基于CompactPCI/PSB总线的冗余系统设计

西北民族大学电气工程学院（甘肃 兰州 730030） 黄景廉

0 引言

CompactPCI总线是基于PCI电气规范开发的高性能工业总线，现在正逐步广泛应用于工控系统、通信和网络等行业，CompactPCI已成为PICMG组织支持的一项开放标准。CompactPCI标准将外设组件互连(PCI)标准特性与支持嵌入式应用的坚固机械外形完美结合在一起，其性能特征是专门针对工业环境而量身定制的。简单地说，CompactPCI总线=PCI总线的电气规范+标准针孔连接器(IEC-1076-4-101)+欧洲卡规范(IEC297/IEEE 1011.1)。

CompactPCI基于PICMG2.0规范，其电气特性与PCI总线相同，因此用户的软件和普通PC机兼容，现有的PCI外围卡也可以很容易地移植到CompactPCI平台上。CompactPCI使用2mm高密度针孔总线连接器，和使用金手指连接器的PCI卡相比，具有连接可靠、完全气密的特点，模块的抗震性和抗腐蚀性高。此外，CompactPCI模块采用经过20余年现场使用考验的欧规卡 (Eurocard)结构，采用垂直安装、前抽取结构，提高了模块的散热性、抗震性和易维护性。在电信和工业自动化领域，由于CompactPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，加上工控机设计者一般都掌握基于PC的嵌入式软硬件设计技术，而且基于Microsoft的软件和开发工具通用性强、使用者众多，所以，CompactPCI总线工控机得以迅速发展。

CompactPCI基于PICMG2.16规范，采用了PSB技术，使得用户可以通过PSB技术对CompactPCI上的板卡可通过以太网进行数据的交换。

为了保证工业控制平台的可靠性要求，一般来说都需要把系统设计为冗余系统。为了实现工业控制平台冗余的要求，本文利用PICMG 2.16规范中的PSB(Packet Switching Board)技术实现了热备冗余的要求。该冗余平台扩展性强，且有成熟的产品支持，将会在工业控制领域有广泛的应用前景。

1 系统结构与原理

本文设计的冗余系统选用美国Schroff公司出品的CPCI/PSB作为系统平台，如图1所示。该系统平台完整支持PICMG 2.0、PICMG R3.0、PICMG 2.1、PICMG 2.10、PICMG 2.11、PICMG 2.16、PICMG 2.9规范。两段 CPCI总线，每段1个系统槽，6个扩展槽，系统2个结构槽。第1、2、20、21槽可安装2块6U 电源模块或4块3U电源模块，实现电源模块的冗余。第3、4槽插PSB板卡，可实现第5到18槽板卡之间的数据交换。第5到11槽为一段独立的CPCI总线，第5槽为系统槽，6到11槽为扩展槽。第12到18槽为另一段独立的CPCI总线，第18槽为系统槽，第12到17槽为扩展槽。

本文设计的基于CPCI/PSB的冗余系统要求第5、18的系统槽插带CPU的板卡做为每段CPCI总线的“管理者”。为了实现系统冗余的切换功能，需要在每段CPCI总线的扩展槽上安装PCI-TO-PCI板桥，并与另一段的系统板卡通过专用的Local PCI背板总线相连。从而使得该系统板可以通过Local PCI背板总线去控制另一段CPCI总线。

通过上述分析可知由于每段CPCI上都安装了一块系统板卡和一块PCI-TO-PCI板桥，这样使得系统只剩下5个扩展槽，但是基于一般的工业控制应用仍然可以提供2N或N+1的I/O模块冗余备份。

图1 美国Schroff的标准CPCI/PSB背板拓扑图

1.1 系统板结构

该冗余系统平台的系统板卡结构与一般的标准系统板结构相似，除了一些主要元件如处理器CPU、存储器RAM、磁盘驱动等以外，还有以下一些具有特别功能的组件：以太网控制器及网口、Local PCI bus与CPCI总线之间的PCI-TO-PCI桥、连接到桥板的 Local PCI bus。两个系统板可通过PSB板卡进行数据交换。

1.2 PCI-TO-PCI板桥结构

桥板结构主要包括两部分：PCI桥接、热插拔控制器。

PCI桥接：当一个系统板的主CPU要控制另一段CPCI总线时，必须通过背板上的Local PCI总线，经过桥板上的PCI-TO-PCI桥的扩展，才能将该主CPU的Local PCI总线与另一段CPCI总线连接。

1.3 PSB板卡结构

PSB技术是基于PICMG 2.16规范设计的，它类似于一个以太网交换器，把两段CPCI总线上的节点全部连接在了一起，沟通了之间的联系。目前这种以PSB技术沟通CPCI两段总线的方式分为两种，一种是单PSB结构，一种是双PSB结构。

