng)帶寬、傳輸速度等方面的缺陷。它的優(yōu)越性能滿足了計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域時(shí)于I/O數(shù)據(jù)傳輸高速度和高可靠性的要求。

　　與原有的PCI總線相比較，PCI Express總線具有以下特點(diǎn)。

　　(1)在數(shù)據(jù)傳輸模式上，PCIe總線采用雙通道串行傳輸模式。一條PCIe通道包含2對(duì)LVDS差分線對(duì)，一對(duì)負(fù)責(zé)發(fā)送，一對(duì)負(fù)責(zé)接收，目前PCIe 2.0單向的數(shù)據(jù)率為5Gbit/s。

　　(2)與PCI總線上所有沒備共享一條總線不同，PCIe總線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，能夠?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備分配獨(dú)立的通道資源，充分保障設(shè)備的帶寬，提高數(shù)據(jù)傳輸率，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備并行工作。

　　(3)具有很好的靈活性，一個(gè)PCIe物理連接可以根據(jù)實(shí)際需求配置成×l、×2、×4，×8、×16、×32個(gè)并行的數(shù)據(jù)通道，以滿足不同設(shè)備之間通信帶寬的要求。

　　(4)在軟件層與PCI總線完全兼容。原有的總線的驅(qū)動(dòng)程序可以完全移植到PCIe總線架構(gòu)的系統(tǒng)中。

　　(5)串行連接采用自時(shí)鐘技術(shù)，時(shí)鐘內(nèi)嵌于串行數(shù)據(jù)的8bit/10bit編碼中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸率的自適應(yīng)調(diào)整。

　　(6)串行數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?/p>

　　在大屏幕拼接顯示領(lǐng)域，由于顯示單元數(shù)目比較多，需要同時(shí)接入多個(gè)數(shù)據(jù)卡，PCIe總線擴(kuò)展技術(shù)顯得非常關(guān)鍵。利用透明橋芯片，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)PCIe總線的擴(kuò)展。我們的系統(tǒng)需要一個(gè)能支持較多PCIe通道，同時(shí)支持多主機(jī)連接和容錯(cuò)機(jī)制的橋芯片。經(jīng)過對(duì)多個(gè)芯片手冊(cè)的研究，我們發(fā)現(xiàn)PLX公司的一款芯片PEX8696非常適合這套冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。該芯片符合PCIe2.0規(guī)范[2]，并且兼容PCIe1.1規(guī)范，包含了PCIe電源管理特性;支持Base Mode(基本模式)和Visual Switch Mode(虛擬開關(guān)模式)的PCIe擴(kuò)展;具有96個(gè)PCIe通道，每個(gè)通道功率最大僅僅為900mW;具有24個(gè)端口，端口通道可以靈活配置，同時(shí)支持均衡和非均衡端口配置功能;支持多主機(jī)功能和容錯(cuò)功能，包括了1+1容錯(cuò)和N+1容錯(cuò)功能;無阻塞的芯片架構(gòu)，PICe的數(shù)據(jù)包交換時(shí)間小于150ns;支持非透明橋功能;配置靈活，支持硬連接配置、EEPROM配置、SMBUS(系統(tǒng)管理總線)配置和主機(jī)軟件配置四種方式。圖1為PEX8696芯片內(nèi)部模塊圖[2]，從圖中我們可以看到該芯片96個(gè)PCIe通道分別在6個(gè)Station內(nèi)，各個(gè)Station是分別獨(dú)立的，通過內(nèi)在的Fabric連接起來;邏輯模塊承擔(dān)了大部分芯片功能的實(shí)現(xiàn)，如PCIe協(xié)議實(shí)現(xiàn)、通道的管理和仲裁功能、芯片配置功能等;Packet Ram模塊主要是提供數(shù)據(jù)的緩沖功能。