專利名稱：智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種板卡，特別是一種智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性和有效性的要求越來(lái)越高，為了提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠性和有效性，在網(wǎng)卡中引入雙冗余設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分必要的舉措。當(dāng)雙冗余網(wǎng)卡中的其中一路網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，可迅速切換到冗余備份的另一路，確保網(wǎng)絡(luò)可靠。由于雙網(wǎng)切換對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高，如何快速地實(shí)現(xiàn)雙冗余網(wǎng)卡的切換就成了一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。目前采用的雙冗余網(wǎng)卡多是基于主機(jī)的軟件切換技術(shù)，依靠系統(tǒng)主機(jī)對(duì)雙網(wǎng)的鏈路狀態(tài)進(jìn)行輪詢來(lái)達(dá)到雙網(wǎng)的切換目的。要求切換的速度越快，輪詢的頻率就越高，主機(jī)切換任務(wù)上的開銷就越大。由于雙網(wǎng)切換對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高，因此，當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)運(yùn)算任務(wù)較重時(shí)，雙網(wǎng)切換方式無(wú)疑成為系統(tǒng)性能提升的瓶頸。并且該網(wǎng)卡可能與系統(tǒng)其它設(shè)備形成
競(jìng)爭(zhēng)，相互影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡，包括主控制器、存儲(chǔ)模塊、PCI非透明橋模塊、PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊、百兆以太網(wǎng)物理層模塊、 百兆以太網(wǎng)交換模塊和RS232串口模塊，所述存儲(chǔ)模塊、PCI非透明橋模塊、PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊、百兆以太網(wǎng)物理層模塊、百兆以太網(wǎng)交換模塊和RS232串口模塊分別與主控制器相連接，其中PCI非透明橋模塊實(shí)現(xiàn)主控制器和外部主板的之間的橋接，主控制器通過(guò)PCI 雙千兆以太網(wǎng)模塊擴(kuò)展兩路千兆以太網(wǎng)接口，主控制器通過(guò)百兆以太網(wǎng)物理層模塊擴(kuò)展一路百兆以太網(wǎng)接口，主控制器通過(guò)百兆以太網(wǎng)交換模塊擴(kuò)展了 8路百兆交換端口，主控制器通過(guò)RS232串口模塊擴(kuò)展了兩路RS232串口。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為1)智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡通過(guò)引入一種智能的網(wǎng)絡(luò)處理器，在不增加主機(jī)負(fù)擔(dān)的前提下，通過(guò)本板上運(yùn)行的軟件切換技術(shù)，可智能、快速的實(shí)現(xiàn)雙冗余千兆網(wǎng)口的切換，切換時(shí)間小于1ms，大大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性；2)本發(fā)明的板卡可提供8路百兆交換端口，可方便快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和組網(wǎng)功能；3)本發(fā)明的板卡采用加固PCI總線技術(shù)，可有效的應(yīng)用在工業(yè)環(huán)境中。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1為本發(fā)明的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡兩片SDRAM接口配置圖。
圖3為本發(fā)明的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡仲裁和中斷分配示意圖。圖4本發(fā) 明的軟件切換工作狀態(tài)遷移圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡，包括主控制器、存儲(chǔ)模塊、PCI非透明橋模塊、PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊、百兆以太網(wǎng)物理層模塊、百兆以太網(wǎng)交換模塊和RS232串口模塊，所述存儲(chǔ)模塊、PCI非透明橋模塊、PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊、百兆以太網(wǎng)物理層模塊、百兆以太網(wǎng)交換模塊和RS232串口模塊分別與主控制器相連接，其中PCI 非透明橋模塊實(shí)現(xiàn)主控制器和外部主板的之間的橋接，主控制器通過(guò)PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊擴(kuò)展兩路千兆以太網(wǎng)接口，主控制器通過(guò)百兆以太網(wǎng)物理層模塊擴(kuò)展一路百兆以太網(wǎng)接口，主控制器通過(guò)百兆以太網(wǎng)交換模塊擴(kuò)展了 8路百兆交換端口，主控制器通過(guò)RS232串口模塊擴(kuò)展了兩路RS232串口。