基于Cortex-A8的以太網(wǎng)通信冗余設(shè)計

伍儒彬 梁瀟

摘 要：基于網(wǎng)絡(luò)通信的冗余需求，提出一種三網(wǎng)口以太網(wǎng)通信設(shè)計方案。方案采用Cortex-A8內(nèi)核的AM3352芯片，利用芯片兩個以太網(wǎng)控制器及GPMC擴展DM9000A實現(xiàn)3個以太網(wǎng)通信功能端口，為提升GPMC的總線優(yōu)勢，設(shè)計一種掉電存儲解決方案。軟件部分對冗余機制網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)提出兩種監(jiān)控模式，使冗余通信狀態(tài)得到及時反饋。實驗證明，該設(shè)計可滿足以太網(wǎng)冗余功能的需求。

關(guān)鍵詞：Cortex-A8;GPMC;以太網(wǎng);冗余機制

DOI：10. 11907/rjdk. 182708 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）008-0196-04

Ethernet Redundant Communication Design Based on Cortex-A8

WU Ru-bin， LIANG Xiao

（CNPC Beijing Richfit Information Technology Co.，Ltd， Beijing 100007， China）

Abstract： Based on the redundancy requirements of network communication， this paper proposes a solution of three-network Ethernet communication. The solution adopts the AM3352 chip of the Cortex-A8 core， uses the two Ethernet controllers included in the chip and the GPMC （General-Purpose Memory Controller） to extend the DM9000A to implement three Ethernet communication function ports， which is designed to broaden the bus advantage of GPMC. Two monitoring modes for the communication state of the network in the redundancy mechanism are proposed so that the redundant communication state is timely fed back. Through experiments， the design can meet the requirement of Ethernet redundancy function.

Key Words： Cortex-A8; GPMC; Ethernet; redundancy mechanism

作者簡介：伍儒彬（1982-），男，北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司工程師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用;梁瀟（1990-），男，北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司工程師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。

0 引言

隨著“工業(yè)4.0”、“物聯(lián)網(wǎng)”、“邊緣計算”等戰(zhàn)略及概念的提出，用戶針對實際應(yīng)用中以太網(wǎng)通信可靠性產(chǎn)品與方案提出更高要求。在高速列車通信[1-2]、地鐵車輛運行監(jiān)控系統(tǒng)[3]、電站監(jiān)控系統(tǒng)[4]、隧道PLC監(jiān)控系統(tǒng)[5]、船舶運輸通信中[6]，冗余通信是必備功能。在冗余通信設(shè)計中，多數(shù)通信冗余設(shè)計通過CAN總線實現(xiàn)，其特點是實現(xiàn)方案成熟、成本可控、兼容性好。在冗余系統(tǒng)實現(xiàn)方式上，程敏[7]對工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場的雙冗余系統(tǒng)和三冗余系統(tǒng)以GE公司的Mark vie系統(tǒng)為例，對冗余通信進行討論和對比;當(dāng)數(shù)據(jù)處理量增加或功能拓展及設(shè)備升級需要兼容現(xiàn)有設(shè)備通信時，趙楠等[8]提出一種帶有2個以太網(wǎng)口和3個CAN接口的通信設(shè)計模塊，以實現(xiàn)船舶內(nèi)部電氣設(shè)備之間的通信需求;樊劉華等[9]提出通過雙通信接口（PCI總線與以太網(wǎng)接口）實現(xiàn)上位機與采集、控制設(shè)備進行信息傳遞;陶濤等[10]提出一種無線（GPRS）通信與以太網(wǎng)通信結(jié)合的通信冗余方式，以解決燃氣場站測控系統(tǒng)以太網(wǎng)通信故障引起的數(shù)據(jù)傳輸中斷問題;文獻[10]-[11]采用類似方式，針對電力監(jiān)控系統(tǒng)進行研究;文獻[12]主要研究MODBUS下ZIGBEE冗余通信實現(xiàn)方法。

已有研究主要通過將有線（以太網(wǎng)等）與無線（GPRS＼ZigBee等）結(jié)合或者將高速通信（以太網(wǎng)）與低速通信（CAN等）結(jié)合的方式實現(xiàn)冗余通信。針對油田生產(chǎn)過程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸量較大、通信鏈路可靠性高等要求，提出一種三以太網(wǎng)通信端口的冗余通信設(shè)計方案，以高速通信方式（以太網(wǎng)）達成方案冗余實現(xiàn)，在保證通信傳輸可靠的前提下，滿足數(shù)據(jù)傳輸速率要求。

1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計采用的處理器為基于Cortex-A8內(nèi)核的AM3352芯片，為實現(xiàn)3個網(wǎng)絡(luò)接口的功能，通過GPMC總線擴展一個網(wǎng)絡(luò)接口功能，具體內(nèi)容如下。

