1 引 言
隨著計算機應用技術的發展，計算機應用已經早就從單機系統發展到網絡系統。但是隨著網絡系統的擴大，要保證整個大系統的正常運轉就遠比保證單機系統的正常運轉困難得多，不過只要處理好各個系統的協調關系以及提高關鍵系統（服務器系統）運行的可靠性，那么網絡系統在某種程度上就比單機系統更有保障。
如何保證系統的可靠性，是當今科技應用研究的熱點。現在常用的方法是：采用冗余技術提高系統的可靠性。常用的技術有：冷備份、溫備份和熱備份。冷備份指后備系統未運行；溫備份指后備系統在工作系統停止之前啟動并同步后才能停止運行系統；熱備份指后備系統運行并保持與工作系統時時同步。這些技術各有優缺點。熱備份需要時時保持后援系統與工作系統的狀態一致，那么后援系統必須時時運行，降低了系統的使用壽命，可冷備份又不能保證后援系統啟動后與工作系統的狀態一致。
2 實際中遇到問題的描述
該問題是在一個網絡ERP應用系統中遇到的，在該系統中，所有客戶端運行的軟件都需要訪問數據庫服務器上的數據庫，而客戶軟件記錄的是每天生產中的實時數據，這就必須保證數據庫服務器正常工作，否則整個網絡系統就不能運行，這將導致停止生產，給公司造成巨大的損失。如何保證系統的可靠性，就成為問題的關鍵所在。本文根據冗余技術的相關理論，結合三種備份技術的優缺點，使用溫備份技術，設計了一個基于Nios處理器的智能容錯系統，在實際應用中取得了良好的效果。
3 智能容錯系統的整體規劃
本文設計的系統可以在智能仲裁中制定系統的運行計劃，即：可以制定系統中兩個服務器的運行時間。在該系統中，每天兩臺服務器以12小時為單位交替運行。具體過程如下：
1）給智能仲裁器上電，然后按下仲裁器上的按鈕啟動一臺服務器，這臺服務器啟動后就開始工作。
2）工作服務器在更新數據庫的同時，通過串口通訊把相關同步信息發送給仲裁器（這里是操作數據庫的SQL語句），仲裁器收到同步信息后就把這些信息存入與仲裁器相連接的IDE硬盤上（在同步信息不多的情況下，最好在仲裁器上使用Flash）。
3）當計劃時間到了后，仲裁器就啟動后援服務器，然后每隔一定的時間檢測啟動的后援服務器是否已經到了可以工作的狀態。
4）如果在規定的檢測次數中，啟動的后援服務器還沒有到達可以工作的狀態，那么仲裁器就報警，提示用戶后援服務器出現故障了，這時就保持原工作服務器繼續運行。反之，如果在規定的檢測次數中檢測到后援服務器到達可以工作的狀態，就接著如下步驟運行。
5）仲裁器向后援服務器發送啟動同步的命令，后援服務器收到該命令后就通過串行口向仲裁器發送同步請求。
6）仲裁器收到后援服務器的同步請求后，就從硬盤中讀取同步信息并發送給后援服務器，后援服務器收到后就根據同步信息執行同步操作（這里是運行操作數據庫的SQL語句）。
7）當同步工作完成后，后援服務器就給仲裁器發送同步完成的消息，仲裁器收到該消息后，就分別向兩臺服務器發送網絡配置信息（如：IP地址等），以便命令各個服務器修改自己的網絡配置。
8）此時后援服務器已經成為工作服務器了，仲裁器向原工作服務器發送關機命令，以便關閉原工作服務器使之成為后援服務器。
整個過程到此為止，以后就反復上述過程運行整個系統，該系統的整體框架如圖1所示：
圖1 系統整體框架圖
圖1是工作服務器未發生故障時的流程。實際上，在工作服務器工作期間，仲裁器會在一定的時間間隔（這個時間間隔可以通過仲裁器設置，如系統要求的實時性較高，該間隔就要設置短一些；反之，設置長一些）內查詢服務器的狀態，從而得知服務器是否發生故障，如果發生故障，仲裁器就報警提示用戶，并且此時仲裁器啟動后援服務器。當仲裁器檢測到后援服務器可以工作時，就從硬盤上獲取同步信息進行后援服務器的同步工作。
4 智能容錯系統具體實現思想
4.1 硬件設計思想
本文討論的智能容錯系統，主要使用FPGA芯片，利用Nios軟核處理器強大的功能定制出一個滿足我們實際需要的SOC（系統級芯片），并使用該芯片與相關的外圍電路以及配合一定的軟件設計，實現了一個智能仲裁器，其原理框圖[5]如圖2所示：
圖2 仲裁器的原理圖
下面對上述原理圖進行簡單的介紹：
