基于Nios軟核處理器的溫備份智能容錯系統(tǒng)設(shè)計方案

1 引　言

隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，計算機應(yīng)用已經(jīng)早就從單機系統(tǒng)發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。但是隨著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的擴大，要保證整個大系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)就遠比保證單機系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)困難得多，不過只要處理好各個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系以及提高關(guān)鍵系統(tǒng)(服務(wù)器系統(tǒng))運行的可靠性，那么網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在某種程度上就比單機系統(tǒng)更有保障。

如何保證系統(tǒng)的可靠性，是當今科技應(yīng)用研究的熱點?，F(xiàn)在常用的方法是：采用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性。常用的技術(shù)有：冷備份、溫備份和熱備份。冷備份指后備系統(tǒng)未運行;溫備份指后備系統(tǒng)在工作系統(tǒng)停止之前啟動并同步后才能停止運行系統(tǒng);熱備份指后備系統(tǒng)運行并保持與工作系統(tǒng)時時同步。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點。熱備份需要時時保持后援系統(tǒng)與工作系統(tǒng)的狀態(tài)一致，那么后援系統(tǒng)必須時時運行，降低了系統(tǒng)的使用壽命，可冷備份又不能保證后援系統(tǒng)啟動后與工作系統(tǒng)的狀態(tài)一致。

2 實際中遇到問題的描述

該問題是在一個網(wǎng)絡(luò)ERP應(yīng)用系統(tǒng)中遇到的，在該系統(tǒng)中，所有客戶端運行的軟件都需要訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫，而客戶軟件記錄的是每天生產(chǎn)中的實時數(shù)據(jù)，這就必須保證數(shù)據(jù)庫服務(wù)器正常工作，否則整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就不能運行，這將導(dǎo)致停止生產(chǎn)，給公司造成巨大的損失。如何保證系統(tǒng)的可靠性，就成為問題的關(guān)鍵所在。本文根據(jù)冗余技術(shù)的相關(guān)理論，結(jié)合三種備份技術(shù)的優(yōu)缺點，使用溫備份技術(shù)，設(shè)計了一個基于Nios處理器的智能容錯系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

3 智能容錯系統(tǒng)的整體規(guī)劃

本文設(shè)計的系統(tǒng)可以在智能仲裁中制定系統(tǒng)的運行計劃，即：可以制定系統(tǒng)中兩個服務(wù)器的運行時間。在該系統(tǒng)中，每天兩臺服務(wù)器以12小時為單位交替運行。具體過程如下：

1)給智能仲裁器上電，然后按下仲裁器上的按鈕啟動一臺服務(wù)器，這臺服務(wù)器啟動后就開始工作。

2)工作服務(wù)器在更新數(shù)據(jù)庫的同時，通過串口通訊把相關(guān)同步信息發(fā)送給仲裁器(這里是操作數(shù)據(jù)庫的SQL語句)，仲裁器收到同步信息后就把這些信息存入與仲裁器相連接的IDE硬盤上(在同步信息不多的情況下，最好在仲裁器上使用Flash)。

3)當計劃時間到了后，仲裁器就啟動后援服務(wù)器，然后每隔一定的時間檢測啟動的后援服務(wù)器是否已經(jīng)到了可以工作的狀態(tài)。

4)如果在規(guī)定的檢測次數(shù)中，啟動的后援服務(wù)器還沒有到達可以工作的狀態(tài)，那么仲裁器就報警，提示用戶后援服務(wù)器出現(xiàn)故障了，這時就保持原工作服務(wù)器繼續(xù)運行。反之，如果在規(guī)定的檢測次數(shù)中檢測到后援服務(wù)器到達可以工作的狀態(tài)，就接著如下步驟運行。

5)仲裁器向后援服務(wù)器發(fā)送啟動同步的命令，后援服務(wù)器收到該命令后就通過串行口向仲裁器發(fā)送同步請求。

6)仲裁器收到后援服務(wù)器的同步請求后，就從硬盤中讀取同步信息并發(fā)送給后援服務(wù)器，后援服務(wù)器收到后就根據(jù)同步信息執(zhí)行同步操作(這里是運行操作數(shù)據(jù)庫的SQL語句)。

