基于BF537的双冗余以太网的设计与实现

随着信息技术的高速发展，网络通信也显得越发重要，以太网也成为了各种控制系统接口互联的主要媒介。在金融机构、政府部门、军事应用等特殊应用场合对网络系统的稳定性要求非常高，为了提高系统的可靠性和抗毁性，常常采用双冗余的设计方式。双冗余网络的实现是以故障检测为基础，通过软件检查、交换机及网络节点的网卡协同处理共同完成的。冗余网络的构建方式通常是在每个网络节点采用双网卡，中间用两个HUB或交换机相连。这样当某个节点的一块网卡、网线或者HUB出现故障时，系统会马上启用另一块冗余网卡使得系统仍能够正常运行。本文基于BF537提出了两种冗余网络的构建方案和实现方法。

1 BF537结构特点

BF537是Blackfin家族的升级产品，其在标准Blackfin内核的基础上拥有更加丰富的接口，并在内部集成了一个以太网MAC控制器。BF537的内部结构如图1所示。



Blackfin内核包含2个乘／累加器(MAC)，2个40位的ALU，4个视频专用8位ALU和1个40位移位器。运算单元处理来自寄存器组的8位、16位或者32位数据。每个MAC每周期可完成一个16位乘16位的乘法运算，并把结果累加到40位的累加器中，提供8位的精度扩展。ALU单元执行标准的算术和逻辑运算，由于2个ALU具备对16位或32位数据操作的能力，因此运算单元具备的灵活性可以满足各种应用中信号处理的要求。每个32位的输入寄存器可以作为2个16位的寄存器，因此每个ALU可以完成非常灵活的单16位算术运算。通过把寄存器当作2个16位的操作数使用，双16位或单32位操作可以在1个周期中完成。更好地利用第二个ALU，四个16位操作可以简单地完成，加速了每个周期的吞吐量。强大的40位移位器功能丰富，可以对数据进行移位、循环移位、归一化、提取和存储等操作。运算单元所使用的数据来自具有16个16位操作数或8个32位操作数的寄存器组。

同时BF537把存储器视为一个统一的4 GB的地址空间，使用32位地址并采用分级的存储器结构。Level(L1)存储器一般以全速运行，没有或只有很少的延迟。Level 2(L2)／Level 3(L3)分布在片内或片外，对它的访问会耗费多个处理器周期。在L1级，指令存储器只存放指令，2个数据存储器存放数据，一个专用的临时数据存储器存放堆栈和局部变量信息。在L2／L3级可以存放指令和数据。

2 双冗余以太网构建方案

从硬件角度看，以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口(PHY)两大部分构成，本文从是否具备独立的MAC控制器出发提出了两种不同的构建双冗余以太网的方案。

2．1 基于独立MAC控制器的设计方案

上文中提到，BF537在内部集成了一个支持IEEE802．3 MAC控制层协议的MAC控制器，只需要在外部外接一个以太网接口芯片，便可以形成一个完整的以太网通道。因此本文选择了SMSC公司的LAN8187，它提供了标准的MII总线接口，可以方便地与BF537相连接，连接方式如图2所示。其中在MII总线上进行数据的收发，MDC和MDIO则用来完成对接口芯片LAN8187寄存器的读写。本文在下面称由BF537的MAC控制器与物理层接口芯片LAN8187构成的以太网通道为主网络通道。

如果要求双冗余网络通道拥有独立的MAC控制器，则需在BF537外部扩展一个以太网控制器，见图2，选择同样来自于SMSC公司的LAN91C-111，通过BF537的外部总线与之相连。选择LAN91C111的16位总线工作方式，其A0～A15与BF537的地址总线相连，DO～D15与BF537的数据总线相连，并由BF537的AMS信号控制LAN91C111的片选，外部PF管脚来响应来自LAN91C111的中断请求。

具有独立MAC控制器的双冗余以太网的设计方案如图2所示。



2．2 基于共用MAC控制器的设计方案

从应用角度分析，即使系统拥有独立的MAC控制器，在实际应用中也需要要求两个MAC控制器拥有相同的物理地址，因为若MAC地址不同，冗余切换将引起协议层中ARP绑定表的变化，重新映射ARP表中物理地址和IP地址之间的关系将增加冗余切换的时间，影响到网络通信实时性。

因此本文提出了一套MAC控制器，两个以太网接口芯片的方案。该设计方案通过一片CPLD将BF537的MII总线分别转接到两片LAN8187上，并由BF537来控制转接的时机，如图3所示。这样形成了两个以太网通信通道，大大简化了设计，提高了冗余切换的实时性。



3 冗余切换软件设计

3．1 网络状态监测

冗余切换的实现首先在于对网络实时在线监测，本文中检测的方法基于LAN8187的寄存器。LAN8187寄存器定义如表1所示。其中，Basic Control Register为基本控制寄存器，通过配置其各位，可以完成芯片软复位、lO／100 MHz选择、全双工／半双工选择、LookBack模式选择、自协商等功能。Basic Status Register为基本状态寄存器，对其查询可以得到自协商结果、网络物理连接状态等网络基本状态。PHY Identifier 1／PHY Identitier 2两个寄存器标识了芯片的Chip ID。



因此，对网络状态的实时监测实际上就是实时读取Basic Status Register，并对结果做出判断。