PCI非透明橋通過(guò)CPCI總線的Jl連接器和外部主板連接，千兆以太網(wǎng)接口、百兆以太網(wǎng)接口、百兆以太網(wǎng)交換接口和RS232串口通過(guò)CPCI總線的 J3-J5連接至外部設(shè)備。所述主控制器為Intel IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器。所述存儲(chǔ)模塊包括Flash存儲(chǔ)器、 EEPROM配置芯片和兩片SDRAM內(nèi)存。所述PCI非透明橋模塊為PLX6254芯片。所述PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊為Intel 82546芯片。所述百兆以太網(wǎng)交換模塊為RTL8309交換芯片。本發(fā)明的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡的主要功能是基于網(wǎng)絡(luò)處理器IXP425 的CPCI總線外圍板，由網(wǎng)絡(luò)處理器，F(xiàn)LASH, SDRAM組成智能系統(tǒng)，運(yùn)行VxWorks操作系統(tǒng)， 可通過(guò)軟件切換技術(shù)對(duì)千兆雙冗余網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換。對(duì)外可提供10/100/1000M以太網(wǎng)接口、 10/100M以太網(wǎng)交換接口、RS232接口等。以下為各子系統(tǒng)部分的技術(shù)途徑
a.主控制器采用的是Intel的IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器，主頻最高可以達(dá)到533MHz，其內(nèi)嵌XScale核心和3個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理引擎，還包含了 SDRAM控制器、PCI接口控制器、擴(kuò)展總線、 UART接口以及GPIO接口等。b.兩片SDRAM內(nèi)存位于專用SDRAM接口上，使用SDRAM控制器來(lái)控制SDRAM。 SDRAM設(shè)備位寬32位，容量64MB。c. FLASH存儲(chǔ)器位于擴(kuò)展總線上，數(shù)據(jù)線16位、地址線24位，時(shí)鐘信號(hào)由GPI015 提供，片選信號(hào)cs#
，容量16MB。d.以太網(wǎng)接口包括2路10/100/1000M接口和1路10/100M以太網(wǎng)接口。其中2 路10/100/1000M接口由PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊擴(kuò)展而來(lái)，具體芯片為Intel 82546，連接至 IXP425的PCI控制器接口。IXP425集成2個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理引擎，即網(wǎng)絡(luò)處理引擎0 (NPEO)和網(wǎng)絡(luò)處理引擎1 (NPE1)，1路10/100M以太網(wǎng)接口通過(guò)百兆以太網(wǎng)物理層模塊擴(kuò)展得到，物理層芯片為RTL8201，連接至網(wǎng)絡(luò)處理引擎1 (NPEl)上。e.主控制器通過(guò)以太網(wǎng)交換芯片RTL8309擴(kuò)展了 8路百兆以太網(wǎng)交換端口，交換芯片提供MII接口與網(wǎng)絡(luò)處理引擎0 (NPEO)互連。f. RS232 通訊接口位于 IXP425 的 UART 接口。g. PCI橋芯片采用PLX6254，配置為非透明工作方式。本發(fā)明的板卡運(yùn)行VxWorks操作系統(tǒng)，當(dāng)板卡與主設(shè)備相連上電運(yùn)行時(shí)，板上的操作系統(tǒng)通過(guò)軟件對(duì)雙網(wǎng)的鏈路狀態(tài)進(jìn)行輪詢，來(lái)達(dá)到雙網(wǎng)的切換目的。由于軟件切換是在本板上實(shí)現(xiàn)的，這樣在很大程度上減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)，雙網(wǎng)切換時(shí)間小于lms，大大提高了雙網(wǎng)切換速度。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述
本發(fā) 明的系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)的主控制器為IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器，與FLASH、 EEPROM和兩片SDRAM組成智能處理系統(tǒng)，其中SDRAM設(shè)備位于專用SDRAM接口上，使用 SDRAM控制器來(lái)控制SDRAM，SDRAM設(shè)備位寬32位，容量64MB。FLASH設(shè)備位于擴(kuò)展總線上， 數(shù)據(jù)線16位、地址線24位，時(shí)鐘信號(hào)由GPI015提供，片選信號(hào)CS#
