資料介紹
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟,具有價格低廉、連接方便等優(yōu)點的以太網(wǎng)已成為各種控制系統(tǒng)接口互連的主要媒介。它作為一種通用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),在全球計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代艦船信息化程度的不斷提高,以太網(wǎng)技術(shù)也開始應(yīng)用于現(xiàn)代艦船信息系統(tǒng)中,不但要求信息傳輸速度快,抗干擾能力強,還要求網(wǎng)絡(luò)具有高穩(wěn)定性和高可靠性,在網(wǎng)絡(luò)局部故障或受損時,全系統(tǒng)不至于癱瘓失效。
冗余設(shè)計作為一種提高系統(tǒng)可靠性的有效方法,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的單個節(jié)點,常常需要對網(wǎng)卡進(jìn)行雙冗余備份,即每個節(jié)點都采用兩個網(wǎng)絡(luò)接口,中間用兩個集線器或交換機互連,當(dāng)正常通信的網(wǎng)卡或線路出現(xiàn)故障時該節(jié)點能自動地切換到備份網(wǎng)卡進(jìn)行通信。
目前大多數(shù)操作系統(tǒng)(如Windows、Unix、Linux等)都支持多網(wǎng)卡,但均非冗余設(shè)計,每塊網(wǎng)卡都有獨立的物理地址和IP地址,以獨立的形式供應(yīng)用系統(tǒng)使用。要實現(xiàn)真正的智能雙冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),必須自行設(shè)計專用的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序,以透明的形式提交高層應(yīng)用系統(tǒng)使用,使系統(tǒng)感覺不到雙網(wǎng)卡的存在。本文使用盛博公司PC104結(jié)構(gòu)SCM/DETH型10M雙端口以太網(wǎng)卡,設(shè)計實現(xiàn)了基于VxWorks的智能雙冗余網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。
1 VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動原理
1.1 VxWorks系統(tǒng)簡介
VxWorks操作系統(tǒng)是美國風(fēng)河公司(Wind River System)推出的一款運行在目標(biāo)機上的高性能、可裁減的嵌入式強實時操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)包括了進(jìn)程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個部分,只占用了很小的存儲空間,并可高度裁減,保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中。
VxWorks主要有以下特點:
?。?)具有高度可剪裁的操作系統(tǒng)微內(nèi)核Wind;
(2)具有比較優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)處理能力,適用于多種物理介質(zhì)的TCP/IP協(xié)議族支持;
?。?)具有極其豐富的BSP,支持多處理器系統(tǒng),最多可以支持20個CPU;
(4)具有友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境,便于操作、配置和應(yīng)用程序的開發(fā)調(diào)試;
?。?)具有較好的兼容性,支持POSIX1003.1b;
?。?)支持多種開發(fā)和運行環(huán)境。支持C語言、C++語言以及JAVA虛擬機。
1.2 VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動原理
VxWorks中支持兩種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序——BSD4.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序和可裁減的增強型網(wǎng)絡(luò)堆棧SENS(Scalable Enhanced Networks Stack)。BSD4.3標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序與IP協(xié)議的緊密結(jié)合,而SENS協(xié)議棧提供了可替換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序,即增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序END(Enhanced Networks Driver)。
SENS模型包含三個部分:協(xié)議驅(qū)動程序、多元接口層(MUX)和END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。它獨立于硬件設(shè)備接口,將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序細(xì)化,使開發(fā)者可以專注于驅(qū)動程序(END驅(qū)動)本身的開發(fā)。本文設(shè)計實現(xiàn)的智能雙冗余驅(qū)動即是一個符合SENS模型標(biāo)準(zhǔn)的END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。在END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動中主要實現(xiàn)網(wǎng)卡設(shè)備的裝載,網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化,網(wǎng)絡(luò)報文接收及發(fā)送等功能。在系統(tǒng)啟動后,操作系統(tǒng)通過網(wǎng)卡加載函數(shù)調(diào)用到END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動,在加載過程中完成網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化、內(nèi)存池的分配、網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)的填寫等操作,最后通過指針傳遞的方式將網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)和13個網(wǎng)卡操縱函數(shù)提交給MUX層,供上層系統(tǒng)操作網(wǎng)卡工作時使用。
2 智能雙冗余驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)
2.1 智能雙冗余驅(qū)動實現(xiàn)原理
智能雙冗余驅(qū)動的實現(xiàn)原理如圖1所示,虛線框內(nèi)為智能雙冗余驅(qū)動。在VxWorks系統(tǒng)啟動時,首先要遍歷配置文件confignet.h中的網(wǎng)卡設(shè)備表endDevTbl[ ],設(shè)備表中包含雙端口網(wǎng)卡上兩個網(wǎng)卡的地址及中斷等配置參數(shù);然后,系統(tǒng)會調(diào)用sysDethEnd.c中的sysDethEndLoad(…)函數(shù),將兩個網(wǎng)卡的配置參數(shù)以函數(shù)入口參數(shù)的形式傳遞給智能雙冗余驅(qū)動的裝載函數(shù)dethEndLoad(…);裝載函數(shù)為每個網(wǎng)卡設(shè)備創(chuàng)建一個控制結(jié)構(gòu),對入口配置參數(shù)進(jìn)行解析,并為每個網(wǎng)卡設(shè)備分配一塊內(nèi)存空間,用系統(tǒng)的配置要求初始化兩個網(wǎng)卡,同時填寫好網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu);最后,智能雙冗余驅(qū)動將主通道網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)指針提交給MUX層,并發(fā)起網(wǎng)絡(luò)故障診斷定時器任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)故障診斷任務(wù)。
