基于VxWorks的雙端口網(wǎng)卡智能雙冗余驅(qū)動(dòng)
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冗余設(shè)計(jì)作為一種提高系統(tǒng)可靠性的有效方法，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的單個(gè)節(jié)點(diǎn)，常常需要對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行雙冗余備份，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，中間用兩個(gè)集線器或交換機(jī)互連，當(dāng)正常通信的網(wǎng)卡或線路出現(xiàn)故障時(shí)該節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)地切換到備份網(wǎng)卡進(jìn)行通信。
目前大多數(shù)操作系統(tǒng)(如Windows、Unix、Linux等)都支持多網(wǎng)卡，但均非冗余設(shè)計(jì)，每塊網(wǎng)卡都有獨(dú)立的物理地址和IP地址，以獨(dú)立的形式供應(yīng)用系統(tǒng)使用。要實(shí)現(xiàn)真正的智能雙冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，必須自行設(shè)計(jì)專用的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序，以透明的形式提交高層應(yīng)用系統(tǒng)使用，使系統(tǒng)感覺不到雙網(wǎng)卡的存在。本文使用盛博公司PC104結(jié)構(gòu)SCM/DETH型10M雙端口以太網(wǎng)卡，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于VxWorks的智能雙冗余網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。
1 VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)原理
1.1 VxWorks系統(tǒng)簡介
VxWorks操作系統(tǒng)是美國風(fēng)河公司(Wind River System)推出的一款運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁減的嵌入式強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)包括了進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個(gè)部分，只占用了很小的存儲(chǔ)空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運(yùn)行。它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。
VxWorks主要有以下特點(diǎn)：
(1)具有高度可剪裁的操作系統(tǒng)微內(nèi)核Wind；
(2)具有比較優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)處理能力，適用于多種物理介質(zhì)的TCP/IP協(xié)議族支持；
(3)具有極其豐富的BSP，支持多處理器系統(tǒng)，最多可以支持20個(gè)CPU；
(4)具有友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，便于操作、配置和應(yīng)用程序的開發(fā)調(diào)試；
(5)具有較好的兼容性，支持POSIX1003.1b；
(6)支持多種開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。支持C語言、C++語言以及JAVA虛擬機(jī)。
1.2 VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)原理
VxWorks中支持兩種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序——BSD4.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序和可裁減的增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)堆棧SENS(Scalable Enhanced Networks Stack)。BSD4.3標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與IP協(xié)議的緊密結(jié)合，而SENS協(xié)議棧提供了可替換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，即增強(qiáng)型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序END(Enhanced Networks Driver)。
SENS模型包含三個(gè)部分：協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序、多元接口層(MUX)和END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。它獨(dú)立于硬件設(shè)備接口，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序細(xì)化，使開發(fā)者可以專注于驅(qū)動(dòng)程序(END驅(qū)動(dòng))本身的開發(fā)。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的智能雙冗余驅(qū)動(dòng)即是一個(gè)符合SENS模型標(biāo)準(zhǔn)的END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)。在END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)中主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡設(shè)備的裝載，網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文接收及發(fā)送等功能。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，操作系統(tǒng)通過網(wǎng)卡加載函數(shù)調(diào)用到END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，在加載過程中完成網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化、內(nèi)存池的分配、網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)的填寫等操作，最后通過指針傳遞的方式將網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)和13個(gè)網(wǎng)卡操縱函數(shù)提交給MUX層，供上層系統(tǒng)操作網(wǎng)卡工作時(shí)使用。
2 智能雙冗余驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)
2.1 智能雙冗余驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原理
智能雙冗余驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，虛線框內(nèi)為智能雙冗余驅(qū)動(dòng)。在VxWorks系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先要遍歷配置文件confignet.h中的網(wǎng)卡設(shè)備表endDevTbl[ ]，設(shè)備表中包含雙端口網(wǎng)卡上兩個(gè)網(wǎng)卡的地址及中斷等配置參數(shù)；然后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用sysDethEnd.c中的sysDethEndLoad(…)函數(shù)，將兩個(gè)網(wǎng)卡的配置參數(shù)以函數(shù)入口參數(shù)的形式傳遞給智能雙冗余驅(qū)動(dòng)的裝載函數(shù)dethEndLoad(…)；裝載函數(shù)為每個(gè)網(wǎng)卡設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)控制結(jié)構(gòu)，對(duì)入口配置參數(shù)進(jìn)行解析，并為每個(gè)網(wǎng)卡設(shè)備分配一塊內(nèi)存空間，用系統(tǒng)的配置要求初始化兩個(gè)網(wǎng)卡，同時(shí)填寫好網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)；最后，智能雙冗余驅(qū)動(dòng)將主通道網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)指針提交給MUX層，并發(fā)起網(wǎng)絡(luò)故障診斷定時(shí)器任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)故障診斷任務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)故障診斷定時(shí)器任務(wù)配合網(wǎng)絡(luò)故障診斷任務(wù)執(zhí)行，使用看門狗定時(shí)器Watchdog timer完成1ms定時(shí)，每定時(shí)1次釋放1次二進(jìn)制信號(hào)量sem_netDiagnose；網(wǎng)絡(luò)故障診斷任務(wù)循環(huán)等待接收信號(hào)量sem_netDiagnose，取到信號(hào)量后立即判斷主通道網(wǎng)卡設(shè)備的端口狀態(tài)(連接/非連接)，當(dāng)端口處于連接狀態(tài)時(shí)，任務(wù)循環(huán)等待下次信號(hào)量，當(dāng)端口處于非連接狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)故障診斷任務(wù)交換主通道與備用通道的控制結(jié)構(gòu)內(nèi)容，備用通道網(wǎng)卡設(shè)備變?yōu)橹魍ǖ谰W(wǎng)卡設(shè)備開始工作，但對(duì)于上層應(yīng)用來說，網(wǎng)卡的控制結(jié)構(gòu)并沒有改變。
2.2 網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)
在智能雙冗余網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中使用一個(gè)控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控制一塊網(wǎng)卡設(shè)備，控制結(jié)構(gòu)中包含網(wǎng)卡的中斷向量、I/O基址、總線類型、介質(zhì)類型、物理地址等特性信息。這些信息有的在網(wǎng)卡設(shè)備表endDevTbl[ ]中，在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中作為驅(qū)動(dòng)裝載函數(shù)的參數(shù)傳遞到驅(qū)動(dòng)中；有的保存在網(wǎng)卡的PROM中，在網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序初始化時(shí)，將這些特性參數(shù)寫入網(wǎng)卡控制結(jié)構(gòu)。
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