基于BF537構建雙冗余以太網(wǎng)的設計方案

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )通信顯得越發(fā)重要，以太網(wǎng)成為了各種控制系統接口互聯(lián)的主要媒介。在金融機構、軍事應用等特殊應用場(chǎng)合對網(wǎng)絡(luò )系統的穩定性要求非常高，為了提高系統的可靠性和抗毀性，采用雙冗余的設計方式。雙冗余網(wǎng)絡(luò )實(shí)現是以故障檢測為基礎，通過(guò)軟件檢查、交換機及網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的網(wǎng)卡協(xié)同處理。冗余網(wǎng)絡(luò )的構建方式通常是在每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用雙網(wǎng)卡，中間用2個(gè)HUB或交換機相連。這樣當某個(gè)節點(diǎn)的一塊網(wǎng)卡、網(wǎng)線(xiàn)或者HUB出現故障時(shí)，系統會(huì )啟用另一塊冗余網(wǎng)卡使得系統仍能夠正常運行。本文提出了兩種基于BF537的冗余網(wǎng)絡(luò )構建方案。

　　1 BF537的結構特點(diǎn)

　　BF537是Blackfin家族的升級產(chǎn)品，其在標準Blackfin內核的基礎上擁有豐富接口，并在內部集成有以太網(wǎng)MAC控制器。Blackfin內核包含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。運算單元處理來(lái)自寄存器組的8、16或32位數據。每個(gè)MAC每周期可完成一個(gè)16位×16位的乘法運算，并把結果累加到40位的累加器中，提供8位的精度擴展。ALU單元執行標準的算術(shù)和邏輯運算，由于2個(gè)ALU具備對16或32位數據操作的能力，因此運算單元具備的靈活性可以滿(mǎn)足各種應用中信號處理的要求。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)運算。通過(guò)把寄存器當作2個(gè)16位的操作數使用，雙16位或單32位操作可以在一個(gè)周期中完成。更好地利用第2個(gè)ALU，4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。強大的40位移位器功能豐富，可以對數據進(jìn)行移位、循環(huán)移位、歸一化、提取和存儲等操作。運算單元所使用的數據來(lái)自具有16個(gè)16位操作數或8個(gè)32位操作數的寄存器組。

　　同時(shí)BF537把存儲器視為統一的4 GB的地址空間，使用32位地址并采用分級的存儲器結構。Level 1(L1)存儲器一般以全速運行，沒(méi)有或只有很少延遲。Level 2(L2)/Level 3(L3)分布在片內或片外，對其訪(fǎng)問(wèn)會(huì )耗費多個(gè)處理器周期。在L1級，指令存儲器只存放指令，2個(gè)數據存儲器存放數據，1個(gè)專(zhuān)用的臨時(shí)數據存儲器存放堆棧和局部變量信息。在L2/L3級可以存放指令和數據。

　　2 雙冗余以太網(wǎng)構建方案

　　以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口(PHY)兩大部分構成，這里從是否具備獨立的MAC控制器出發(fā)提出了2種不同的構建雙冗余以太網(wǎng)的方案。

　　2.1 基于獨立MAC控制器的設計方案(方案1)

　　BF537內部集成了一個(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)接口器件，便可以形成一個(gè)完整的以太網(wǎng)通道。因此選擇了SMSC公司的LAN8187，它提供了標準的MII總線(xiàn)接口，方便地與BF537相連接，連接方式如圖1所示。在MII總線(xiàn)上進(jìn)行數據的收發(fā)，MDC和MDIO則用來(lái)完成對接口芯片LAN8187寄存器的讀寫(xiě)。以下稱(chēng)由BF537的MAC控制器與物理層接口芯片LAN8187構成的以太網(wǎng)通道為主網(wǎng)絡(luò )通道。

　　如果要求雙冗余網(wǎng)絡(luò )通道擁有獨立的MAC控制器，則需要在BF537外部擴展一個(gè)以太網(wǎng)控制器，如圖1所示，選擇同樣來(lái)自于SMSC公司的LAN91C111，通過(guò)BF537的外部總線(xiàn)與之相連。選擇LAN91C111的16位總線(xiàn)工作方式使其A0～A15與BF537的地址總線(xiàn)相連，D0～D15與BF537的數據總線(xiàn)相連，并由BF537的AMS信號控制LAN9lClll的片選，外部PF引腳來(lái)響應來(lái)自L(fǎng)AN91C111的中斷請求。

　　2.2 基于共用MAC控制器的設計方案(方案2)

　　從應用角度分析，即使系統擁有獨立的MAC控制器，在實(shí)際應用中也要求2個(gè)MAC控制器擁有相同的物理地址，因為若MAC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 )通信的實(shí)時(shí)性。

　　因此提出一套MAC控制器，2個(gè)以太網(wǎng)接口芯片的設計方案。該設計方案通過(guò)1片CPLD將BF537的MII總線(xiàn)分別轉接到2片IAN8187上，并由BF537來(lái)控制轉接的時(shí)機。這樣形成了2個(gè)以太網(wǎng)通信通道，大大簡(jiǎn)化了設計，提高了冗余切換的實(shí)時(shí)性。該設計方案如圖2所示。

　　3 冗余切換軟件設計

　　3.1 網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)監測

　　冗余切換的實(shí)現首先在于對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，其檢測的方法是基于LAN8187的寄存器，表1為IAN8187寄存器的定義。