摘要：根據(jù)大屏幕行業(yè)應(yīng)用的高可靠性要求，設(shè)計(jì)了雙主機(jī)冗余視頻顯示方案。利用目前最新的PCI Exrpess總線技術(shù)，在橋芯片PEX8696的基礎(chǔ)上搭建雙主機(jī)通信通道，通過非透明橋的心跳寄存器傳送主機(jī)的信息，從而實(shí)現(xiàn)了從機(jī)對主機(jī)工作監(jiān)控的功能，達(dá)到高可靠性的要求。在系統(tǒng)啟動初期，針對可能出現(xiàn)的情況，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制，保證冗余系統(tǒng)的正常啟動和運(yùn)行。分析結(jié)果表明，該視頻冗余的設(shè)計(jì)機(jī)制合理，系統(tǒng)中各狀態(tài)轉(zhuǎn)換安全，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：冗余;非透明橋;視頻顯示;PCI Express;PEX8696

　　冗余系統(tǒng)的重要性

　　近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，國內(nèi)各領(lǐng)域各行業(yè)都非常重視信息化建設(shè)，對信息的可視化需求也急劇擴(kuò)大，特別是一些監(jiān)控中心、指揮中心、調(diào)度中心等重要場所的需要，人們對于觀看的顯示圖像尺寸的要求越來越大，對顯示圖像提供的信息量要求越來越多，人們要求可以在一個超大尺寸的屏幕上同時顯示多個不同信息的圖像和文字信息，要求大屏幕的各個單元顯示的圖像能夠?qū)崿F(xiàn)無縫連接。隨著大屏幕拼墻應(yīng)用領(lǐng)域的不斷推廣，在醫(yī)療影像、指揮調(diào)度中心等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了高可靠性的需求，而且這種需求非常迫切。如在臨床手術(shù)中，醫(yī)療影像的中斷可能會威脅到一個病人的生命，這些需求促使人們開發(fā)高可靠性視頻顯示系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)的可靠性體現(xiàn)在很多方面，包括了元器件的選擇、降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等。冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)即為了保險起見，采取兩套同樣配置的硬件、軟件，目的是在其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一套系統(tǒng)能立即啟動，并代替工作，這好比演員的替身，兩套完整好用的系統(tǒng)也許單獨(dú)運(yùn)行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改變內(nèi)部設(shè)計(jì)的情況下，這套系統(tǒng)的穩(wěn)定性立即可以大幅度提高!假如單獨(dú)系統(tǒng)的故障率為50%，而冗余系統(tǒng)馬上可以將故障率降低到25%。本文主要從主機(jī)冗余的角度考慮，目的是實(shí)現(xiàn)一個具有備份功能的視頻顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)將采用PCI Express協(xié)議和透明橋技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙主機(jī)冗余設(shè)計(jì);利用PLX公司的橋接芯片PEX 8696將雙主機(jī)連接起來實(shí)現(xiàn)主機(jī)備份功能。

　　PCI Express總線

　　PCI Express是新一代的總線接口。早在2001年的春季，英特爾公司就提出了要用新一代的技術(shù)取代PCI總線和多種芯片的內(nèi)部連接，并稱之為第三代I/O總線技術(shù)。它徹底變革原來的PCI總線的并行技術(shù)，克服PCI總線在系統(tǒng)帶寬、傳輸速度等方面的缺陷。它的優(yōu)越性能滿足了計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域時于I/O數(shù)據(jù)傳輸高速度和高可靠性的要求。

　　與原有的PCI總線相比較，PCI Express總線具有以下特點(diǎn)。

　　(1)在數(shù)據(jù)傳輸模式上，PCIe總線采用雙通道串行傳輸模式。一條PCIe通道包含2對LVDS差分線對，一對負(fù)責(zé)發(fā)送，一對負(fù)責(zé)接收，目前PCIe 2.0單向的數(shù)據(jù)率為5Gbit/s。

　　(2)與PCI總線上所有沒備共享一條總線不同，PCIe總線采用點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)，能夠?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備分配獨(dú)立的通道資源，充分保障設(shè)備的帶寬，提高數(shù)據(jù)傳輸率，同時可以實(shí)現(xiàn)多個設(shè)備并行工作。

