CPCI總線的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時(shí)應(yīng)具有開放性和良好的可擴(kuò)展性，以適應(yīng)不斷變化的應(yīng)用環(huán)境和需求;系統(tǒng)中各模塊分工處理不同類型數(shù)據(jù)，應(yīng)具有相對(duì)的獨(dú)立自主性，同時(shí)又在不同的層次上相互關(guān)聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)相互訪問(wèn)和協(xié)同工作;系統(tǒng)也應(yīng)具有良好的集成性，在功能層次上需要有效的組件構(gòu)造框架，在組件層次上則應(yīng)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺(tái)[1]。

基于以上分析，我們選用CPCI總線作為分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)。CPCI總線技術(shù)是PCI總線技術(shù)和成熟的歐式卡組裝技術(shù)的結(jié)合，在電氣、邏輯和軟件功能方面，它與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，又突破了PCI標(biāo)準(zhǔn)4個(gè)插槽的限制，相較于VME總線模塊價(jià)位低，具有開放性、易于擴(kuò)展、高密度等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)達(dá)到99.999%的高可用性。采用CPCI總線技術(shù)以及硬件接口設(shè)計(jì)規(guī)范，能運(yùn)用其多模塊插卡式的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，支持多業(yè)務(wù)的分布式處理，并實(shí)現(xiàn)模塊化數(shù)據(jù)處理單元的無(wú)縫連接，為分布式數(shù)據(jù)交換提供高速、可靠的保證，非常適合作為分布式系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理通信平臺(tái)，也適于在通信及嵌入式系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用[2-4]。

本文給出一種基于CPCI總線的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持多種分組交換業(yè)務(wù)的處理及數(shù)據(jù)交互。文章首先給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計(jì)，并針對(duì)分布式業(yè)務(wù)處理模塊跨總線通信的難點(diǎn)，提出基于“抽屜機(jī)制”的報(bào)文存儲(chǔ)和地址信息維護(hù)策略，描述了數(shù)據(jù)無(wú)干擾傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，最后給出技術(shù)總結(jié)和展望。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

我們所設(shè)計(jì)的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中不同設(shè)備板卡獨(dú)立對(duì)相應(yīng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)進(jìn)行互通，并維護(hù)各自的路由表獨(dú)立完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)將與特定業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的接口分布到各種設(shè)備板卡中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的接入信道適配，并將各類網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分布到各板卡進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了集中配置與分布式接入和數(shù)據(jù)處理的完美結(jié)合。

在CPCI分布總線架構(gòu)中，背板為總線交換提供物理連接、電路保證，背板上系統(tǒng)插槽提供總線仲裁、時(shí)鐘分配和背板上各板卡重新啟動(dòng)等功能;外設(shè)插槽上可安放簡(jiǎn)單的接口板、智能從屬裝置或總線控制裝置[2,3]。每塊CPCI板卡均有處理器和嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，處理器采用Motorola的PowerPC-860，同時(shí)采用PLX公司的9054和9056PCI橋芯片在PowerPC-860和CPCI總線之間架起一條高效穩(wěn)定的傳輸橋梁。PLX9054/9056芯片實(shí)現(xiàn)了CPCI主控設(shè)備的功能，支持PCI2.2規(guī)程，簡(jiǎn)化了對(duì)連接PowerPC的設(shè)計(jì)，兼容性較好，很容易擴(kuò)展成66MHz時(shí)鐘及64bit的PCI總線，特別是PLX9056內(nèi)嵌總線仲裁器，能減小系統(tǒng)規(guī)模，使系統(tǒng)更穩(wěn)定[5]。

圖1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2系統(tǒng)資源共享與信息互通

系統(tǒng)采用基于CPCI的單總線多處理器/多操作系統(tǒng)的分布式架構(gòu)，系統(tǒng)中各塊板卡均擁有獨(dú)立的CPU和操作系統(tǒng)、地址和內(nèi)存空間以及獨(dú)立的I/O和中斷，可獨(dú)立完成數(shù)據(jù)操作，每塊板卡可看作一臺(tái)計(jì)算機(jī)主機(jī)。分布式系統(tǒng)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一個(gè)全連通的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠直接訪問(wèn)其它節(jié)點(diǎn);從CPCI總線傳輸?shù)慕嵌瓤矗胁宀凵系陌蹇ǘ际菍?duì)等的，都能夠充當(dāng)master主動(dòng)發(fā)起總線傳輸。針對(duì)這種基于總線的分布式架構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了跨總線的內(nèi)存訪問(wèn)機(jī)制，將系統(tǒng)中其它板卡的系統(tǒng)內(nèi)存或者設(shè)備內(nèi)存（比如內(nèi)存擴(kuò)展卡）映射到本地地址空間，然后以與系統(tǒng)內(nèi)存相同的方式訪問(wèn)被映射的內(nèi)存，這樣每塊板卡都能夠訪問(wèn)到總線上其他板卡的內(nèi)存資源了。

2.3統(tǒng)一規(guī)范的訪問(wèn)接口

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信道適配接入分布式系統(tǒng)，語(yǔ)音、X.25、串口數(shù)據(jù)等非IP數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)適配模塊轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中各板卡的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和交互。各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)掛接在嵌入式系統(tǒng)中相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用CPCI總線驅(qū)動(dòng)提供的統(tǒng)一接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)與總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)控制橋芯片進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、中斷產(chǎn)生等工作，生成相應(yīng)的總線操作將數(shù)據(jù)送往總線;接收數(shù)據(jù)時(shí)，總線驅(qū)動(dòng)響應(yīng)中斷，接收總線上相應(yīng)地址段的數(shù)據(jù)，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、其他中斷產(chǎn)生等操作。我們采用Linux操作系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于UNIX的socket機(jī)制，系統(tǒng)協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)程序之間通過(guò)專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（sk_buff）傳遞數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核與CPCI總線間數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示：

圖2數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.關(guān)鍵技術(shù)

3.1報(bào)文存儲(chǔ)的“抽屜機(jī)制”

系統(tǒng)中各板卡共用一條CPCI總線，我們提出基于“抽屜機(jī)制”的報(bào)文存儲(chǔ)策略，以保證板卡間數(shù)據(jù)無(wú)干擾傳輸。在板卡加入系統(tǒng)的初始化階段，系統(tǒng)板為總線上每塊板卡分配獨(dú)立的PCI總線地址區(qū)間，其他板卡向其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)寫往指定地址區(qū)域。一塊板卡會(huì)接收來(lái)自不同板卡的數(shù)據(jù)，為避免各板卡往同一基址發(fā)送數(shù)據(jù)所引起的干擾，同一板卡地址區(qū)域內(nèi)又為其他板卡分配大小相同的獨(dú)立讀寫空間，我們將它命名為“抽屜”。這樣來(lái)自某板卡的數(shù)據(jù)會(huì)被送到其對(duì)應(yīng)“抽屜”，每次數(shù)據(jù)依序存放而非覆蓋，以保證板卡數(shù)據(jù)處理時(shí)間。當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超出抽屜剩余空間時(shí)，則似環(huán)狀buffer從頭開始存放。“抽屜機(jī)制”如圖3所示，左邊方塊代表總線上不同板卡，右邊則是PCI總線地址空間。板卡B對(duì)應(yīng)地址范圍從a點(diǎn)到e點(diǎn)，其中ab點(diǎn)之間空間僅用于板卡A向B進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，bc點(diǎn)之間空間僅用于板卡C向B進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，以此類推。