CPCI總線(xiàn)的分布式系統設計應用

大規模系統應采用分布式網(wǎng)絡(luò )架構，同時(shí)應具有開(kāi)放性和良好的可擴展性，以適應不斷變化的應用環(huán)境和需求;系統中各模塊分工處理不同類(lèi)型數據，應具有相對的獨立自主性，同時(shí)又在不同的層次上相互關(guān)聯(lián)，能實(shí)現相互訪(fǎng)問(wèn)和協(xié)同工作;系統也應具有良好的集成性，在功能層次上需要有效的組件構造框架，在組件層次上則應有統一的數據交互平臺[1]。

基于以上分析，我們選用CPCI總線(xiàn)作為分布式系統的數據通信平臺。CPCI總線(xiàn)技術(shù)是PCI總線(xiàn)技術(shù)和成熟的歐式卡組裝技術(shù)的結合，在電氣、邏輯和軟件功能方面，它與PCI標準完全兼容，又突破了PCI標準4個(gè)插槽的限制，相較于VME總線(xiàn)模塊價(jià)位低，具有開(kāi)放性、易于擴展、高密度等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)達到99.999%的高可用性。采用CPCI總線(xiàn)技術(shù)以及硬件接口設計規范，能運用其多模塊插卡式的設計優(yōu)點(diǎn)，支持多業(yè)務(wù)的分布式處理，并實(shí)現模塊化數據處理單元的無(wú)縫連接，為分布式數據交換提供高速、可靠的保證，非常適合作為分布式系統業(yè)務(wù)處理通信平臺，也適于在通信及嵌入式系統中的廣泛應用[2-4]。

本文給出一種基于CPCI總線(xiàn)的通信系統設計，系統采用分布式網(wǎng)絡(luò )架構，支持多種分組交換業(yè)務(wù)的處理及數據交互。文章首先給出系統結構及原理設計，并針對分布式業(yè)務(wù)處理模塊跨總線(xiàn)通信的難點(diǎn)，提出基于“抽屜機制”的報文存儲和地址信息維護策略，描述了數據無(wú)干擾傳輸等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現，最后給出技術(shù)總結和展望。

2.系統總體設計

2.1系統結構特點(diǎn)

我們所設計的分布式系統結構如圖1所示。系統中不同設備板卡獨立對相應業(yè)務(wù)數據進(jìn)行處理，將其轉化為統一的IP數據進(jìn)行互通，并維護各自的路由表獨立完成數據轉發(fā)。系統將與特定業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )的接口分布到各種設備板卡中進(jìn)行標準的接入信道適配，并將各類(lèi)網(wǎng)絡(luò )數據分布到各板卡進(jìn)行處理和轉發(fā)，實(shí)現了集中配置與分布式接入和數據處理的完美結合。

在CPCI分布總線(xiàn)架構中，背板為總線(xiàn)交換提供物理連接、電路保證，背板上系統插槽提供總線(xiàn)仲裁、時(shí)鐘分配和背板上各板卡重新啟動(dòng)等功能;外設插槽上可安放簡(jiǎn)單的接口板、智能從屬裝置或總線(xiàn)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，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(xiàn)之間架起一條高效穩定的傳輸橋梁。PLX9054/9056芯片實(shí)現了CPCI主控設備的功能，支持PCI2.2規程，簡(jiǎn)化了對連接PowerPC的設計，兼容性較好，很容易擴展成66MHz時(shí)鐘及64bit的PCI總線(xiàn)，特別是PLX9056內嵌總線(xiàn)仲裁器，能減小系統規模，使系統更穩定[5]。

圖1數據通信系統結構圖

2.2系統資源共享與信息互通

系統采用基于CPCI的單總線(xiàn)多處理器/多操作系統的分布式架構，系統中各塊板卡均擁有獨立的CPU和操作系統、地址和內存空間以及獨立的I/O和中斷，可獨立完成數據操作，每塊板卡可看作一臺計算機主機。分布式系統形成的拓撲結構為一個(gè)全連通的網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)都能夠直接訪(fǎng)問(wèn)其它節點(diǎn);從CPCI總線(xiàn)傳輸的角度看，所有插槽上的板卡都是對等的，都能夠充當master主動(dòng)發(fā)起總線(xiàn)傳輸。針對這種基于總線(xiàn)的分布式架構，我們設計了跨總線(xiàn)的內存訪(fǎng)問(wèn)機制，將系統中其它板卡的系統內存或者設備內存（比如內存擴展卡）映射到本地地址空間，然后以與系統內存相同的方式訪(fǎng)問(wèn)被映射的內存，這樣每塊板卡都能夠訪(fǎng)問(wèn)到總線(xiàn)上其他板卡的內存資源了。

2.3統一規范的訪(fǎng)問(wèn)接口

異構網(wǎng)絡(luò )通過(guò)標準信道適配接入分布式系統，語(yǔ)音、X.25、串口數據等非IP數據經(jīng)由數據適配模塊轉換成IP數據，系統中各板卡的嵌入式實(shí)時(shí)系統對數據進(jìn)行處理和交互。各種異構網(wǎng)絡(luò )掛接在嵌入式系統中相應網(wǎng)絡(luò )設備上，網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)調用CPCI總線(xiàn)驅動(dòng)提供的統一接口實(shí)現實(shí)時(shí)系統與總線(xiàn)之間的數據傳輸。發(fā)送數據時(shí)，網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)通過(guò)總線(xiàn)驅動(dòng)控制橋芯片進(jìn)行地址轉換、數據轉發(fā)、中斷產(chǎn)生等工作，生成相應的總線(xiàn)操作將數據送往總線(xiàn);接收數據時(shí)，總線(xiàn)驅動(dòng)響應中斷，接收總線(xiàn)上相應地址段的數據，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數據解析、地址轉換、數據轉發(fā)、其他中斷產(chǎn)生等操作。我們采用Linux操作系統，其網(wǎng)絡(luò )系統主要是基于UNIX的socket機制，系統協(xié)議棧和驅動(dòng)程序之間通過(guò)專(zhuān)門(mén)的數據結構（sk_buff）傳遞數據。實(shí)時(shí)系統內核與CPCI總線(xiàn)間數據傳輸流程如圖2所示：

圖2數據傳輸流程圖

3.關(guān)鍵技術(shù)

3.1報文存儲的“抽屜機制”

系統中各板卡共用一條CPCI總線(xiàn)，我們提出基于“抽屜機制”的報文存儲策略，以保證板卡間數據無(wú)干擾傳輸。在板卡加入系統的初始化階段，系統板為總線(xiàn)上每塊板卡分配獨立的PCI總線(xiàn)地址區間，其他板卡向其發(fā)送數據時(shí)將數據寫(xiě)往指定地址區域。一塊板卡會(huì )接收來(lái)自不同板卡的數據，為避免各板卡往同一基址發(fā)送數據所引起的干擾，同一板卡地址區域內又為其他板卡分配大小相同的獨立讀寫(xiě)空間，我們將它命名為“抽屜”。這樣來(lái)自某板卡的數據會(huì )被送到其對應“抽屜”，每次數據依序存放而非覆蓋，以保證板卡數據處理時(shí)間。當數據長(cháng)度超出抽屜剩余空間時(shí)，則似環(huán)狀buffer從頭開(kāi)始存放。“抽屜機制”如圖3所示，左邊方塊代表總線(xiàn)上不同板卡，右邊則是PCI總線(xiàn)地址空間。板卡B對應地址范圍從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)行數據傳送，bc點(diǎn)之間空間僅用于板卡C向B進(jìn)行數據傳送，以此類(lèi)推。