基于Nios軟核處理器的溫備份智能容錯系統設計方案

1 引　言

隨著(zhù)計算機應用技術(shù)的發(fā)展，計算機應用已經(jīng)早就從單機系統發(fā)展到網(wǎng)絡(luò )系統。但是隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )系統的擴大，要保證整個(gè)大系統的正常運轉就遠比保證單機系統的正常運轉困難得多，不過(guò)只要處理好各個(gè)系統的協(xié)調關(guān)系以及提高關(guān)鍵系統(服務(wù)器系統)運行的可靠性，那么網(wǎng)絡(luò )系統在某種程度上就比單機系統更有保障。

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

2 實(shí)際中遇到問(wèn)題的描述

該問(wèn)題是在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )ERP應用系統中遇到的，在該系統中，所有客戶(hù)端運行的軟件都需要訪(fǎng)問(wèn)數據庫服務(wù)器上的數據庫，而客戶(hù)軟件記錄的是每天生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)數據，這就必須保證數據庫服務(wù)器正常工作，否則整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統就不能運行，這將導致停止生產(chǎn)，給公司造成巨大的損失。如何保證系統的可靠性，就成為問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本文根據冗余技術(shù)的相關(guān)理論，結合三種備份技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，使用溫備份技術(shù)，設計了一個(gè)基于Nios處理器的智能容錯系統，在實(shí)際應用中取得了良好的效果。

3 智能容錯系統的整體規劃

本文設計的系統可以在智能仲裁中制定系統的運行計劃，即：可以制定系統中兩個(gè)服務(wù)器的運行時(shí)間。在該系統中，每天兩臺服務(wù)器以12小時(shí)為單位交替運行。具體過(guò)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(dòng)一臺服務(wù)器，這臺服務(wù)器啟動(dòng)后就開(kāi)始工作。

2)工作服務(wù)器在更新數據庫的同時(shí)，通過(guò)串口通訊把相關(guān)同步信息發(fā)送給仲裁器(這里是操作數據庫的SQL語(yǔ)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(pán)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(shí)間到了后，仲裁器就啟動(dòng)后援服務(wù)器，然后每隔一定的時(shí)間檢測啟動(dòng)的后援服務(wù)器是否已經(jīng)到了可以工作的狀態(tài)。

4)如果在規定的檢測次數中，啟動(dòng)的后援服務(wù)器還沒(méi)有到達可以工作的狀態(tài)，那么仲裁器就報警，提示用戶(hù)后援服務(wù)器出現故障了，這時(shí)就保持原工作服務(wù)器繼續運行。反之，如果在規定的檢測次數中檢測到后援服務(wù)器到達可以工作的狀態(tài)，就接著(zhù)如下步驟運行。

5)仲裁器向后援服務(wù)器發(fā)送啟動(dòng)同步的命令，后援服務(wù)器收到該命令后就通過(guò)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(pán)中讀取同步信息并發(fā)送給后援服務(wù)器，后援服務(wù)器收到后就根據同步信息執行同步操作(這里是運行操作數據庫的SQL語(yǔ)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(gè)服務(wù)器修改自己的網(wǎng)絡(luò )配置。

8)此時(shí)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(gè)過(guò)程到此為止，以后就反復上述過(guò)程運行整個(gè)系統，該系統的整體框架如圖1所示：

圖1 系統整體框架圖

圖1是工作服務(wù)器未發(fā)生故障時(shí)的流程。實(shí)際上，在工作服務(wù)器工作期間，仲裁器會(huì )在一定的時(shí)間間隔(這個(gè)時(shí)間間隔可以通過(guò)仲裁器設置，如系統要求的實(shí)時(shí)性較高，該間隔就要設置短一些;反之，設置長(cháng)一些)內查詢(xún)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(hù)，并且此時(shí)仲裁器啟動(dòng)后援服務(wù)器。當仲裁器檢測到后援服務(wù)器可以工作時(shí)，就從硬盤(pán)上獲取同步信息進(jìn)行后援服務(wù)器的同步工作。

4 智能容錯系統具體實(shí)現思想

4.1 硬件設計思想

本文討論的智能容錯系統，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(gè)滿(mǎn)足我們實(shí)際需要的SOC(系統級芯片)，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計，實(shí)現了一個(gè)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(jìn)行簡(jiǎn)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(kāi)服務(wù)器電源的兩個(gè)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(shí)間間隔(用于決定多長(cháng)時(shí)間檢測服務(wù)器的狀態(tài))等級的一位八段數碼管。LED1、LED2分別用于指示兩臺服務(wù)器的工作狀態(tài)，綠色表示對應服務(wù)器正在工作;紅色表示對應服務(wù)器停止工作;紅色閃爍表示對應服務(wù)器發(fā)生故障，此時(shí)蜂鳴器會(huì )發(fā)出報警聲音。上圖中沒(méi)有畫(huà)出相應的驅動(dòng)電路[7]。PIO1共占16位，高八位用于控制八段數碼管;0~3位用于控制兩個(gè)雙色發(fā)光二極管;4~5位用于控制兩個(gè)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(kāi)啟A服務(wù)器、開(kāi)啟B服務(wù)器及設置時(shí)間間隔等級的按鍵。SWA和SWB是開(kāi)關(guān)型按鍵，即：按一下開(kāi)，再按一下就關(guān)。SWL按鍵從0~9循環(huán)改變時(shí)間間隔的等級，并在八段數碼管上顯示等級。

3)IDE接口控制器是自定義用戶(hù)邏輯，用于訪(fǎng)問(wèn)與仲裁器連接的IDE硬盤(pán)。

4)Timer1定時(shí)器用于控制各臺服務(wù)器的工作時(shí)間以及定時(shí)查詢(xún)服務(wù)器的工作狀態(tài)的，該定時(shí)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上。此處用于連接片外的16MB閃存，以便于存儲用戶(hù)程序和相關(guān)數據。在該仲裁器中，Flash的開(kāi)始處保存Boot Loader，在系統啟動(dòng)時(shí)，它把用戶(hù)程序復制到SDRAM中運行，這樣可以提高系統效率。