摘 要：為解決大規(guī)模系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理任務(wù)重，業(yè)務(wù)種類多的難點(diǎn)，文章給出一種基于CompactPCI（CPCI）的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)板卡間的分工協(xié)作和跨總線遠(yuǎn)程內(nèi)存訪問。本文提出了基于“抽屜機(jī)制”的報(bào)文存儲(chǔ)機(jī)制和地址信息維護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確高效的分布式跨總線通信。
關(guān)鍵詞：CompactPCI;分布式系統(tǒng);抽屜機(jī)制
1. 引言
隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中數(shù)據(jù)運(yùn)算和通信的任務(wù)不斷增大，在越來越多的領(lǐng)域中需要大規(guī)模系統(tǒng)來承擔(dān)繁重的數(shù)據(jù)任務(wù)并支持多種類型的任務(wù)處理。為能實(shí)時(shí)得處理大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，大規(guī)模系統(tǒng)需將數(shù)據(jù)分布到多個(gè)模塊上進(jìn)行并行處理，同時(shí)針對(duì)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過不同功能模塊對(duì)各類數(shù)據(jù)分別處理，再基于統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。針對(duì)這樣的需求，大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時(shí)應(yīng)具有開放性和良好的可擴(kuò)展性，以適應(yīng)不斷變化的應(yīng)用環(huán)境和需求;系統(tǒng)中各模塊分工處理不同類型數(shù)據(jù)，應(yīng)具有相對(duì)的獨(dú)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(xiàn)相互訪問和協(xié)同工作;系統(tǒng)也應(yīng)具有良好的集成性，在功能層次上需要有效的組件構(gòu)造框架，在組件層次上則應(yīng)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互平臺(tái)[1]。
基于以上分析，我們選用CPCI總線作為分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)。CPCI總線技術(shù)是PCI總線技術(shù)和成熟的歐式卡組裝技術(shù)的結(jié)合，在電氣、邏輯和軟件功能方面，它與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，又突破了PCI標(biāo)準(zhǔn)4個(gè)插槽的限制，相較于VME總線模塊價(jià)位低，具有開放性、易于擴(kuò)展、高密度等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)達(dá)到99.999%的高可用性。采用CPCI總線技術(shù)以及硬件接口設(shè)計(jì)規(guī)范，能運(yùn)用其多模塊插卡式的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，支持多業(yè)務(wù)的分布式處理，并實(shí)現(xiàn)模塊化數(shù)據(jù)處理單元的無縫連接，為分布式數(shù)據(jù)交換提供高速、可靠的保證，非常適合作為分布式系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理通信平臺(tái)，也適于在通信及嵌入式系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用[2-4]。
本文給出一種基于CPCI總線的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持多種分組交換業(yè)務(wù)的處理及數(shù)據(jù)交互。文章首先給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計(jì)，并針對(duì)分布式業(yè)務(wù)處理模塊跨總線通信的難點(diǎn)，提出基于“抽屜機(jī)制”的報(bào)文存儲(chǔ)和地址信息維護(hù)策略，描述了數(shù)據(jù)無干擾傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，最后給出技術(shù)總結(jié)和展望。
2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
我們所設(shè)計(jì)的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中不同設(shè)備板卡獨(dú)立對(duì)相應(yīng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)進(jìn)行互通，并維護(hù)各自的路由表獨(dú)立完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)將與特定業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的接口分布到各種設(shè)備板卡中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的接入信道適配，并將各類網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分布到各板卡進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了集中配置與分布式接入和數(shù)據(jù)處理的完美結(jié)合。
在CPCI分布總線架構(gòu)中，背板為總線交換提供物理連接、電路保證，背板上系統(tǒng)插槽提供總線仲裁、時(shí)鐘分配和背板上各板卡重新啟動(dòng)等功能;外設(shè)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[2,3]。每塊CPCI板卡均有處理器和嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，處理器采用Motorola的PowerPC-860，同時(shí)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(wěn)定的傳輸橋梁。PLX 9054/9056芯片實(shí)現(xiàn)了CPCI主控設(shè)備的功能，支持PCI2.2規(guī)程，簡化了對(duì)連接PowerPC的設(shè)計(jì)，兼容性較好，很容易擴(kuò)展成66MHz時(shí)鐘及64bit的PCI總線，特別是PLX 9056內(nèi)嵌總線仲裁器，能減小系統(tǒng)規(guī)模，使系統(tǒng)更穩(wěn)定[5]。
