基于看門狗原理的冗余保護(hù)機(jī)制

段沛沛 王鋒茂

(1.西安石油大學(xué) 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(dāng)其中一張主控板故障時，可自動切換到另一張主控板進(jìn)行工作。為了實現(xiàn)自動切換，需要定義一套嚴(yán)格的機(jī)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(quán)，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(zhuǎn)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(shè)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(jī)制，使一個系統(tǒng)中的兩個主控板首先競爭系統(tǒng)控制權(quán)，競爭成功的主控板進(jìn)入活動狀態(tài)，競爭失敗的主控板則進(jìn)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(quán)會自動轉(zhuǎn)移到備用的主控板上。

2 主控板設(shè)計

主控板采用統(tǒng)一化的設(shè)計，雙機(jī)倒換功能主要由主處理器模塊、雙機(jī)模塊和單板管理模塊完成，各模塊之間的關(guān)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(shè)備，每個單板的IIC管理模塊為IIC從設(shè)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(quán)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(yīng)用動態(tài)雙機(jī)倒換的主控板

主處理器模塊實現(xiàn)本板狀態(tài)機(jī)的切換與運行，該模塊由IIC管理模塊送出的PORST#信號進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)主處理器復(fù)位后，首先應(yīng)當(dāng)禁用看門狗復(fù)位(WDEN=1)。ACT#為有效的低電平時，標(biāo)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(jī)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(jī)倒換機(jī)制中，該模塊主要用于主處理器模塊的復(fù)位處理。IIC模塊接受3種復(fù)位源，分別來自雙機(jī)模塊的WDRST#、MRRST#和IIC總線的復(fù)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(fù)位操作。

雙機(jī)模塊本板的監(jiān)測以及和對方主控板進(jìn)行交互、實現(xiàn)雙機(jī)監(jiān)測和切換，雙機(jī)模塊會監(jiān)測WDI信號，如果在設(shè)定周期內(nèi)沒有正常收到WDI信號，雙機(jī)模塊會在WDRST#信號上輸出低電平和ACTout#信號上輸出高電平。當(dāng)WDI恢復(fù)時，WDRST#信號上會立即恢復(fù)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(jìn)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(jī)模塊重新仲裁。

雙機(jī)模塊由看門狗電路和與非門構(gòu)成，看門狗電路實現(xiàn)對主處理模塊的故障檢測，監(jiān)測結(jié)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?，RS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(jī)模塊實現(xiàn)方式

3 雙機(jī)模塊設(shè)計

雙機(jī)模塊是雙機(jī)切換的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)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(jìn)入活動狀態(tài)，后啟動的主控板只能進(jìn)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(jī)設(shè)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(guān)系和切換條件如圖3所示。

只有當(dāng)主控板需要拔板或出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，才會處于斷電態(tài)。當(dāng)主控板插入時，主控板默認(rèn)為自動加電并進(jìn)入啟動態(tài)，該狀態(tài)用于主處理機(jī)初始化，由于啟動態(tài)處于不穩(wěn)定期，所以主處理機(jī)加電后應(yīng)當(dāng)暫時禁止看門狗，待正常啟動后，主處理機(jī)開始執(zhí)行喂狗操作，并使能看門狗。當(dāng)雙機(jī)模塊收到主處理機(jī)的喂狗信號后，便開始與對方主控板的雙機(jī)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(jī)模塊就可以將自身的輸出ACTout#置為有效，并標(biāo)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(jī)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(jī)根據(jù)ACT信號的狀態(tài)，決定自己進(jìn)入活動態(tài)或備用態(tài)。

圖3 主控板狀態(tài)機(jī)

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(dāng)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(zhuǎn)到活動態(tài)。

B.由啟動態(tài)到備用態(tài)

主控板要進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)到備用態(tài)，備用的主控板才能轉(zhuǎn)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(dāng)自身故障無法維持雙機(jī)模塊狀態(tài)時，主控板將會被看門狗強(qiáng)行復(fù)位，備用的雙機(jī)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(jī)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(dāng)原活動的主控板重新恢復(fù)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(dāng)活動的主控板重新恢復(fù)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(jié)束語

本文描述的基于看門狗電路的動態(tài)雙機(jī)切換機(jī)制，該設(shè)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(jī)制，有明顯的優(yōu)勢，尤其可為大型刀片式的電信設(shè)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(lǐng)域的設(shè)計成本，并加快研發(fā)進(jìn)度。

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