7)當同步工作完成后，后援服務(wù)器就給仲裁器發(fā)送同步完成的消息，仲裁器收到該消息后，就分別向兩臺服務(wù)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)配置信息(如：IP地址等)，以便命令各個服務(wù)器修改自己的網(wǎng)絡(luò)配置。

8)此時后援服務(wù)器已經(jīng)成為工作服務(wù)器了，仲裁器向原工作服務(wù)器發(fā)送關(guān)機命令，以便關(guān)閉原工作服務(wù)器使之成為后援服務(wù)器。

整個過程到此為止，以后就反復(fù)上述過程運行整個系統(tǒng)，該系統(tǒng)的整體框架如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

圖1是工作服務(wù)器未發(fā)生故障時的流程。實際上，在工作服務(wù)器工作期間，仲裁器會在一定的時間間隔(這個時間間隔可以通過仲裁器設(shè)置，如系統(tǒng)要求的實時性較高，該間隔就要設(shè)置短一些;反之，設(shè)置長一些)內(nèi)查詢服務(wù)器的狀態(tài)，從而得知服務(wù)器是否發(fā)生故障，如果發(fā)生故障，仲裁器就報警提示用戶，并且此時仲裁器啟動后援服務(wù)器。當仲裁器檢測到后援服務(wù)器可以工作時，就從硬盤上獲取同步信息進行后援服務(wù)器的同步工作。

4 智能容錯系統(tǒng)具體實現(xiàn)思想

4.1 硬件設(shè)計思想

本文討論的智能容錯系統(tǒng)，主要使用FPGA芯片，利用Nios軟核處理器強大的功能定制出一個滿足我們實際需要的SOC(系統(tǒng)級芯片)，并使用該芯片與相關(guān)的外圍電路以及配合一定的軟件設(shè)計，實現(xiàn)了一個智能仲裁器，其原理框圖[5]如圖2所示：

圖2 仲裁器的原理圖

下面對上述原理圖進行簡單的介紹：

1)通用IO口PIO1只是當作輸出口使用，用于控制連接/斷開服務(wù)器電源的兩個繼電器、表示服務(wù)器狀態(tài)的雙色發(fā)光二極管(紅綠兩種顏色)和用于顯示時間間隔(用于決定多長時間檢測服務(wù)器的狀態(tài))等級的一位八段數(shù)碼管。LED1、LED2分別用于指示兩臺服務(wù)器的工作狀態(tài)，綠色表示對應(yīng)服務(wù)器正在工作;紅色表示對應(yīng)服務(wù)器停止工作;紅色閃爍表示對應(yīng)服務(wù)器發(fā)生故障，此時蜂鳴器會發(fā)出報警聲音。上圖中沒有畫出相應(yīng)的驅(qū)動電路[7]。PIO1共占16位，高八位用于控制八段數(shù)碼管;0~3位用于控制兩個雙色發(fā)光二極管;4~5位用于控制兩個繼電器;6位用于控制蜂鳴器。

2)通用IO口PIO2只是當作輸入口使用，用于接受仲裁器上的控制按鍵。仲裁器上的SWA、SWB及SWL分別表示開啟A服務(wù)器、開啟B服務(wù)器及設(shè)置時間間隔等級的按鍵。SWA和SWB是開關(guān)型按鍵，即：按一下開，再按一下就關(guān)。SWL按鍵從0~9循環(huán)改變時間間隔的等級，并在八段數(shù)碼管上顯示等級。

3)IDE接口控制器是自定義用戶邏輯，用于訪問與仲裁器連接的IDE硬盤。

4)Timer1定時器用于控制各臺服務(wù)器的工作時間以及定時查詢服務(wù)器的工作狀態(tài)的，該定時器采用中斷方式工作。

5)Flash控制器，這里指的是CFI(Common Flash Interface)控制器，只要支持CFI命令的Flash都可以連接到該系統(tǒng)上。此處用于連接片外的16MB閃存，以便于存儲用戶程序和相關(guān)數(shù)據(jù)。在該仲裁器中，F(xiàn)lash的開始處保存Boot Loader，在系統(tǒng)啟動時，它把用戶程序復(fù)制到SDRAM中運行，這樣可以提高系統(tǒng)效率。