　　(3)具有很好的靈活性，一個PCIe物理連接可以根據(jù)實(shí)際需求配置成×l、×2、×4，×8、×16、×32個并行的數(shù)據(jù)通道，以滿足不同設(shè)備之間通信帶寬的要求。

　　(4)在軟件層與PCI總線完全兼容。原有的總線的驅(qū)動程序可以完全移植到PCIe總線架構(gòu)的系統(tǒng)中。

　　(5)串行連接采用自時鐘技術(shù)，時鐘內(nèi)嵌于串行數(shù)據(jù)的8bit/10bit編碼中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸率的自適應(yīng)調(diào)整。

　　(6)串行數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?/p>

　　在大屏幕拼接顯示領(lǐng)域，由于顯示單元數(shù)目比較多，需要同時接入多個數(shù)據(jù)卡，PCIe總線擴(kuò)展技術(shù)顯得非常關(guān)鍵。利用透明橋芯片，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)PCIe總線的擴(kuò)展。我們的系統(tǒng)需要一個能支持較多PCIe通道，同時支持多主機(jī)連接和容錯機(jī)制的橋芯片。經(jīng)過對多個芯片手冊的研究，我們發(fā)現(xiàn)PLX公司的一款芯片PEX8696非常適合這套冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。該芯片符合PCIe2.0規(guī)范[2]，并且兼容PCIe1.1規(guī)范，包含了PCIe電源管理特性;支持Base Mode(基本模式)和Visual Switch Mode(虛擬開關(guān)模式)的PCIe擴(kuò)展;具有96個PCIe通道，每個通道功率最大僅僅為900mW;具有24個端口，端口通道可以靈活配置，同時支持均衡和非均衡端口配置功能;支持多主機(jī)功能和容錯功能，包括了1+1容錯和N+1容錯功能;無阻塞的芯片架構(gòu)，PICe的數(shù)據(jù)包交換時間小于150ns;支持非透明橋功能;配置靈活，支持硬連接配置、EEPROM配置、SMBUS(系統(tǒng)管理總線)配置和主機(jī)軟件配置四種方式。圖1為PEX8696芯片內(nèi)部模塊圖[2]，從圖中我們可以看到該芯片96個PCIe通道分別在6個Station內(nèi)，各個Station是分別獨(dú)立的，通過內(nèi)在的Fabric連接起來;邏輯模塊承擔(dān)了大部分芯片功能的實(shí)現(xiàn)，如PCIe協(xié)議實(shí)現(xiàn)、通道的管理和仲裁功能、芯片配置功能等;Packet Ram模塊主要是提供數(shù)據(jù)的緩沖功能。

冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　冗余顯示系統(tǒng)采用了雙主機(jī)備份系統(tǒng)，一個主機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)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(jìn)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(kuò)展技術(shù)，將PCIe總線擴(kuò)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(jī)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(jìn)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(jìn)入HOST2的監(jiān)管，同時也就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性。

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

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

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

　　(3)備機(jī)自檢發(fā)現(xiàn)故障page--]轉(zhuǎn)入故障狀態(tài);

　　(4)進(jìn)入故障狀態(tài)的設(shè)備給出報警信息，經(jīng)修復(fù)后進(jìn)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(jī)，可用來指示它還活著。從設(shè)備主機(jī)可監(jiān)控主設(shè)備主機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)對主機(jī)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(jī)2接管主機(jī)1的過程進(jìn)行詳細(xì)描述。

　　當(dāng)主機(jī)1工作時候，主機(jī)2處于待機(jī)模式。兩個主機(jī)之間通過心跳消息通信。正常工作過程中，主機(jī)處理器完成所有的正常職責(zé)，因?yàn)樗鲃庸芾硐到y(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(jì)中同時也保護(hù)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(yàn)證主機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)2的端口配置成上行端口，把主機(jī)1的端口配置成非透明橋端口，同時拆除主機(jī)1的鏈路;然后，主機(jī)2通過操作橋控制寄存器，對原理主機(jī)1中的設(shè)備進(jìn)行重啟操作;最后，在清除了隊(duì)列中遺留的所有事務(wù)或者由于主機(jī)1發(fā)生故障而遺留的非完成狀態(tài)之后，主機(jī)2重新對所有設(shè)備進(jìn)行枚舉，經(jīng)過枚舉后，系統(tǒng)開始正常運(yùn)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(jì)了一套雙主機(jī)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(jì)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。