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        基于看門狗原理的冗余保護機制

        2012-06-05 13:29:30段沛沛王鋒茂
        火控雷達技術 2012年3期
        關鍵詞:看門狗主控板雙機

        段沛沛 王鋒茂

        (1.西安石油大學 西安 710065;

        2.深圳市磊科實業(yè)有限公司 西安 710075)

        1 引言

        在可靠性要求比較高的系統(tǒng)中,一般都會采用雙主控冗余備份的方式工作,當其中一張主控板故障時,可自動切換到另一張主控板進行工作。為了實現(xiàn)自動切換,需要定義一套嚴格的機制,使只有處于活動的主控板才對系統(tǒng)享有完全的控制權,備用的主控板實時監(jiān)視活動主控板的狀態(tài),并備份活動主控板的實時數(shù)據(jù),一旦活動主控板發(fā)生故障,備用主控板可以立即轉變?yōu)榛顒訝顟B(tài),并基于實時備份的狀態(tài)繼續(xù)運行。本設計基于看門狗的動態(tài)監(jiān)控原理,再利用RS觸發(fā)器的互鎖機制,使一個系統(tǒng)中的兩個主控板首先競爭系統(tǒng)控制權,競爭成功的主控板進入活動狀態(tài),競爭失敗的主控板則進入備用狀態(tài)。并且,如果活動態(tài)的主控板無法維持其狀態(tài)時,系統(tǒng)的控制權會自動轉移到備用的主控板上。

        2 主控板設計

        主控板采用統(tǒng)一化的設計,雙機倒換功能主要由主處理器模塊、雙機模塊和單板管理模塊完成,各模塊之間的關系如圖1所示。兩種主控板之間的接口主要有ACT互控總線、IIC管理總線和實時備份總線,ACT互控總線為三態(tài)輸出,信號包括ACTin#和ACTout#,均為低電平有效,ACTin#信號均在單板接口出上拉,如果對方主控板不存在或是斷電時,可保證該信號為無效的高電平。IIC管理基于IIC總線,主處理器為IIC主設備,每個單板的IIC管理模塊為IIC從設備,IIC總線由ACT#信號控制,只有處于活動狀態(tài)的主控板才有權利控制各單板的IIC管理模塊。實時備份總線基于高速以太網(wǎng),主備之間大量的動態(tài)數(shù)據(jù)通過該總線傳輸。

        圖1 應用動態(tài)雙機倒換的主控板

        主處理器模塊實現(xiàn)本板狀態(tài)機的切換與運行,該模塊由IIC管理模塊送出的PORST#信號進行復位,當主處理器復位后,首先應當禁用看門狗復位(WDEN=1)。ACT#為有效的低電平時,標識本板處于活動狀態(tài),并由ACT#信號控制打開IIC管理總線以及主控板其他對系統(tǒng)的管理接口,該主控板才能對系統(tǒng)實施管理。另外,主控板需要定期的更新WDI信號,以保持雙機模塊的狀態(tài)。

        IIC管理模塊用于主控板單板,該模塊接收活動的主控板發(fā)出的命令并執(zhí)行,在雙機倒換機制中,該模塊主要用于主處理器模塊的復位處理。IIC模塊接受3種復位源,分別來自雙機模塊的WDRST#、MRRST#和IIC總線的復位命令,任意條件滿足時,IIC管理模塊都會向主處理器模塊發(fā)出復位操作。

        雙機模塊本板的監(jiān)測以及和對方主控板進行交互、實現(xiàn)雙機監(jiān)測和切換,雙機模塊會監(jiān)測WDI信號,如果在設定周期內(nèi)沒有正常收到WDI信號,雙機模塊會在WDRST#信號上輸出低電平和ACTout#信號上輸出高電平。當WDI恢復時,WDRST#信號上會立即恢復高電平,但只有ACTin#為高電平時,在ACTout#信號才能輸出低電平。而且優(yōu)先進入活動狀態(tài)的主控板需要維持自己的活動狀態(tài),一旦該板無法維持其活動狀態(tài),將會觸發(fā)雙機模塊重新仲裁。

