雙主機(jī)冗余顯示系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)

　　冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　冗余顯示系統(tǒng)采用了雙主機(jī)備份系統(tǒng)，一個(gè)主機(jī)在工作時(shí)候出現(xiàn)致命問題不能恢復(fù)時(shí)候，則由另外一臺(tái)主機(jī)接管其所有的業(yè)務(wù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用目前通用的工業(yè)計(jì)算機(jī)平臺(tái)PICMG1.3規(guī)范，將一塊PEX8696置于系統(tǒng)底板中，同時(shí)在底板設(shè)計(jì)2個(gè)符合PICMG1.3規(guī)范的插槽和16個(gè)PCIe×4的插槽。視頻輸入卡可以兼容多種視頻信號(hào)的輸入，包括了RGB、Video等信號(hào);視頻輸出采用GPU卡進(jìn)行硬件加速等各種圖象處理，支持多通道輸出。系統(tǒng)的架構(gòu)框圖如圖2，采用了目前常用的PCIe擴(kuò)展技術(shù)，將PCIe總線擴(kuò)展出16個(gè)×4的PCIe通道，其中8個(gè)×4通道供視頻數(shù)據(jù)輸入用，8個(gè)×4通道供GPU(圖像處理單元)處理顯示用。上行端口采用了兩個(gè)×16的PCIe通道連接了HOST1和HOST2，兩個(gè)主機(jī)通過橋芯片PEX8696的門鈴寄存器互通信息。當(dāng)HOST1出現(xiàn)致命錯(cuò)誤不能正常工作時(shí)候，可以在程序中預(yù)先設(shè)置流程，通過門鈴寄存器將此信息傳遞到HOST2;HOST2接收到此信息后，啟動(dòng)復(fù)位操作，對(duì)橋芯片進(jìn)行重新配置，屆時(shí)原來由HOST1控制的所有視頻輸入和GPU卡等將通過通道的重新配置進(jìn)入HOST2的監(jiān)管，同時(shí)也就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性。

　　主機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖見圖3[3]。任一主機(jī)上電時(shí)，進(jìn)人競爭及檢測狀態(tài)，競爭原則是先啟動(dòng)者為主機(jī);后啟動(dòng)者為備機(jī)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法包括：

　　(1)通過自檢，若主機(jī)發(fā)現(xiàn)自身有故障，在心跳寄存器和備機(jī)正常的條件下，經(jīng)過門鈴寄存器通知備機(jī)升為主機(jī)，本身轉(zhuǎn)人故障狀態(tài);

　　(2)若主機(jī)發(fā)生故障，不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)向備機(jī)發(fā)心跳信息及有關(guān)信息，備機(jī)經(jīng)核實(shí)主機(jī)已放棄主用狀態(tài)條件下，自動(dòng)轉(zhuǎn)入主機(jī)狀態(tài);

　　(3)備機(jī)自檢發(fā)現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)入故障狀態(tài);

　　(4)進(jìn)入故障狀態(tài)的設(shè)備給出報(bào)警信息，經(jīng)修復(fù)后進(jìn)入再次競爭狀態(tài)。

　　PEX8696中有一些比較特殊的寄存器功能，包括了門鈴寄存器和心跳消息。門鈴寄存器被用來從非透明橋的一邊向另一邊發(fā)送中斷。非透明橋的兩邊一般都有軟件可以控制的中斷請(qǐng)求寄存器和相應(yīng)的中斷屏蔽寄存器。這些寄存器在非透明橋的兩邊都是可以被訪問的。心跳消息一般來自主設(shè)備端往從設(shè)備端的主機(jī)，可用來指示它還活著。從設(shè)備主機(jī)可監(jiān)控主設(shè)備主機(jī)的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，它就可以采取一些必要的措施。通過門鈴寄存器可以傳送心跳消息。當(dāng)從設(shè)備主機(jī)沒有收到一定數(shù)量預(yù)先規(guī)定好的心跳消息時(shí)，就可以認(rèn)為主設(shè)備的主機(jī)出錯(cuò)了。本系統(tǒng)中就是采用了上述寄存器的特殊功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的監(jiān)控和工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的，下面將對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，主機(jī)2接管主機(jī)1的過程進(jìn)行詳細(xì)描述。

　　當(dāng)主機(jī)1工作時(shí)候，主機(jī)2處于待機(jī)模式。兩個(gè)主機(jī)之間通過心跳消息通信。正常工作過程中，主機(jī)處理器完成所有的正常職責(zé)，因?yàn)樗鲃?dòng)管理系統(tǒng)。此外，它還需要定時(shí)發(fā)送心跳消息給備份處理器。心跳消息是發(fā)起消息的處理器健康與否的標(biāo)志。心跳消息在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中同時(shí)也保護(hù)了一些特定的數(shù)據(jù)，以減少誤報(bào)警的可能性。心跳消息承擔(dān)了為備份處理器驗(yàn)證主機(jī)處理器功能是否正常的工作，同時(shí)，這一數(shù)據(jù)也提供所有外圍設(shè)備的最新活動(dòng)和狀態(tài)。如果備份主機(jī)不能及時(shí)地接收到心跳消息[4]，它將開始承擔(dān)控制。首先，它將主機(jī)1中的端口降為下行端口，以防止已經(jīng)發(fā)送故障的處理器與系統(tǒng)的其他部分交互。該變換是通過使用非透明橋端口中的BAR(基地址寄存器 )提供的寄存器CSR(空間配置寄存器)存儲(chǔ)器進(jìn)行地址映射[5]，以重新編程交換器的CSR來完成;接著，需要將主機(jī)2的端口配置成上行端口，把主機(jī)1的端口配置成非透明橋端口，同時(shí)拆除主機(jī)1的鏈路;然后，主機(jī)2通過操作橋控制寄存器，對(duì)原理主機(jī)1中的設(shè)備進(jìn)行重啟操作;最后，在清除了隊(duì)列中遺留的所有事務(wù)或者由于主機(jī)1發(fā)生故障而遺留的非完成狀態(tài)之后，主機(jī)2重新對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行枚舉，經(jīng)過枚舉后，系統(tǒng)開始正常運(yùn)行。

　　結(jié)語

　　本文主要針對(duì)目前在醫(yī)療、監(jiān)控等領(lǐng)域的高可靠性高清大屏的應(yīng)用，專門設(shè)計(jì)了一套雙主機(jī)冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了目前最新的PCIe總線技術(shù)，結(jié)合PLX公司提供高靈活性的透明橋芯片以及非透明橋技術(shù)，在不改變常規(guī)視頻顯示系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)的情況下，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅度提高，系統(tǒng)故障率降低到原來的50%;同時(shí)該系統(tǒng)采用了具有96個(gè)PCIe通道的橋芯片，大大減少了橋芯片的使用，降低了系統(tǒng)的成本。