冗余設(shè)計作為一種提高系統(tǒng)可靠性的有效方法,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的單個節(jié)點,常常需要對網(wǎng)卡進(jìn)行雙冗余備份,即每個節(jié)點都采用兩個網(wǎng)絡(luò)接口,中間用兩個集線器或交換機互連,當(dāng)正常通信的網(wǎng)卡或線路出現(xiàn)故障時該節(jié)點能自動地切換到備份網(wǎng)卡進(jìn)行通信。
目前大多數(shù)操作系統(tǒng)(如Windows、Unix、Linux等)都支持多網(wǎng)卡,但均非冗余設(shè)計,每塊網(wǎng)卡都有獨立的物理地址和IP地址,以獨立的形式供應(yīng)用系統(tǒng)使用。要實現(xiàn)真正的智能雙冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),必須自行設(shè)計專用的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序,以透明的形式提交高層應(yīng)用系統(tǒng)使用,使系統(tǒng)感覺不到雙網(wǎng)卡的存在。本文使用盛博公司PC104結(jié)構(gòu)SCM/DETH型10M雙端口以太網(wǎng)卡,設(shè)計實現(xiàn)了基于VxWorks的智能雙冗余網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。
1 VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動原理
1.1 VxWorks系統(tǒng)簡介
VxWorks操作系統(tǒng)是美國風(fēng)河公司(Wind River System)推出的一款運行在目標(biāo)機上的高性能、可裁減的嵌入式強實時操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)包括了進(jìn)程管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個部分,只占用了很小的存儲空間,并可高度裁減,保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中。
VxWorks主要有以下特點:
?。?)具有高度可剪裁的操作系統(tǒng)微內(nèi)核Wind;
(2)具有比較優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)處理能力,適用于多種物理介質(zhì)的TCP/IP協(xié)議族支持;
?。?)具有極其豐富的BSP,支持多處理器系統(tǒng),最多可以支持20個CPU;
(4)具有友好的開發(fā)調(diào)試環(huán)境,便于操作、配置和應(yīng)用程序的開發(fā)調(diào)試;
?。?)具有較好的兼容性,支持POSIX1003.1b;
?。?)支持多種開發(fā)和運行環(huán)境。支持C語言、C++語言以及JAVA虛擬機。
1.2 VxWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動原理
VxWorks中支持兩種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序——BSD4.3網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序和可裁減的增強型網(wǎng)絡(luò)堆棧SENS(Scalable Enhanced Networks Stack)。BSD4.3標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序與IP協(xié)議的緊密結(jié)合,而SENS協(xié)議棧提供了可替換的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序,即增強型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序END(Enhanced Networks Driver)。
SENS模型包含三個部分:協(xié)議驅(qū)動程序、多元接口層(MUX)和END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。它獨立于硬件設(shè)備接口,將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序細(xì)化,使開發(fā)者可以專注于驅(qū)動程序(END驅(qū)動)本身的開發(fā)。本文設(shè)計實現(xiàn)的智能雙冗余驅(qū)動即是一個符合SENS模型標(biāo)準(zhǔn)的END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動。在END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動中主要實現(xiàn)網(wǎng)卡設(shè)備的裝載,網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化,網(wǎng)絡(luò)報文接收及發(fā)送等功能。在系統(tǒng)啟動后,操作系統(tǒng)通過網(wǎng)卡加載函數(shù)調(diào)用到END型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動,在加載過程中完成網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化、內(nèi)存池的分配、網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)的填寫等操作,最后通過指針傳遞的方式將網(wǎng)卡設(shè)備控制結(jié)構(gòu)和13個網(wǎng)卡操縱函數(shù)提交給MUX層,供上層系統(tǒng)操作網(wǎng)卡工作時使用。
2 智能雙冗余驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)
2.1 智能雙冗余驅(qū)動實現(xiàn)原理
智能雙冗余驅(qū)動的實現(xiàn)原理如圖1所示,虛線框內(nèi)為智能雙冗余驅(qū)動。在VxWorks系統(tǒng)啟動時,首先要遍歷配置文件confignet.h中的網(wǎng)卡設(shè)備表endDevTbl[ ],設(shè)備表中包含雙端口網(wǎng)卡上兩個網(wǎng)卡的地址及中斷等配置參數(shù);然后,系統(tǒng)會調(diào)用sysDethEnd.c中的sysDethEndLoad(…)函數(shù),將兩個網(wǎng)卡的配置參數(shù)以函數(shù)入口參數(shù)的形式傳遞給智能雙冗余驅(qū)動的裝載函數(shù)dethEndLoad(…);裝載函數(shù)為每個網(wǎng)卡設(shè)備創(chuàng)建一個控制結(jié)構(gòu),對入口配置參數(shù)進(jìn)行解析,并為每個網(wǎng)卡設(shè)備分配一塊內(nèi)存空間,用系統(tǒng)的配置要求初始化兩個網(wǎng)卡,同時填寫好網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu);最后,智能雙冗余驅(qū)動將主通道網(wǎng)卡設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)指針提交給MUX層,并發(fā)起網(wǎng)絡(luò)故障診斷定時器任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)故障診斷任務(wù)。
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