，容量16MB。IXP425還通過(guò)GPIO總線控制串行EEI3ROM,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)分別為GPIO 6和GPIO 7。IXP425通過(guò)PCI 總線與外部主設(shè)備相連，外部主設(shè)備可經(jīng)由非透明橋通過(guò)PCI總線來(lái)訪問(wèn)主芯片，IXP425 芯片的PCI總線上還擴(kuò)展了雙千兆的網(wǎng)絡(luò)控制器Intel 82546，實(shí)現(xiàn)雙千兆的網(wǎng)絡(luò)端口。通過(guò)其UART接口，IXP425擴(kuò)展了兩個(gè)RS232通信串口，可供系統(tǒng)通信和調(diào)試。IXP425內(nèi)部集成了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器引擎(NPE)，其中一個(gè)NPE通過(guò)物理層芯片RTL8201實(shí)現(xiàn)了 10/100M網(wǎng)絡(luò)接口功能，另一個(gè)NPE通過(guò)MII接口與10/100M以太網(wǎng)交換芯片RTL8309相連，擴(kuò)展了 8 口的全交換以太網(wǎng)端口。Intel IXP425和SDRAM的連接如圖2所示，SDRAM總共由兩塊容量為32MB的 SDRAM組成，總?cè)萘繛?4MB，即512Mbit。兩片SDRAM組成一個(gè)BANK，IXP425最多可支持兩個(gè)BANK，由于只使用了一組BANK，信號(hào)SDM_CS_N[1 0]中僅用到了 SDM_CS_N0，只有使用了兩組BANK，SDM_CS_N1才會(huì)被用到，而不論讀操作還是寫操作，每次都僅僅只會(huì)使用SDM_ CS_N[1:0]中的一個(gè)信號(hào)。本發(fā)明的仲裁和中斷分配示意圖如圖3所示，仲裁分布情況為IXP425使用的其 PCI總線仲裁器；Intel 82546使用REQ/GNT1 ；PLX6254使用REQ/GNT0。板上PCI總線中斷方面，IXP425通過(guò)擴(kuò)展GPIO總線，GPI0[8 11]提供4個(gè)中斷輸入信號(hào)。各設(shè)備中斷分布情況如下所示PLX6254 的 S 端 IDSEL=PCI_AD23, S_INT#=PCI_INTD# ；PLX6254 的 P 端 IDSEL=CPCI_IDSEL, P_INT#=CPCI_INTA# ；Intel 82546 的 IDSEL=PCI_AD24, INTA#=PCI_ INTA#, INTB#=PCI_INTB#0智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡軟件切換工作狀態(tài)遷移圖如圖4所示雙冗余網(wǎng)卡根據(jù)鏈路狀態(tài)的不同，其工作狀態(tài)可分為四種。狀態(tài)1是當(dāng)前網(wǎng)卡和備份網(wǎng)卡都處于良好狀態(tài)；狀態(tài)2是當(dāng)前網(wǎng)卡良好，備份網(wǎng)卡故障；狀態(tài)3是當(dāng)前網(wǎng)卡故障，備份網(wǎng)卡良好；狀態(tài)4是當(dāng)前網(wǎng)卡和備份網(wǎng)卡都有故障。根據(jù)故障監(jiān)測(cè)模塊的監(jiān)測(cè)結(jié)果，雙冗余網(wǎng)卡的狀態(tài)在這四種狀態(tài)之間遷移。智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡具體的狀態(tài)遷移過(guò)程如下所述 當(dāng)工作在狀態(tài)1時(shí)，若當(dāng)前網(wǎng)卡發(fā)生故障，切換至狀態(tài)3，若備份網(wǎng)卡故障，切換至狀態(tài)2，若當(dāng)前網(wǎng)卡和備份網(wǎng)卡同時(shí)發(fā)生故障，切換至狀態(tài)4;工作在狀態(tài)2時(shí)，若備份網(wǎng)卡故障解除， 切換至狀態(tài)1，若當(dāng)前網(wǎng)卡故障，切換至狀態(tài)4，若當(dāng)前網(wǎng)卡發(fā)生故障且備份網(wǎng)卡工作解除， 切換至狀態(tài)3 ；工作在狀態(tài)3時(shí)，若當(dāng)前網(wǎng)卡故障解除，切換至狀態(tài)1，若備份網(wǎng)卡故障，切換至狀態(tài)3，若發(fā)生切換操作，將備份網(wǎng)卡切換為當(dāng)前網(wǎng)卡，切換至狀態(tài)2 ；工作在狀態(tài)4時(shí)，若當(dāng)前網(wǎng)卡和備份網(wǎng)卡故障同時(shí)解除，切換至狀態(tài)1，若當(dāng)前網(wǎng)卡故障解除，切換至狀態(tài)2，若備份網(wǎng)卡故障解除，切換至狀態(tài)3。在狀態(tài)之間遷移的過(guò)程中，設(shè)備切換任務(wù)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)決定是否執(zhí)行切換操作以及其他的輔助操作。