        雙機模塊由看門狗電路和與非門構成,看門狗電路實現(xiàn)對主處理模塊的故障檢測,監(jiān)測結果WDO和ACTin#信號送到一個與非門的輸入端。與非門的輸出便為ACTout#,ACTout#信號連接到另一張主控板ACTin#,兩張主控板的ACTout#信號和ACTin#信號在背板上交叉連接,組成一個RS觸發(fā)器,如圖2所示。主控板啟動完成后,會啟用自己的看門狗系統(tǒng),看門狗電路的輸出WDO信號才能變?yōu)楦唠娖剑琑S觸發(fā)器可以鎖定其輸出狀態(tài),能保證只有先啟動起來的主控板處于活動狀態(tài),后啟動的主控板無論如何也無法改變RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài),除非活動的主控板故障,無法繼續(xù)維持WDO狀態(tài)。

        圖2 動態(tài)雙機模塊實現(xiàn)方式

        3 雙機模塊設計

        雙機模塊是雙機切換的關鍵部分,負責兩種主控板的狀態(tài)仲裁,仲裁遵循優(yōu)先原則,即先啟動的主控板優(yōu)先進入活動狀態(tài),后啟動的主控板只能進入備用狀態(tài),并且不得影響正在正常運行的主控板。

        4 狀態(tài)機設計

        主控板有4種狀態(tài),分別是斷電態(tài)、啟動態(tài)、活動態(tài)和備用態(tài),它們之間的關系和切換條件如圖3所示。

        只有當主控板需要拔板或出現(xiàn)嚴重故障時,才會處于斷電態(tài)。當主控板插入時,主控板默認為自動加電并進入啟動態(tài),該狀態(tài)用于主處理機初始化,由于啟動態(tài)處于不穩(wěn)定期,所以主處理機加電后應當暫時禁止看門狗,待正常啟動后,主處理機開始執(zhí)行喂狗操作,并使能看門狗。當雙機模塊收到主處理機的喂狗信號后,便開始與對方主控板的雙機模塊競爭活動狀態(tài),如果對方此時處于非活動態(tài)(ACTin=1),則雙機模塊就可以將自身的輸出ACTout#置為有效,并標識本板處于活動狀態(tài)(ACT=0)。如果對方主控板已經(jīng)處于活動態(tài),則雙機模塊將無法將自身置為活動態(tài),所以本板只能處于備用態(tài)(ACT=1)。主處理機根據(jù)ACT信號的狀態(tài),決定自己進入活動態(tài)或備用態(tài)。

        圖3 主控板狀態(tài)機

        主控板的各種運行狀態(tài)及處理方式有:

        A.由啟動態(tài)到活動態(tài)

        當系統(tǒng)中只存在一張主控板時,或者另一張主控板也處于非活動態(tài),本板的ACTin#信號就會被置為無效,所以只要主控板完成啟動后,必然會轉到活動態(tài)。

        B.由啟動態(tài)到備用態(tài)

        主控板要進入備用態(tài),另一張主控板必須為活動狀態(tài),本板的ACTin#信號由于被置為有效,所以只要主控板完成啟動后,只能轉到備用態(tài)。

        C.活動態(tài)和備用態(tài)之間切換

        除非活動的主控板自己放棄其活動態(tài),才能轉到備用態(tài),備用的主控板才能轉為活動態(tài),主控板自己放棄活動態(tài)的可能原因有:

        a.自身故障被動放棄;

        b.手動切換主動放棄。

        當自身故障無法維持雙機模塊狀態(tài)時,主控板將會被看門狗強行復位,備用的雙機模塊將會因此而競爭到活動狀態(tài),備用的主控板也會升級為活動態(tài)。

        手動切換命令只能發(fā)生在活動的主控板上,主處理器可以通過暫停喂狗的方式觸發(fā)雙機模塊重新仲裁,如果備用主控板狀態(tài)正常,將會因此而競爭到活動態(tài),當原活動的主控板重新恢復看門狗狀態(tài)后,將無法再次競爭到活動態(tài)。但如果備用主控板的狀態(tài)不正常,所以也無法切換,當活動的主控板重新恢復看門狗狀態(tài)后,將繼續(xù)競爭到活動態(tài),本次手動切換也將失敗。

        5 結束語

        本文描述的基于看門狗電路的動態(tài)雙機切換機制,該設計具有電路簡單實用,可靠性高,成本低等優(yōu)點,并能有效解決死鎖問題。較傳統(tǒng)的靜態(tài)觸發(fā)機制,有明顯的優(yōu)勢,尤其可為大型刀片式的電信設備提供高可靠性保證,能夠有效降低光傳輸、城域網(wǎng)交換以及工業(yè)控制等領域的設計成本,并加快研發(fā)進度。

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