圖1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2系統(tǒng)資源共享與信息互通
系統(tǒng)采用基于CPCI的單總線多處理器/多操作系統(tǒng)的分布式架構(gòu)，系統(tǒng)中各塊板卡均擁有獨(dú)立的CPU和操作系統(tǒng)、地址和內(nèi)存空間以及獨(dú)立的I/O和中斷，可獨(dú)立完成數(shù)據(jù)操作，每塊板卡可看作一臺(tái)計(jì)算機(jī)主機(jī)。分布式系統(tǒng)形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一個(gè)全連通的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠直接訪問其它節(jié)點(diǎn);從CPCI總線傳輸?shù)慕嵌瓤矗胁宀凵系陌蹇ǘ际菍?duì)等的，都能夠充當(dāng)master主動(dòng)發(fā)起總線傳輸。針對(duì)這種基于總線的分布式架構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了跨總線的內(nèi)存訪問機(jī)制，將系統(tǒng)中其它板卡的系統(tǒng)內(nèi)存或者設(shè)備內(nèi)存（比如內(nèi)存擴(kuò)展卡）映射到本地地址空間，然后以與系統(tǒng)內(nèi)存相同的方式訪問被映射的內(nèi)存，這樣每塊板卡都能夠訪問到總線上其他板卡的內(nèi)存資源了。
2.3統(tǒng)一規(guī)范的訪問接口
異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過標(biāo)準(zhǔn)信道適配接入分布式系統(tǒng)，語音、X.25、串口數(shù)據(jù)等非IP數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)適配模塊轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中各板卡的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和交互。各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)掛接在嵌入式系統(tǒng)中相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用CPCI總線驅(qū)動(dòng)提供的統(tǒng)一接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)與總線之間的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過總線驅(qū)動(dòng)控制橋芯片進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、中斷產(chǎn)生等工作，生成相應(yīng)的總線操作將數(shù)據(jù)送往總線;接收數(shù)據(jù)時(shí)，總線驅(qū)動(dòng)響應(yīng)中斷，接收總線上相應(yīng)地址段的數(shù)據(jù)，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、地址轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、其他中斷產(chǎn)生等操作。我們采用Linux操作系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于UNIX的socket機(jī)制，系統(tǒng)協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)程序之間通過專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（sk_buff）傳遞數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核與CPCI總線間數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示：
圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程圖
3. 關(guān)鍵技術(shù)
3.1 報(bào)文存儲(chǔ)的“抽屜機(jī)制”
系統(tǒng)中各板卡共用一條CPCI總線，我們提出基于“抽屜機(jī)制”的報(bào)文存儲(chǔ)策略，以保證板卡間數(shù)據(jù)無干擾傳輸。在板卡加入系統(tǒng)的初始化階段，系統(tǒng)板為總線上每塊板卡分配獨(dú)立的PCI總線地址區(qū)間，其他板卡向其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)寫往指定地址區(qū)域。一塊板卡會(huì)接收來自不同板卡的數(shù)據(jù)，為避免各板卡往同一基址發(fā)送數(shù)據(jù)所引起的干擾，同一板卡地址區(qū)域內(nèi)又為其他板卡分配大小相同的獨(dú)立讀寫空間，我們將它命名為“抽屜”。這樣來自某板卡的數(shù)據(jù)會(huì)被送到其對(duì)應(yīng)“抽屜”，每次數(shù)據(jù)依序存放而非覆蓋，以保證板卡數(shù)據(jù)處理時(shí)間。當(dāng)數(shù)據(jù)長度超出抽屜剩余空間時(shí)，則似環(huán)狀buffer從頭開始存放。“抽屜機(jī)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(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)傳送，bc點(diǎn)之間空間僅用于板卡C向B進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，以此類推。
圖3 板卡數(shù)據(jù)接收“抽屜”
