基于BF537的雙冗余以太網(wǎng)的設計

0 引言

　　隨著(zhù)信息技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )通信也顯得越發(fā)重要，以太網(wǎng)也成為了各種控制系統接口互聯(lián)的主要媒介。在金融機構、政府部門(mén)、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，常常采用雙冗余的設計方式。雙冗余網(wǎng)絡(luò )的實(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)同處理共同完成的。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，中間用兩個(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 )馬上啟用另一塊冗余網(wǎng)卡使得系統仍能夠正常運行。本文基于BF537提出了兩種冗余網(wǎng)絡(luò )的構建方案和實(shí)現方法。

　　1 BF537結構特點(diǎn)

　　BF537是Blackfin家族的升級產(chǎn)品，其在標準Blackfin內核的基礎上擁有更加豐富的接口，并在內部集成了一個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器。BF537的內部結構如圖1所示。

　　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位、16位或者32位數據。每個(gè)MAC每周期可完成一個(gè)16位乘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位或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1個(gè)周期中完成。更好地利用第二個(gè)ALU，四個(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把存儲器視為一個(gè)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(L1)存儲器一般以全速運行，沒(méi)有或只有很少的延遲。Level 2(L2)／Level 3(L3)分布在片內或片外，對它的訪(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，一個(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

　　從硬件角度看，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，本文從是否具備獨立的MAC控制器出發(fā)提出了兩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

　　上文中提到，BF537在內部集成了一個(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)接口芯片，便可以形成一個(gè)完整的以太網(wǎng)通道。因此本文選擇了SMSC公司的LAN8187，它提供了標準的MII總線(xiàn)接口，可以方便地與BF537相連接，連接方式如圖2所示。其中在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)。本文在下面稱(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，則需在BF537外部擴展一個(gè)以太網(wǎng)控制器，見(jiàn)圖2，選擇同樣來(lái)自于SMSC公司的LAN91C-111，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，其A0～A15與BF537的地址總線(xiàn)相連，DO～D15與BF537的數據總線(xiàn)相連，并由BF537的AMS信號控制LAN91C111的片選，外部PF管腳來(lái)響應來(lái)自L(fǎng)AN91C111的中斷請求。

　　具有獨立MAC控制器的雙冗余以太網(wǎng)的設計方案如圖2所示。

　　2．2 基于共用MAC控制器的設計方案

　　從應用角度分析，即使系統擁有獨立的MAC控制器，在實(shí)際應用中也需要要求兩個(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 )通信實(shí)時(shí)性。

　　因此本文提出了一套MAC控制器，兩個(gè)以太網(wǎng)接口芯片的方案。該設計方案通過(guò)一片CPLD將BF537的MII總線(xiàn)分別轉接到兩片LAN8187上，并由BF537來(lái)控制轉接的時(shí)機，如圖3所示。這樣形成了兩個(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。

　　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 )實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，本文中檢測的方法基于LAN8187的寄存器。LAN8187寄存器定義如表1所示。其中，Basic Control Register為基本控制寄存器，通過(guò)配置其各位，可以完成芯片軟復位、lO／100 MHz選擇、全雙工／半雙工選擇、LookBack模式選擇、自協(xié)商等功能。Basic Status Register為基本狀態(tài)寄存器，對其查詢(xún)可以得到自協(xié)商結果、網(wǎng)絡(luò )物理連接狀態(tài)等網(wǎng)絡(luò )基本狀態(tài)。PHY IdenTIfier 1／PHY Identitier 2兩個(gè)寄存器標識了芯片的Chip ID。

　　因此，對網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測實(shí)際上就是實(shí)時(shí)讀取Basic Status Register，并對結果做出判斷。

　　3．2 程序設計

　　可以通過(guò)操作BF537的寄存器EMAC_STAADD完成其對LAN8187寄存器的讀寫(xiě)。

　　對LAN8187寄存器讀寫(xiě)的函數定義為：

　　u16 RdPHYReg(u16 PHYAddr，u16 RegAddr)；

　　void WrPHYReg(u16 PHYAddr，u16 RegAddr，u32 Data)；

　　其中PHYAddr為芯片的物理地址，RegAddr為寄存器地址。

　　對Basic Status Register的監測采用輪詢(xún)的機制，即設定一個(gè)信號量Link_status，其周期為2ms，因此每隔2 ms，Ether_moniter線(xiàn)程被觸發(fā)一次。在Ether_moniter中通過(guò)調用RdPHYReg()函數，讀取Basic Status Register的值，并判斷Link位。Ether-moniter線(xiàn)程流程圖如圖4所示。

　　對于設計方案1來(lái)講，當檢測到需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )切換時(shí)，需要停用當前網(wǎng)卡初始化備用網(wǎng)絡(luò )LAN91C111并設定相同的lP地址以及MAC地址。對于方案2，則只需要通知CPLD將通道切換至備用的LAN8187接口。

　　4 冗余切換測試

　　用Visual C++6．O開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的上位機測試程序，每隔1 ms發(fā)送一個(gè)UDP數據報，并給每個(gè)數據報編寫(xiě)不同的序號。在BF537中編寫(xiě)程序不斷接收上位機發(fā)來(lái)的數據報。然后制造網(wǎng)絡(luò )通信故障，本文構建的冗余網(wǎng)絡(luò )將會(huì )自動(dòng)切換到備用通道繼續接收上位機的數據報。最后通過(guò)檢測接收到數據報的序號來(lái)確定冗余切換所消耗的時(shí)間。分別對兩種方案所構建的冗余網(wǎng)絡(luò )的切換進(jìn)行測試，結果如表2所示。

　　從實(shí)驗結果可以看出方案2具有快速切換的優(yōu)點(diǎn)，丟包率低；方案1平均丟包數遠大于方案2，并且切換時(shí)間長(cháng)。

　　5 結語(yǔ)

　　提出了兩種基于BF537構建雙冗余以太網(wǎng)的方案，分別論述了其原理、器件選擇、連接方法，并做出軟件設計。最后經(jīng)過(guò)測試，方案2的切換效果和時(shí)間非常理想，最終在實(shí)際項目中得到了應用。