双主机冗余显示系统的分析和设计

摘要：根据大屏幕行业应用的高可靠性要求，设计了双主机冗余视频显示方案。利用目前最新的PCI Exrpess总线技术，在桥芯片PEX8696的基础上搭建双主机通信通道，通过非透明桥的心跳寄存器传送主机的信息，从而实现了从机对主机工作监控的功能，达到高可靠性的要求。在系统启动初期，针对可能出现的情况，设计了系统状态转换机制，保证冗余系统的正常启动和运行。分析结果表明，该视频冗余的设计机制合理，系统中各状态转换安全，大大提高了系统运行的可靠性。

本文引用地址：关键词：冗余;非透明桥;视频显示;PCI Express;PEX8696

冗余系统的重要性

近年来，随着国内经济的稳步发展，国内各领域各行业都非常重视信息化建设，对信息的可视化需求也急剧扩大，特别是一些监控中心、指挥中心、调度中心等重要场所的需要，人们对于观看的显示图像尺寸的要求越来越大，对显示图像提供的信息量要求越来越多，人们要求可以在一个超大尺寸的屏幕上同时显示多个不同信息的图像和文字信息，要求大屏幕的各个单元显示的图像能够实现无缝连接。随着大屏幕拼墙应用领域的不断推广，在医疗影像、指挥调度中心等领域的应用产生了高可靠性的需求，而且这种需求非常迫切。如在临床手术中，医疗影像的中断可能会威胁到一个病人的生命，这些需求促使人们开发高可靠性视频显示系统。

系统的可靠性体现在很多方面，包括了元器件的选择、降额设计、冗余设计等。冗余系统设计即为了保险起见，采取两套同样配置的硬件、软件，目的是在其中一套系统出现故障时，另一套系统能立即启动，并代替工作，这好比演员的替身，两套完整好用的系统也许单独运行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改变内部设计的情况下，这套系统的稳定性立即可以大幅度提高!假如单独系统的故障率为50%，而冗余系统马上可以将故障率降低到25%。本文主要从主机冗余的角度考虑，目的是实现一个具有备份功能的视频显示系统。系统将采用PCI Express协议和透明桥技术实现双主机冗余设计;利用PLX公司的桥接芯片PEX 8696将双主机连接起来实现主机备份功能。

PCI Express总线

PCI Express是新一代的总线接口。早在2001年的春季，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代I/O总线技术。它彻底变革原来的PCI总线的并行技术，克服PCI总线在系统带宽、传输速度等方面的缺陷。它的优越性能满足了计算机和通信领域时于I/O数据传输高速度和高可靠性的要求。

与原有的PCI总线相比较，PCI Express总线具有以下特点。

(1)在数据传输模式上，PCIe总线采用双通道串行传输模式。一条PCIe通道包含2对LVDS差分线对，一对负责发送，一对负责接收，目前PCIe 2.0单向的数据率为5Gbit/s。

(2)与PCI总线上所有没备共享一条总线不同，PCIe总线采用点对点技术，能够为系统内的所有设备分配独立的通道资源，充分保障设备的带宽，提高数据传输率，同时可以实现多个设备并行工作。

(3)具有很好的灵活性，一个PCIe物理连接可以根据实际需求配置成×l、×2、×4，×8、×16、×32个并行的数据通道，以满足不同设备之间通信带宽的要求。

(4)在软件层与PCI总线完全兼容。原有的总线的驱动程序可以完全移植到PCIe总线架构的系统中。

(5)串行连接采用自时钟技术，时钟内嵌于串行数据的8bit/10bit编码中，可实现数据传输率的自适应调整。

(6)串行数据以数据包的形式进行传输，保障了数据传输的完整性和可靠性。

在大屏幕拼接显示领域，由于显示单元数目比较多，需要同时接入多个数据卡，PCIe总线扩展技术显得非常关键。利用透明桥芯片，可以非常方便地实现PCIe总线的扩展。我们的系统需要一个能支持较多PCIe通道，同时支持多主机连接和容错机制的桥芯片。经过对多个芯片手册的研究，我们发现PLX公司的一款芯片PEX8696非常适合这套冗余系统的设计需求。该芯片符合PCIe2.0规范[2]，并且兼容PCIe1.1规范，包含了PCIe电源管理特性;支持Base Mode(基本模式)和Visual Switch Mode(虚拟开关模式)的PCIe扩展;具有96个PCIe通道，每个通道功率最大仅仅为900mW;具有24个端口，端口通道可以灵活配置，同时支持均衡和非均衡端口配置功能;支持多主机功能和容错功能，包括了1+1容错和N+1容错功能;无阻塞的芯片架构，PICe的数据包交换时间小于150ns;支持非透明桥功能;配置灵活，支持硬连接配置、EEPROM配置、SMBUS(系统管理总线)配置和主机软件配置四种方式。图1为PEX8696芯片内部模块图[2]，从图中我们可以看到该芯片96个PCIe通道分别在6个Station内，各个Station是分别独立的，通过内在的Fabric连接起来;逻辑模块承担了大部分芯片功能的实现，如PCIe协议实现、通道的管理和仲裁功能、芯片配置功能等;Packet Ram模块主要是提供数据的缓冲功能。

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