基于這種報(bào)文存儲(chǔ)機(jī)制，我們定義幾種地址表來維護(hù)數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)地址信息。系統(tǒng)板上維護(hù)有靜態(tài)的基址表，記載為每個(gè)卡槽上板卡預(yù)先分配的基址。所有板卡上都維護(hù)有板卡地址映射表和傳輸?shù)刂菲票怼０蹇ǖ刂酚成浔頌橐粋€(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組，數(shù)組中各項(xiàng)分別代表一個(gè)卡槽，里面包含板卡名稱、卡槽號(hào)、基址和地址范圍等地址信息以供數(shù)據(jù)傳輸時(shí)配置所用，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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?shù)刂菲票頌橐粺o符號(hào)整型數(shù)組，用于記錄板卡間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(dāng)次數(shù)據(jù)傳輸長度，當(dāng)?shù)刂房臻g不足以存放即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)時(shí)，則將偏移地址設(shè)為零，重新從區(qū)域起始處寫入。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：
u32 current_offset_table[NUM_OF_SLOT] = ｛0，0，0，0，0，0，0，0｝;
3.2 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)
我們定義了一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)IPH（Internal Packet Header），包含數(shù)據(jù)類型、長度、來源卡槽號(hào)等屬性，在傳輸數(shù)據(jù)前作為包頭對(duì)報(bào)文進(jìn)行封裝，以便接收方解析包頭后能根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型區(qū)分處理。主要IPH類型有板卡配置信息，端口注冊(cè)信息，路由信息，未知數(shù)據(jù)類型等。定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)iph_attr區(qū)別不同IPH_info類型，位于數(shù)據(jù)包首，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(duì)各種類型IPH信息又分別定義不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)包頭中依次存放于iph_attr結(jié)構(gòu)之后。
發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行IPH封裝，根據(jù)前述的板卡地址映射表選擇目的PCI地址，再調(diào)用總線接口函數(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送方通過寫接收板卡橋芯片的mailbox寄存器，將傳輸?shù)刂芳皵?shù)據(jù)長度信息通知接收方，產(chǎn)生中斷觸發(fā)接收。PLX橋芯片支持local總線對(duì)PCI總線的直接訪問，它有8個(gè)mailbox寄存器，前四個(gè)能產(chǎn)生中斷，每個(gè)mailbox32位，傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)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(gè)參數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一次中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收[5]。這種機(jī)制使接收處理具有四個(gè)服務(wù)窗口，提高了系統(tǒng)吞吐量。
接收板卡PLX芯片的mailbox被寫入?yún)?shù)即產(chǎn)生本地中斷檢查 “抽屜”，產(chǎn)生中斷前，數(shù)據(jù)實(shí)際上已被發(fā)到目標(biāo)板卡上了。中斷服務(wù)程序?yàn)榻邮斩司S護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列，它讀取mailbox中的信息，分析地址找到相應(yīng)數(shù)據(jù)并交由底半處理。底半解析數(shù)據(jù)包的IPH分辨數(shù)據(jù)類型，若為配置、端口、路由等信息則進(jìn)行相應(yīng)配置，若為數(shù)據(jù)信息則進(jìn)行處理或轉(zhuǎn)發(fā)。
綜上所述，系統(tǒng)通過 “抽屜機(jī)制”和對(duì)幾種地址表的維護(hù)完成了各板卡之間PCI地址空間的映射，板卡將數(shù)據(jù)寫往映射地址空間即能通過總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)板卡上，實(shí)現(xiàn)了板卡的跨總線內(nèi)存訪問;自定義IPH數(shù)據(jù)包頭來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型協(xié)助數(shù)據(jù)信息管理，完成了路由維護(hù)，轉(zhuǎn)發(fā)引擎的邏輯功能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無干擾傳輸與有效通信管理。
4. 總結(jié)及展望
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)為：給出了一種基于CPCI的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)提出了基于“抽屜機(jī)制”的報(bào)文存儲(chǔ)機(jī)制和地址信息維護(hù)策略。文章所述的基于CPCI的分布式系統(tǒng)，可達(dá)到64bit總線寬度、264MB/s的峰值帶寬，系統(tǒng)中各主機(jī)能獨(dú)立完成數(shù)據(jù)處理及通信，能夠承載語音、數(shù)據(jù)多種業(yè)務(wù)，用戶還可通過用戶接入板與語音業(yè)務(wù)板所連的PSTN網(wǎng)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)板所連Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在通信、軍事等領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用前景。為使本通信系統(tǒng)更具大規(guī)模實(shí)用價(jià)值，未來的工作包括：
（1） 實(shí)現(xiàn)一套易操作的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，以便完成通信業(yè)務(wù)的監(jiān)控，調(diào)配;
（2） 設(shè)計(jì)支持更多業(yè)務(wù)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(yán)格的性能測試以證明系統(tǒng)能夠滿足電信級(jí)的業(yè)務(wù)需求。
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