1.1 AM3352處理器與DM9000A以太網(wǎng)控制器

AM3352是TI（德州儀器）公司采用ARM Cortex-A8內(nèi)核的一款高性能處理器。其主要特點如下：支持32為精簡指令集，支持多種工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，16位外部存儲器接口與通用存儲控制器接口（支持8 位或16位），實時時鐘管理，豐富的外部接口（包括2個集成PHY的以太網(wǎng)控制器、USB2.0、串口等），具體資源可參閱表1。

表1 AM3352芯片主要特性

[項目＼&特性描述＼&頻率及片內(nèi)存儲＼&頻率最高可達1GHZ;64KB通用片上存儲器，176KB片載啟動ROM，64KB專用RAM＼&外部存儲接口＼&支持LPDDR，DDR2，DDR3（L），最高800MHZ數(shù)據(jù)速率;1GB全部可尋址空間，通用控制器（GPMC）支持8位或16位異步存儲器＼&RTC（實時時鐘）＼&實時日期，內(nèi)部振蕩器，獨立復(fù)位輸入＼&外設(shè)＼&兩個以太網(wǎng)MAC，最多兩個控制器局域網(wǎng)（CAN），最多兩個主從 McSPI 串行接口，最多 6 個UART，兩個多通道音頻串行端口（McASP），8個32位通用計時器，支持LCD控制器，12位逐次逼近寄存器 （SAR）ADC，支持高速捕捉和高分辨率PWM等功能＼&其他＼&2個可編程實時單元，支持EtherCAT、PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IPTM等通信協(xié)議＼&封裝＼&298 引腳 S-PBGA-N298 Via Channel 封裝;324 引腳 S-PBGA-N324 封裝＼&]

DM9000A是DAVICOM公司提供的一款完全遵循IEEE820.3u標準的單芯片快速以太網(wǎng)控制器。其IO端口支持3.3V與5.0V的容限值，數(shù)據(jù)總線支持8位與16位兩種模式（但兩種模式的芯片引腳定義不一樣），支持對EEPROM的配置，具體特性見表2。

表2 DM9000A芯片主要特性

1.2 硬件整體架構(gòu)設(shè)計

基于前文所述的芯片特點，采用AM3352芯片+DM9000A的以太網(wǎng)通信方案，從硬件上實現(xiàn)具有3個以太網(wǎng)端口的以太網(wǎng)冗余通信方案，其硬件整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件整體架構(gòu)

在整體框架中，電源供給及管理電路為整個硬件提供電源與管理，有兩種實現(xiàn)方式，一種是整體模塊方案，該方案僅需添加簡單的輔助及保護電路即可提供穩(wěn)定的電壓輸出，包含隔離與非隔離兩種實現(xiàn)方法;另一種采用直流電壓轉(zhuǎn)換芯片，將電壓由較高的電壓轉(zhuǎn)換為適合硬件電路需要的電壓，稱為分離式方案，方案可提供多路不同電壓輸出，但電流輸出有一定限制，一般來說該方案不包括隔離功能。上述電源功能電路采用何種方案，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用場景及產(chǎn)品定位、成本控制等因素決定。一般惡劣工業(yè)應(yīng)用場景要求電壓具有隔離保護功能，此時可采用整體模塊方案[13-14]，而一般場合可采用電壓轉(zhuǎn)換芯片進行設(shè)計[15]。

AM3352中有專用的動態(tài)內(nèi)存控制接口與數(shù)據(jù)地址總線，支持動態(tài)內(nèi)存DDR3L，容量可支持到1Gb，設(shè)計時需要使用兩片及以上內(nèi)存時，對內(nèi)存總線布局有特殊要求[16]，需要兼容DDR3與DDR3L內(nèi)存時，需特別注意兩者之間在供電電壓上不一致。

AM3352支持兩個以太網(wǎng)控制器功能接口，電路設(shè)計時直接按RMII模式進行，外部電路外接PHY（物理接口收發(fā)器）芯片與網(wǎng)絡(luò)變壓器后，相關(guān)保護電路即可實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。而第3個網(wǎng)絡(luò)功能接口的實現(xiàn)需要通過AM3352中GPMC（General-Purpose Memory Controller）總線實現(xiàn)。與AM3352不同，DM9000A內(nèi)部自帶PHY功能，只需要外加網(wǎng)絡(luò)變壓器及保護功能電路即可實現(xiàn)以太網(wǎng)功能，詳情見圖2。 圖2中DM9000A數(shù)據(jù)總線SD0-SD15的16根總線與GPMC總線的數(shù)據(jù)總線互連，芯片片選信號連接至AM3352片選控制信號線，其它控制信號連接到對應(yīng)的功能IO端口;對外輸出的兩對差分信號（RX+，RX-;TX+，TX-）連接網(wǎng)絡(luò)變壓器，到此完成GPMC總線與DM9000A的信號部分連接。