切換任務(wù)為周期運(yùn)行任務(wù)，由網(wǎng)卡初始化時(shí)發(fā)起。在任務(wù)中周期性的對(duì)兩個(gè)通道的狀態(tài)進(jìn)行判斷，只有在檢測(cè)到狀態(tài)3向狀態(tài)2的轉(zhuǎn)換，即在工作通道出現(xiàn)故障并且備用通道正常的情況下才進(jìn)行通道切換。切換就是工作通道與備用通道交換，因此必須保證兩個(gè)通道具有相同的物理地址和IP地址，否則切換時(shí)間達(dá)不到要求甚至不能收發(fā)數(shù)據(jù)。為保證兩個(gè)通道物理地址相同，在初始化通道時(shí)只讀取第一個(gè)通道的物理地址，將此地址在初始化第二個(gè)通道時(shí)寫入到寄存器與設(shè)備結(jié)構(gòu)變量中，這樣就保證了物理地址的相同。對(duì)于IP 地址，在切換時(shí)讀取工作通道的IP地址，將此IP地址設(shè)置到備用通道即可。在傳統(tǒng)的雙冗余網(wǎng)卡中，切換任務(wù)完全由主機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，切換任務(wù)周期時(shí)間選擇需要在切換時(shí)間要求和系統(tǒng)開銷間平衡，如 果周期時(shí)間太大則切換時(shí)間要求不能滿足，如果周期時(shí)間太小則系統(tǒng)開銷將增大，影響到應(yīng)用程序的執(zhí)行，周期時(shí)間在20ms到50ms比較合適。由于本發(fā)明采取了智能的處理系統(tǒng)，切換任務(wù)完全在本板上運(yùn)行，不用考慮主板系統(tǒng)開銷的問(wèn)題，雙網(wǎng)切換時(shí)間可控制在Ims之內(nèi)。本發(fā)明的板卡可對(duì)外提供雙冗余的10/100/1000M以太網(wǎng)口和多路10/100M交換端口?？芍悄?、快速的實(shí)現(xiàn)雙冗余千兆網(wǎng)口的切換，大大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。
權(quán)利要求
1.一種智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡，其特征在于，包括主控制器、存儲(chǔ)模塊、PCI 非透明橋模塊、PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊、百兆以太網(wǎng)物理層模塊、百兆以太網(wǎng)交換模塊和 RS232串口模塊，所述存儲(chǔ)模塊、PCI非透明橋模塊、PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊、百兆以太網(wǎng)物理層模塊、百兆以太網(wǎng)交換模塊和RS232串口模塊分別與主控制器相連接，其中PCI非透明橋模塊實(shí)現(xiàn)主控制器和外部主板的之間的橋接，主控制器通過(guò)PCI雙千兆以太網(wǎng)模塊擴(kuò)展兩路千兆以太網(wǎng)接口，主控制器通過(guò)百兆以太網(wǎng)物理層模塊擴(kuò)展一路百兆以太網(wǎng)接口，主控制器通過(guò)百兆以太網(wǎng)交換模塊擴(kuò)展了 8路百兆交換端口，主控制器通過(guò)RS232串口模塊擴(kuò)展了兩路RS232串口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡，其特征在于，所述主控制器為Intel IXP425網(wǎng)絡(luò)處理器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡，其特征在于，所述存儲(chǔ)模塊包括Flash存儲(chǔ)器、EEPROM配置芯片和兩片SDRAM內(nèi)存。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡，其特征在于，所述PCI 非透明橋模塊為PLX6254芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡，其特征在于，所述PCI 雙千兆以太網(wǎng)模塊為Intel 82546芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能雙冗余千兆以太網(wǎng)處理板卡，其特征在于，所述百兆以太網(wǎng)交換模塊為RTL8309交換芯片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能、可快速切換、并且可減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的雙冗余千兆智能以太網(wǎng)處理板卡。該板卡通過(guò)引入智能網(wǎng)絡(luò)處理芯片，將切換過(guò)程定位在本板上進(jìn)行，在實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和快速切換的同時(shí)，又能大大減輕系統(tǒng)主機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，可靠性和可用性。同時(shí)，該板卡還擴(kuò)展了8個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換端口，可方便快速的進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)交換功能。本發(fā)明的板上運(yùn)行VxWorks操作系統(tǒng)，通過(guò)軟件切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙冗余千兆網(wǎng)絡(luò)的快速切換，且采用加固的PCI總線技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性要求較高的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。
文檔編號(hào)H04L12/28GK102347899SQ20111021306
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者劉煜, 張望遠(yuǎn), 王維興 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所