雙主機冗余顯示系統(tǒng)的分析和設(shè)計

　　冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　冗余顯示系統(tǒng)采用了雙主機備份系統(tǒng)，一個主機在工作時候出現(xiàn)致命問題不能恢復(fù)時候，則由另外一臺主機接管其所有的業(yè)務(wù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用目前通用的工業(yè)計算機平臺PICMG1.3規(guī)范，將一塊PEX8696置于系統(tǒng)底板中，同時在底板設(shè)計2個符合PICMG1.3規(guī)范的插槽和16個PCIe×4的插槽。視頻輸入卡可以兼容多種視頻信號的輸入，包括了RGB、Video等信號;視頻輸出采用GPU卡進行硬件加速等各種圖象處理，支持多通道輸出。系統(tǒng)的架構(gòu)框圖如圖2，采用了目前常用的PCIe擴展技術(shù)，將PCIe總線擴展出16個×4的PCIe通道，其中8個×4通道供視頻數(shù)據(jù)輸入用，8個×4通道供GPU(圖像處理單元)處理顯示用。上行端口采用了兩個×16的PCIe通道連接了HOST1和HOST2，兩個主機通過橋芯片PEX8696的門鈴寄存器互通信息。當(dāng)HOST1出現(xiàn)致命錯誤不能正常工作時候，可以在程序中預(yù)先設(shè)置流程，通過門鈴寄存器將此信息傳遞到HOST2;HOST2接收到此信息后，啟動復(fù)位操作，對橋芯片進行重新配置，屆時原來由HOST1控制的所有視頻輸入和GPU卡等將通過通道的重新配置進入HOST2的監(jiān)管，同時也就實現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性。

　　主機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖見圖3[3]。任一主機上電時，進人競爭及檢測狀態(tài)，競爭原則是先啟動者為主機;后啟動者為備機。狀態(tài)轉(zhuǎn)換方法包括：

　　(1)通過自檢，若主機發(fā)現(xiàn)自身有故障，在心跳寄存器和備機正常的條件下，經(jīng)過門鈴寄存器通知備機升為主機，本身轉(zhuǎn)人故障狀態(tài);

　　(2)若主機發(fā)生故障，不能在規(guī)定時間內(nèi)向備機發(fā)心跳信息及有關(guān)信息，備機經(jīng)核實主機已放棄主用狀態(tài)條件下，自動轉(zhuǎn)入主機狀態(tài);

　　(3)備機自檢發(fā)現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)入故障狀態(tài);

　　(4)進入故障狀態(tài)的設(shè)備給出報警信息，經(jīng)修復(fù)后進入再次競爭狀態(tài)。

　　PEX8696中有一些比較特殊的寄存器功能，包括了門鈴寄存器和心跳消息。門鈴寄存器被用來從非透明橋的一邊向另一邊發(fā)送中斷。非透明橋的兩邊一般都有軟件可以控制的中斷請求寄存器和相應(yīng)的中斷屏蔽寄存器。這些寄存器在非透明橋的兩邊都是可以被訪問的。心跳消息一般來自主設(shè)備端往從設(shè)備端的主機，可用來指示它還活著。從設(shè)備主機可監(jiān)控主設(shè)備主機的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)出錯，它就可以采取一些必要的措施。通過門鈴寄存器可以傳送心跳消息。當(dāng)從設(shè)備主機沒有收到一定數(shù)量預(yù)先規(guī)定好的心跳消息時，就可以認(rèn)為主設(shè)備的主機出錯了。本系統(tǒng)中就是采用了上述寄存器的特殊功能來實現(xiàn)對主機的監(jiān)控和工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的，下面將對系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，主機2接管主機1的過程進行詳細描述。

　　當(dāng)主機1工作時候，主機2處于待機模式。兩個主機之間通過心跳消息通信。正常工作過程中，主機處理器完成所有的正常職責(zé)，因為它要主動管理系統(tǒng)。此外，它還需要定時發(fā)送心跳消息給備份處理器。心跳消息是發(fā)起消息的處理器健康與否的標(biāo)志。心跳消息在該系統(tǒng)設(shè)計中同時也保護了一些特定的數(shù)據(jù)，以減少誤報警的可能性。心跳消息承擔(dān)了為備份處理器驗證主機處理器功能是否正常的工作，同時，這一數(shù)據(jù)也提供所有外圍設(shè)備的最新活動和狀態(tài)。如果備份主機不能及時地接收到心跳消息[4]，它將開始承擔(dān)控制。首先，它將主機1中的端口降為下行端口，以防止已經(jīng)發(fā)送故障的處理器與系統(tǒng)的其他部分交互。該變換是通過使用非透明橋端口中的BAR(基地址寄存器 )提供的寄存器CSR(空間配置寄存器)存儲器進行地址映射[5]，以重新編程交換器的CSR來完成;接著，需要將主機2的端口配置成上行端口，把主機1的端口配置成非透明橋端口，同時拆除主機1的鏈路;然后，主機2通過操作橋控制寄存器，對原理主機1中的設(shè)備進行重啟操作;最后，在清除了隊列中遺留的所有事務(wù)或者由于主機1發(fā)生故障而遺留的非完成狀態(tài)之后，主機2重新對所有設(shè)備進行枚舉，經(jīng)過枚舉后，系統(tǒng)開始正常運行。

　　結(jié)語

　　本文主要針對目前在醫(yī)療、監(jiān)控等領(lǐng)域的高可靠性高清大屏的應(yīng)用，專門設(shè)計了一套雙主機冗余系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了目前最新的PCIe總線技術(shù)，結(jié)合PLX公司提供高靈活性的透明橋芯片以及非透明橋技術(shù)，在不改變常規(guī)視頻顯示系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計的情況下，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅度提高，系統(tǒng)故障率降低到原來的50%;同時該系統(tǒng)采用了具有96個PCIe通道的橋芯片，大大減少了橋芯片的使用，降低了系統(tǒng)的成本。