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          如何設計一個CPCI總線分布式通信系統?該系統有什么特點?

          發布時間:2020/5/25

          大規模系統應采用分布式網絡架構,同時應具有開放性和良好的可擴展性,以適應不斷變化的應用環境和需求;系統中各模塊分工處理不同類型數據,應具有相對的獨立自主性,同時又在不同的層次上相互關聯,能實現相互訪問和協同工作;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。

          基于以上分析,我們選用CPCI總線作為分布式系統的數據通信平臺。CPCI總線技術是PCI總線技術和成熟的歐式卡組裝技術的結合,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個插槽的限制,相較于 VME總線模塊價位低,具有開放性、易于擴展、高密度等優點,同時達到99.999%的高可用性。采用CPCI總線技術以及硬件接口設計規范,能運用其多模塊插卡式的設計優點,支持多業務的分布式處理,并實現模塊化數據處理單元的無縫連接,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務處理通信平臺,也適于在通信及嵌入式系統中的廣泛應用。

          本文給出一種基于CPCI總線的通信系統設計,系統采用分布式網絡架構,支持多種分組交換業務的處理及數據交互。文章首先給出系統結構及原理設計,并針對分布式業務處理模塊跨總線通信的難點,提出基于“抽屜機制”的報文存儲和地址信息維護策略,描述了數據無干擾傳輸等關鍵技術的實現,最后給出技術總結和展望。

          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務數據進行處理,將其轉化為統一的IP數據進行互通,并維護各自的路由表獨立完成數據轉發。系統將與特定業務網絡的接口分布到各種設備板卡中進行標準的接入信道適配,并將各類網絡數據分布到各板卡進行處理和轉發,實現了集中配置與分布式接入和數據處理的完美結合。

          在CPCI分布總線架構中,背板為總線交換提供物理連接、電路保證,背板上系統插槽提供總線仲裁、時鐘分配和背板上各板卡重新啟動等功能;外設插槽上可安放簡單的接口板、智能從屬裝置或總線控制裝置。每塊CPCI板卡均有處理器和嵌入式實時系統,處理器采用Motorola的PowerPC-860,同時采用PLX公司的9054和9056 PCI橋芯片在PowerPC- 860和CPCI總線之間架起一條高效穩定的傳輸橋梁。PLX 9054/9056芯片實現了CPCI主控設備的功能,支持PCI2.2規程,簡化了對連接PowerPC的設計,兼容性較好,很容易擴展成66MHz時鐘及64bit的PCI總線,特別是PLX 9056內嵌總線仲裁器,能減小系統規模,使系統更穩定。

          如何設計一個CPCI總線分布式通信系統?該系統有什么特點?

          如何設計一個CPCI總線分布式通信系統?該系統有什么特點?

          圖1 數據通信系統結構圖

          系統采用基于CPCI的單總線多處理器/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全連通的網絡,網絡中每個節點都能夠直接訪問其它節點;從CPCI總線傳輸的角度看,所有插槽上的板卡都是對等的,都能夠充當master主動發起總線傳輸。針對這種基于總線的分布式架構,我們設計了跨總線的內存訪問機制,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問被映射的內存,這樣每塊板卡都能夠訪問到總線上其他板卡的內存資源了。

          異構網絡通過標準信道適配接入分布式系統,語音、X.25、串口數據等非IP數據經由數據適配模塊轉換成IP數據,系統中各板卡的嵌入式實時系統對數據進行處理和交互。各種異構網絡掛接在嵌入式系統中相應網絡設備上,網絡設備驅動調用 CPCI總線驅動提供的統一接口實現實時系統與總線之間的數據傳輸。發送數據時,網絡設備驅動通過總線驅動控制橋芯片進行地址轉換、數據轉發、中斷產生等工作,生成相應的總線操作將數據送往總線;接收數據時,總線驅動響應中斷,接收總線上相應地址段的數據,在中斷服務程序中進行數據解析、地址轉換、數據轉發、其他中斷產生等操作。我們采用Linux操作系統,其網絡系統主要是基于UNIX的socket機制,系統協議棧和驅動程序之間通過專門的數據結構(sk_buff)傳遞數據。實時系統內核與CPCI總線間數據傳輸流程如圖2所示:

          如何設計一個CPCI總線分布式通信系統?該系統有什么特點?

          如何設計一個CPCI總線分布式通信系統?該系統有什么特點?

          圖2 數據傳輸流程圖

          系統中各板卡共用一條CPCI總線,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干擾傳輸。在板卡加入系統的初始化階段,系統板為總線上每塊板卡分配獨立的PCI總線地址區間,其他板卡向其發送數據時將數據寫往指定地址區域。一塊板卡會接收來自不同板卡的數據,為避免各板卡往同一基址發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空間,我們將它命名為“抽屜”。這樣來自某板卡的數據會被送到其對應“抽屜”,每次數據依序存放而非覆蓋,以保證板卡數據處理時間。當數據長度超出抽屜剩余空間時,則似環狀buffer從頭開始存放?!俺閷蠙C制”如圖3所示,左邊方塊代表總線上不同板卡,右邊則是PCI總線地址空間。板卡B對應地址范圍從a點到 e點,其中ab點之間空間僅用于板卡A向B進行數據傳送,bc點之間空間僅用于板卡C向B進行數據傳送,以此類推。

          如何設計一個CPCI總線分布式通信系統?該系統有什么特點?