单PSB结构的CPCI背板由一个结构槽和若干节点槽组成，并通过结构槽将他们联系起来。单PSB结构的网络拓扑结构就像星型一样，每个节点槽通过一个10/100/1000 Mbps全双工以太网和结构槽连接。节点槽的联系是通过与结构槽进行数据包的交换进行的，而结构槽同时也与一个和多个节点槽进行数据包的交换，从而通过结构槽完全沟通了所有节点槽之间的联系。

双PSB结构的CPCI背板由两个结构槽和若干节点槽组成。每个节点槽同时与两个结构槽相连，结构槽之间也互联。所以节点槽之间的数据交换可以通过结构槽A或者结构槽B进行，起到了冗余的作用，本文就是基于该系统架构设计的冗余工业控制平台。

1.4 IPMI总线

2000年2月，PICMG发布了具有重要意义的系统管理标准PICMG 2.9 R1.0，CompactPCI System Management Specification。标准为CPCI系统定义了基于IPMI接口规范的IPMB总线及其管理总线网络。互为备份的两个专用的系统管理控制器模板 (独立于主CPU)，实时采集和查询系统所有部件的事件日志(Event Log)，向系统管理员报告引起系统服务中断的异常事件，以便及时采取预防措施，防止系统崩溃。系统所有部件(包括CPU模板、I/O模板、包交换模板、无源背板、故障切换电路、机箱、电源、冗余磁盘阵列、风扇、网络以及环境条件等)的监视和管理都统一由管理软件和系统管理控制器通过IPMI接口和IPMB网络实现。

1.5 工作原理

本系统主要是为了满足工业控制的冗余性要求进行设计，故这里着重讨论本系统实现热备冗余切换的工作原理。热备冗余切换分为两种工作模式：扩展卡的切换、系统卡切换(即总线切换)。

不管是扩展卡的切换还是系统卡的切换，系统平台都可以通过IPMI总线探测到，并向系统管理员报告，即热备系统的CPU板卡。热备系统的CPU板卡得知主系统故障则向IPMI总线发起切换请求，并由IPMI进行执行切换，使得热备系统变为主系统。此时可根据IPMI报告的故障点对原来的主系统进行维修，以便尽快保持本系统平台热备的功能。基于CPCI/PSB总线设计的热备冗余系统如图2所示。

图2 基于CPCI/PSB总线设计的热备冗余系统

2 系统可靠性分析

本系统平台选用了高可靠性的CompactPCI/PSB平台，采用热备冗余的思想进行设计，系统所需要的背板、电源、CPU板卡等设备均有美国Schroff公司提供，PSB交换板由德国kontron公司提供，具有相当高的可靠性。本文采用英国ReliaSoft公司出品的BLOCKSIM可靠性分析软件进行计算，得到以下结果。

系统平台CPU板卡、背板、电源、PCI－TO－PCI桥、PSB交换板等设备的单独可靠性指标清单(均必要设备)如表1所示。

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系统结构原理图如图3所示。

图3 基于CPCI/PSB热备冗余系统结构原理图

图4 系统各模块可靠性关系图

限于产品资料有限，在进行系统可靠性分析的时候，我们利用每个模块的MTBF对系统可靠性进行分析。我们取故产品的可靠性为 R=!·e－!x。通过分析系统各个模块之间的串并联关系得到各个模块之间的可靠性关系图如图6：

经过BlockSim软件进行分析后得到该系统可靠性失效率和可靠度变化如图5，图6所示。

图5 系统失效率变化图

图6 系统可靠度变化图

根据BlockSim可靠性软件计算，本文设计的基于CPCI/PSB技术的热备冗余系统的MTBF为11581.94h。

3 结论

基于CompactPCI/PSB平台设计的热备冗余系统平台具有很强的扩展能力，不但能满足一般的工业控制要求，还可以设计成另外形式的可靠性系统结构。由于是实验室样机，故槽位只有16个。若需要很多I/O的系统则可以利用PCI-TO-PCI板桥进行扩展，理论上可以扩展到256个扩展槽。该热备冗余可靠性平台具有高可靠性、可维护性和可用性的特点可以将其运用到军工、航天、铁路、通讯等需要高可靠性要求的领域，具有广泛的市场前景。另外由于两段CPCI之间其实是在同一块无源背板上，存在着一个如果背板损坏则整套系统出现崩溃的局面，故建议搭建冗余系统。

[1] Rich Pellegrini，研制高可用的应用系统:CompactPCI和 AdvancedTCA的技术比较，2007年NMS白皮书，2007

[2] 邱建平.CPCI平台应用系统的可靠性设计[J].科技信息，2007(25)

[3] 熊庭刚，马中.基于CPCI热切换技术实现高可用适度并行系统[J].计算机工程与设计，2005(9)

[4] 贺迎芳，辛勤.如何给PCI卡选用合适的总线控制器[J].单片机与嵌入式系统应用，2002(2)