整體框架設(shè)計圖中串口通信功能電路，CAN（Controller Area Network）通信功能電路以及輔助、調(diào)試電路需要根據(jù)需求進行必要的隔離或非隔離設(shè)計[17-19]。

1.3 存儲掉電保存設(shè)計

冗余通信架構(gòu)中，往往需要分析過去失效原因，在分析時需要提供失效前系統(tǒng)數(shù)據(jù)值與命令運行狀態(tài)，而存儲掉電保護功能則針對該需求提供了硬件基礎(chǔ)，具體設(shè)計如圖3所示。通過GPMC總線的AD0-AD15信號是數(shù)據(jù)總線也可以是地址總線，因此，連接內(nèi)存數(shù)據(jù)部分信號直接連接AD0-AD15即可，而地址部分的連接通過三態(tài)門D類觸發(fā)器（SN74LVC374）配合GPMC總線的ALE信號進行控制輸出，該邏輯控制的權(quán)限交由AM3352實現(xiàn)，硬件部分確保連接正確即可。

靜態(tài)內(nèi)存掉電后，其存儲的內(nèi)容將丟失，為使其不丟失，需要確保內(nèi)存不掉電，TPS3613芯片具有在兩種不同供電電源之間切換的功能，切換時間不大于100ms，如圖3中，系統(tǒng)正常供電是3V3，發(fā)生突然斷電后，TPS3613切換到鋰電池（VBAT_3V3）供電。另外，該芯片提供靜態(tài)內(nèi)存片選信號的過渡管理功能，當(dāng)系統(tǒng)3V3供電不正常時，靜態(tài)內(nèi)存片選信號無效，確保掉電瞬間內(nèi)存不發(fā)生讀寫操作，達到掉電存儲保護功能的目的。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用linux操作系統(tǒng)，設(shè)計重點在于擴展DM9000A驅(qū)動設(shè)計與以太網(wǎng)通信時冗余通信機制設(shè)計。

2.1 DM9000A驅(qū)動設(shè)計

通常DM9000A驅(qū)動包含以下內(nèi)容：

（1）設(shè)備注冊。主要通過probe函數(shù)完成，當(dāng)probe函數(shù)檢測到設(shè)備后，保存設(shè)備的資源信息，根據(jù)檢測到的設(shè)備資源信息申請內(nèi)存及中斷，最后調(diào)用注冊函數(shù)完成DM9000A注冊。

（2）設(shè)備狀態(tài)。設(shè)備通過狀態(tài)函數(shù)表述在內(nèi)核中的狀態(tài)，如從內(nèi)核中移除、移除后的狀態(tài)標志位處理、設(shè)備復(fù)位、初始化完成后的掛起及其相關(guān)標志位的處理，需要對應(yīng)函數(shù)進行處理。

（3）DM9000A開啟與停止。DM9000A通過GPMC數(shù)據(jù)地址總線進行數(shù)據(jù)傳輸與命令控制，因此需要定義其啟動后對應(yīng)流程，同樣地，停止工作也需定義對應(yīng)流程。

（4）數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸?shù)膶嵸|(zhì)是對數(shù)據(jù)進行傳輸，需要對數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收進行處理;同時，DM9000A通過中斷函數(shù)對應(yīng)的中斷調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸，如超時，則調(diào)用超時處理函數(shù)，對傳輸包進行必要的檢查、校驗是不可或缺的功能。

（5）硬件命令操作。主要利用DM9000A命令控制端口進行命令下發(fā)，狀態(tài)讀取，不同位模式的處理方式也不盡相同，此處應(yīng)注意地址偏移量的計算，可對照DM9000A數(shù)據(jù)手冊進行查核。DM9000A片選信號需要根據(jù)原理圖實際引腳進行設(shè)置及操作，若片選信號為置為有效狀態(tài)，則無法進行有效操作。

2.2 冗余通信機制設(shè)計

在多數(shù)對冗余機制要求不嚴格的條件下，可以采用linux內(nèi)核自帶的bonding驅(qū)動完成該功能，其主要有7種模式：①模式0：平衡輪詢循環(huán)策略;②模式1：主—備策略;③模式2：廣播策略;④模式3：平衡策略;⑤模式4：動態(tài)鏈接聚合策略;⑥模式5：自適應(yīng)傳輸負載均衡策略;⑦模式6：自適應(yīng)負載均衡。

常用模式是模式0和模式1，其具體操作可參考文獻[20]。使用bonding實現(xiàn)通信冗余功能可減少開發(fā)工作量，但不利于實時反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，因此需要增加一種監(jiān)控機制，及時將網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)反饋給中控端，具體設(shè)計流程如下：