6)SDRAM控制器，用于連接片外64MB同步動態(tài)隨機訪問存儲器，以便于為程序提供運行環(huán)境。

7)UART0和UART1通過電平轉(zhuǎn)換芯片(MAX3232)轉(zhuǎn)換成RS-232電平以便與服務(wù)器通過串口通信。

8)WD Timer定時器，在這里作為看門狗定時器使用，以便提高仲裁器的可靠性，在仲裁器中運行的程序出現(xiàn)故障時，它給系統(tǒng)提供復(fù)位信號。

該系統(tǒng)是使用Quartus II進行硬件設(shè)計的，用其中的SOPC Builder工具[4]進行Avalon架構(gòu)設(shè)計，圖3是仲裁器的Avalon架構(gòu)的設(shè)計最終界面。由于篇幅有限，此處僅提供UART0、UART1和IDE硬盤相關(guān)的部分原理圖，如圖4所示。

圖3 SOPC Builder設(shè)計界面

圖4 部分原理圖

4.2 軟件設(shè)計思想

以上主要介紹了硬件部分的設(shè)計思想，下面簡單描述一下軟件開發(fā)的相關(guān)思想。該仲裁器的軟件開發(fā)使用Nios IDE[6](Nios集成開發(fā)環(huán)境)，主要包括如下模塊：

1)狀態(tài)獲取模塊：該模塊被Timer1定時器中斷例程定期調(diào)用，主要用于獲取服務(wù)器的當前狀態(tài)，其設(shè)計流程如圖5所示：

圖5 狀態(tài)獲取模塊流程

2)顯示模塊：用于輸出用戶關(guān)心的信息，如根據(jù)服務(wù)器的狀態(tài)用不同顏色點亮雙色發(fā)光二極管、顯示當前時間間隔等級以及控制蜂鳴器報警。

3)通訊模塊：主要用于與服務(wù)器進行通訊，以便給服務(wù)器發(fā)送命令以及獲得工作服務(wù)器的同步信息并把同步信息寫入硬盤中。

4)按鍵處理模塊：用于處理用戶按鍵，根據(jù)不同的按鍵進行不同的控制，如：開/關(guān)繼電器以及設(shè)置時間間隔等級。

5)硬盤訪問模塊：用于提供對硬盤進行讀寫操作的函數(shù)，以便需要操作硬盤的模塊調(diào)用。

6)讀寫Flash的模塊：用于讀取/修改仲裁器的相關(guān)參數(shù)，如：各服務(wù)器運行時間，檢測服務(wù)器狀態(tài)的時間間隔等。

5 結(jié) 論

本文提出的軟硬件設(shè)計思想經(jīng)實踐證明是可行的，并且在實際的系統(tǒng)中工作良好。該思想可以進一步推廣到多機容錯系統(tǒng)中。在多機系統(tǒng)中，我們在定制好各臺機器的工作計劃后，就可以利用本文提到的給每臺服務(wù)器一個計劃運行時間這一思想來解決實際問題。另外，使用Nios軟核處理器，可以定制很多的UART口，這一點就遠遠優(yōu)于需要擴展串口電路的普通單片機，從而在硬件設(shè)計和軟件設(shè)計上大大降低了難度。

本文作者創(chuàng)新點：1) 采用SOC(系統(tǒng)級芯片)設(shè)計出溫備份高速仲裁器。2) 將同步信息放到了仲裁器中。這樣，所有同步信息就不依賴于工作設(shè)備(如PC機)，所以即使工作設(shè)備出現(xiàn)故障也無妨，這樣就大大提高了系統(tǒng)的可靠性。3) 能夠?qū)ぷ髟O(shè)備進行計劃定制，傳統(tǒng)的溫備份仲裁器沒有這一功能。

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