          如何設計一個CPCI總線分布式通信系統?該系統有什么特點?

          圖3 板卡數據接收“抽屜”

          基于這種報文存儲機制,我們定義幾種地址表來維護數據傳輸相關地址信息。系統板上維護有靜態的基址表,記載為每個卡槽上板卡預先分配的基址。所有板卡上都維護有板卡地址映射表和傳輸地址偏移表。板卡地址映射表為一個結構數組,數組中各項分別代表一個卡槽,里面包含板卡名稱、卡槽號、基址和地址范圍等地址信息以供數據傳輸時配置所用,其數據結構如下:

          typedef struct _BUS_ADDR_MAPPING_INFO{

          char board_name[BOARD_NAME_LENGTH];

          int slot_number;

          unsigned long base_addr;

          unsigned long range;

          }BUS_AddrMapping_Info, *P_BUS_AddrMapping_Info;

          傳輸地址偏移表為一無符號整型數組,用于記錄板卡間數據傳輸時各板卡的地址偏移,初值均為零,每次傳輸完畢,接收板卡的地址偏移就增加當次數據傳輸長度,當地址空間不足以存放即將傳輸的數據時,則將偏移地址設為零,重新從區域起始處寫入。其數據結構定義如下:

          u32 current_offset_table[NUM_OF_SLOT] = {0,0,0,0,0,0,0,0};

          我們定義了一種數據結構 IPH(Internal Packet Header),包含數據類型、長度、來源卡槽號等屬性,在傳輸數據前作為包頭對報文進行封裝,以便接收方解析包頭后能根據數據業務類型區分處理。主要IPH類型有板卡配置信息,端口注冊信息,路由信息,未知數據類型等。定義數據結構iph_attr區別不同 IPH_info類型,位于數據包首,其數據結構如下:

          typedef struct _IPH_ATTR {

          u32 board_id; /*from which board*/

          int iph_type; /*datagram type*/

          unsigned long length; /*datagram length(without IPH)*/

          }IPH_ATTR, *P_IPH_ATTR;

          針對各種類型IPH信息又分別定義不同數據結構,在數據包頭中依次存放于iph_attr結構之后。

          發送數據時,對數據進行IPH封裝,根據前述的板卡地址映射表選擇目的PCI地址,再調用總線接口函數完成數據傳輸。發送方通過寫接收板卡橋芯片的mailbox寄存器,將傳輸地址及數據長度信息通知接收方,產生中斷觸發接收。 PLX橋芯片支持local總線對PCI總線的直接訪問,它有8個mailbox寄存器,前四個能產生中斷,每個mailbox32位,傳輸地址和數據長度信息分別使用mailbox i 和mailbox i+4配合工作,這樣接收方收到兩個參數時會產生一次中斷,進行數據接收[5]。這種機制使接收處理具有四個服務窗口,提高了系統吞吐量。

          接收板卡PLX芯片的mailbox被寫入參數即產生本地中斷檢查 “抽屜”,產生中斷前,數據實際上已被發到目標板卡上了。中斷服務程序為接收端維護一個數據隊列,它讀取mailbox中的信息,分析地址找到相應數據并交由底半處理。底半解析數據包的IPH分辨數據類型,若為配置、端口、路由等信息則進行相應配置,若為數據信息則進行處理或轉發。

          綜上所述,系統通過 “抽屜機制”和對幾種地址表的維護完成了各板卡之間PCI地址空間的映射,板卡將數據寫往映射地址空間即能通過總線將數據傳輸到目標板卡上,實現了板卡的跨總線內存訪問;自定義IPH數據包頭來區分數據類型協助數據信息管理,完成了路由維護,轉發引擎的邏輯功能,實現了數據的無干擾傳輸與有效通信管理。

          本文作者創新點為:給出了一種基于CPCI的分布式系統設計,同時提出了基于“抽屜機制”的報文存儲機制和地址信息維護策略。文章所述的基于CPCI的分布式系統,可達到64bit總線寬度、264MB/s的峰值帶寬,系統中各主機能獨立完成數據處理及通信,能夠承載語音、數據多種業務,用戶還可通過用戶接入板與語音業務板所連的PSTN網和數據業務板所連Internet進行數據通信,在通信、軍事等領域有著較大的應用前景。為使本通信系統更具大規模實用價值,未來的工作包括:

          (1) 實現一套易操作的遠程管理系統,以便完成通信業務的監控,調配;

          (2) 設計支持更多業務類型的CPCI接口板卡,如xDSL,H.264等;

          (3) 在外界干擾較大情況下,通過嚴格的性能測試以證明系統能夠滿足電信級的業務需求。

          高臨電子經過多年的積累和創新,我們已經自主研發了多種基于CompactPCI、VPX、PXI總線技術的19寸上架式計算機平臺,專業提供CPCI,CPCI背板,CPCI機箱,CPCI電源,CPCI主板等,同時提供客制化的服務項目,使我們成為了眾多系統集成廠商和新品開發客戶的親密合作伙伴。


          服務于客戶是我們的宗旨。關注客戶需求,滿足客戶需求,通過服務為客戶創造價值,是我們不懈的追求;通過快速反應、精益生產、專業服務,實現產品性能和價值最大化,同時將費用和復雜性降到最低。


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