1）通用IO口PIO1只是當作輸出口使用，用于控制連接/斷開服務器電源的兩個繼電器、表示服務器狀態的雙色發光二極管（紅綠兩種顏色）和用于顯示時間間隔（用于決定多長時間檢測服務器的狀態）等級的一位八段數碼管。LED1、LED2分別用于指示兩臺服務器的工作狀態，綠色表示對應服務器正在工作；紅色表示對應服務器停止工作；紅色閃爍表示對應服務器發生故障，此時蜂鳴器會發出報警聲音。上圖中沒有畫出相應的驅動電路[7]。PIO1共占16位，高八位用于控制八段數碼管；0~3位用于控制兩個雙色發光二極管；4~5位用于控制兩個繼電器；6位用于控制蜂鳴器。
2）通用IO口PIO2只是當作輸入口使用，用于接受仲裁器上的控制按鍵。仲裁器上的SWA、SWB及SWL分別表示開啟A服務器、開啟B服務器及設置時間間隔等級的按鍵。SWA和SWB是開關型按鍵，即：按一下開，再按一下就關。SWL按鍵從0~9循環改變時間間隔的等級，并在八段數碼管上顯示等級。
3）IDE接口控制器是自定義用戶邏輯，用于訪問與仲裁器連接的IDE硬盤。
4）Timer1定時器用于控制各臺服務器的工作時間以及定時查詢服務器的工作狀態的，該定時器采用中斷方式工作。
5）Flash控制器，這里指的是CFI（Common Flash Interface）控制器，只要支持CFI命令的Flash都可以連接到該系統上。此處用于連接片外的16MB閃存，以便于存儲用戶程序和相關數據。在該仲裁器中，Flash的開始處保存Boot Loader，在系統啟動時，它把用戶程序復制到SDRAM中運行，這樣可以提高系統效率。
6）SDRAM控制器，用于連接片外64MB同步動態隨機訪問存儲器，以便于為程序提供運行環境。
7）UART0和UART1通過電平轉換芯片（MAX3232）轉換成RS-232電平以便與服務器通過串口通信。
8）WD Timer定時器，在這里作為看門狗定時器使用，以便提高仲裁器的可靠性，在仲裁器中運行的程序出現故障時，它給系統提供復位信號。
該系統是使用Quartus II進行硬件設計的，用其中的SOPC Builder工具[4]進行Avalon架構設計，圖3是仲裁器的Avalon架構的設計最終界面。由于篇幅有限，此處僅提供UART0、UART1和IDE硬盤相關的部分原理圖，如圖4所示。
圖3 SOPC Builder設計界面
圖4 部分原理圖
4.2 軟件設計思想
以上主要介紹了硬件部分的設計思想，下面簡單描述一下軟件開發的相關思想。該仲裁器的軟件開發使用Nios IDE[6]（Nios集成開發環境），主要包括如下模塊：
1）狀態獲取模塊：該模塊被Timer1定時器中斷例程定期調用，主要用于獲取服務器的當前狀態，其設計流程如圖5所示：
圖5 狀態獲取模塊流程
2）顯示模塊：用于輸出用戶關心的信息，如根據服務器的狀態用不同顏色點亮雙色發光二極管、顯示當前時間間隔等級以及控制蜂鳴器報警。
3）通訊模塊：主要用于與服務器進行通訊，以便給服務器發送命令以及獲得工作服務器的同步信息并把同步信息寫入硬盤中。
4）按鍵處理模塊：用于處理用戶按鍵，根據不同的按鍵進行不同的控制，如：開/關繼電器以及設置時間間隔等級。
5）硬盤訪問模塊：用于提供對硬盤進行讀寫操作的函數，以便需要操作硬盤的模塊調用。
6）讀寫Flash的模塊：用于讀取/修改仲裁器的相關參數，如：各服務器運行時間，檢測服務器狀態的時間間隔等。
5 結 論
本文提出的軟硬件設計思想經實踐證明是可行的，并且在實際的系統中工作良好。該思想可以進一步推廣到多機容錯系統中。在多機系統中，我們在定制好各臺機器的工作計劃后，就可以利用本文提到的給每臺服務器一個計劃運行時間這一思想來解決實際問題。另外，使用Nios軟核處理器，可以定制很多的UART口，這一點就遠遠優于需要擴展串口電路的普通單片機，從而在硬件設計和軟件設計上大大降低了難度。
本文作者創新點：1) 采用SOC（系統級芯片）設計出溫備份高速仲裁器。2) 將同步信息放到了仲裁器中。這樣，所有同步信息就不依賴于工作設備（如PC機），所以即使工作設備出現故障也無妨，這樣就大大提高了系統的可靠性。3) 能夠對工作設備進行計劃定制，傳統的溫備份仲裁器沒有這一功能。
參考文獻
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