《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于BF537的雙冗余以太網(wǎng)的設(shè)計
摘要: 本文提出了兩種基于BF537構(gòu)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(shè)計。最后經(jīng)過測試,,方案2的切換效果和時間非常理想,,最終在實際項目中得到了應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: RF|微波 以太網(wǎng) Blackfin MAC
Abstract:
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0 引言

  隨著信息技術(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(tǒng)接口互聯(lián)的主要媒介。在金融機(jī)構(gòu),、政府部門,、軍事應(yīng)用等特殊應(yīng)用場合對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求非常高,為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗毀性,,常常采用雙冗余的設(shè)計方式,。雙冗余網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)是以故障檢測為基礎(chǔ),通過軟件檢查,、交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)卡協(xié)同處理共同完成的,。冗余網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方式通常是在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用雙網(wǎng)卡,中間用兩個HUB或交換機(jī)相連,。這樣當(dāng)某個節(jié)點的一塊網(wǎng)卡,、網(wǎng)線或者HUB出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)會馬上啟用另一塊冗余網(wǎng)卡使得系統(tǒng)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(gòu)建方案和實現(xiàn)方法,。

  1 BF537結(jié)構(gòu)特點

  BF537是Blackfin家族的升級產(chǎn)品,其在標(biāo)準(zhǔn)Blackfin內(nèi)核的基礎(chǔ)上擁有更加豐富的接口,,并在內(nèi)部集成了一個以太網(wǎng)MAC控制器,。BF537的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

  Blackfin內(nèi)核包含2個乘/累加器(MAC),,2個40位的ALU,,4個視頻專用8位ALU和1個40位移位器。運算單元處理來自寄存器組的8位,、16位或者32位數(shù)據(jù),。每個MAC每周期可完成一個16位乘16位的乘法運算,并把結(jié)果累加到40位的累加器中,提供8位的精度擴(kuò)展,。ALU單元執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運算,,由于2個ALU具備對16位或32位數(shù)據(jù)操作的能力,因此運算單元具備的靈活性可以滿足各種應(yīng)用中信號處理的要求,。每個32位的輸入寄存器可以作為2個16位的寄存器,,因此每個ALU可以完成非常靈活的單16位算術(shù)運算。通過把寄存器當(dāng)作2個16位的操作數(shù)使用,,雙16位或單32位操作可以在1個周期中完成,。更好地利用第二個ALU,四個16位操作可以簡單地完成,,加速了每個周期的吞吐量,。強(qiáng)大的40位移位器功能豐富,可以對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來自具有16個16位操作數(shù)或8個32位操作數(shù)的寄存器組,。

  同時BF537把存儲器視為一個統(tǒng)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(jié)構(gòu),。Level(L1)存儲器一般以全速運行,,沒有或只有很少的延遲,。Level 2(L2)/Level 3(L3)分布在片內(nèi)或片外,,對它的訪問會耗費多個處理器周期。在L1級,,指令存儲器只存放指令,,2個數(shù)據(jù)存儲器存放數(shù)據(jù),一個專用的臨時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),。

  2 雙冗余以太網(wǎng)構(gòu)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(gòu)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(gòu)建雙冗余以太網(wǎng)的方案,。

  2.1 基于獨立MAC控制器的設(shè)計方案

  上文中提到,BF537在內(nèi)部集成了一個支持IEEE802.3 MAC控制層協(xié)議的MAC控制器,,只需要在外部外接一個以太網(wǎng)接口芯片,,便可以形成一個完整的以太網(wǎng)通道。因此本文選擇了SMSC公司的LAN8187,,它提供了標(biāo)準(zhǔn)的MII總線接口,,可以方便地與BF537相連接,連接方式如圖2所示。其中在MII總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā),,MDC和MDIO則用來完成對接口芯片LAN8187寄存器的讀寫,。本文在下面稱由BF537的MAC控制器與物理層接口芯片LAN8187構(gòu)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(kuò)展一個以太網(wǎng)控制器,,見圖2,選擇同樣來自于SMSC公司的LAN91C-111,,通過BF537的外部總線與之相連,。選擇LAN91C111的16位總線工作方式,其A0~A15與BF537的地址總線相連,,DO~D15與BF537的數(shù)據(jù)總線相連,,并由BF537的AMS信號控制LAN91C111的片選,外部PF管腳來響應(yīng)來自LAN91C111的中斷請求,。

  具有獨立MAC控制器的雙冗余以太網(wǎng)的設(shè)計方案如圖2所示,。

  2.2 基于共用MAC控制器的設(shè)計方案

  從應(yīng)用角度分析,即使系統(tǒng)擁有獨立的MAC控制器,,在實際應(yīng)用中也需要要求兩個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間,,影響到網(wǎng)絡(luò)通信實時性。

  因此本文提出了一套MAC控制器,,兩個以太網(wǎng)接口芯片的方案,。該設(shè)計方案通過一片CPLD將BF537的MII總線分別轉(zhuǎn)接到兩片LAN8187上,并由BF537來控制轉(zhuǎn)接的時機(jī),,如圖3所示,。這樣形成了兩個以太網(wǎng)通信通道,大大簡化了設(shè)計,,提高了冗余切換的實時性,。

  3 冗余切換軟件設(shè)計

  3.1 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測

  冗余切換的實現(xiàn)首先在于對網(wǎng)絡(luò)實時在線監(jiān)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,,通過配置其各位,,可以完成芯片軟復(fù)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,,對其查詢可以得到自協(xié)商結(jié)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 2兩個寄存器標(biāo)識了芯片的Chip ID,。

  因此,,對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的實時監(jiān)測實際上就是實時讀取Basic Status Register,并對結(jié)果做出判斷,。

  3.2 程序設(shè)計

  可以通過操作BF537的寄存器EMAC_STAADD完成其對LAN8187寄存器的讀寫,。

  對LAN8187寄存器讀寫的函數(shù)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(jiān)測采用輪詢的機(jī)制,,即設(shè)定一個信號量Link_status,,其周期為2ms,因此每隔2 ms,,Ether_moniter線程被觸發(fā)一次,。在Ether_moniter中通過調(diào)用RdPHYReg()函數(shù),讀取Basic Status Register的值,,并判斷Link位,。Ether-moniter線程流程圖如圖4所示。

  對于設(shè)計方案1來講,,當(dāng)檢測到需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時,,需要停用當(dāng)前網(wǎng)卡初始化備用網(wǎng)絡(luò)LAN91C111并設(shè)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開發(fā)簡單的上位機(jī)測試程序,,每隔1 ms發(fā)送一個UDP數(shù)據(jù)報,,并給每個數(shù)據(jù)報編寫不同的序號。在BF537中編寫程序不斷接收上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)報,。然后制造網(wǎng)絡(luò)通信故障,,本文構(gòu)建的冗余網(wǎng)絡(luò)將會自動切換到備用通道繼續(xù)接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)報。最后通過檢測接收到數(shù)據(jù)報的序號來確定冗余切換所消耗的時間,。分別對兩種方案所構(gòu)建的冗余網(wǎng)絡(luò)的切換進(jìn)行測試,,結(jié)果如表2所示。

  從實驗結(jié)果可以看出方案2具有快速切換的優(yōu)點,丟包率低,;方案1平均丟包數(shù)遠(yuǎn)大于方案2,,并且切換時間長。

  5 結(jié)語

  提出了兩種基于BF537構(gòu)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(shè)計,。最后經(jīng)過測試,方案2的切換效果和時間非常理想,,最終在實際項目中得到了應(yīng)用,。

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