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核级控制系统主控制器高速通讯总线技术的研究

上传者:郭春琪
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上传时间:2015-05-04
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核级控制系统主控制器高速通讯总线技术的研究



核级控制系统主控制器高速通讯总线技术的研究

姜群兴,胡立生

摘 要:通讯总线技术很大程度上决定了,核级数字化控制系统主控制器的冗余机制,从而决定了核级控制系统的可靠性。
常规工业控制系统,通常采用基于输出仲裁的主从热冗余机制,而基于寄存器备份的主从热冗余机制,已经成为核级数字化
控制系统主控制器技术的发展趋势。在概要介绍第三代通讯总线 Hypertransport 和 PCI Express 技术、及其独特技术优势的基
础上,该文探讨了 Hypertransport 和 PCI Express 技术在核级控制系统主控制器中的应用,给出了高可靠性 X86 嵌入式 CPU
和 FPGA 南北桥的核级控制系统主控制器的通讯总线方案,介绍了 CPU 与北桥之间 Hypertransport 接口、北桥与南桥之间
PCI Express 接口的 FPGA 实现,为下一步研发新一代核电控制系统主控制器打下了基础。
关键词:Hypertransport 总线;PCI Express 总线;主控制器;核级控制系统
中图分类号:TL362+.1 文献标志码:A
引言 0 Hypertransport 总线设备包括端接口和用户接口,端接
口连接的是点对点的单向传输的 Hypertransport 链路。数据
链路有两条,分别负责接收和发送。每条链路由数据路径、
控制信号线和时钟信号线组成。每条链路的数据路径可由 2
到 32 的数据线组成,但是标准的数据线数量是 2、4、8、
16、32。数据信息、命令信息和控制信息共用数据路径传输
[2]
。Hypertransport 总线的一般工作在 400MHZ 时钟频率下,
但是 HyperTransport 采用类似 DDR 的工作方式,所以在
400MHz 工作频率下,相当于 800MHz 的传输频率。又由于
Hypertransport 采用双向传输,在 400MHZ 的工作频率下,
32 位带宽的数据路径可达到 6.4G 的传输速度,计算方法为:
400MHz×2×2×32bit÷8=6.4GB/sec
[3]

PCI Express 总线也采用了点对点串行连接的方式,每
个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,
这样就可以把数据传输率提高到一个很高的频率。相对于传
统 PCI 总线在单一时间周期内只能实现单向传输,PCI
Express 的双单工连接能提供更高的传输速率和质量
[4]
。PCI
Express 采用串行数据包方式传递数据,这样 PCI Express 接
口每个针脚可以获得比传统 I/O 标准更多的带宽。由于这些
优点,PCI Express 技术的传输速度可达到 5G/s。在兼容性
方面,PCI Express 在软件层面上兼容目前的 PCI 技术和设
备,支持 PCI 设备和内存模组的初始化,也就是说采用了
PCI Express 技术后目前的驱动程序、操作系统无需推倒重

[5]

Hypertransport 和 PCI Express 通讯总线技术的数据传输
采用的是差分传输的方式,跟 USB 等数据传输类似。传输
过程使用 1.2 伏的电压,传输时,当 A 线高于 B 线电压时
我们认为是逻辑‘1’,如果 B 线电压高于 A 线电压时我们认
为是逻辑‘0’。采用差分方式传输可以提高抗共模噪音能力。
1.2 Hypertransport 和 PCI Express 总线的优势
HyperTransport 和 PCI Express 是高速、高性能的通讯
总线。它们相比普通的通讯总线(如 PCI,PCI_X 等)有着
更高的传输速度,HyperTransport 通讯总线的速度可达到
核级(安全级)数字化控制系统是核电数字化仪控系统
的重要组成部分。当非安全级控制系统失效时,它用于保护
核反应堆的安全屏障的完整性,当反应堆安全重要参数超过
安全极限时,它触发反应堆紧急停堆系统和/或专设安全设
施,因此,核级控制系统的可靠性成为了核电数字化仪控系
统的关键,而其在很大程度上决定于主控制器的可靠性。类
似于常规工业的数字化控制系统(DCS),为提高主控制器
的可靠性,核级控制系统采用各种冗余机制来实现主控制器
的可靠性。以目前主流的核级控制系统为例,AREVA 核级
控制系统(Teleperm XS)采用输出仲裁的方法来实现主从控
制器的冗余,而西屋的 Common Q 和三菱的核级控制系统,
都采用从机备份主机寄存器及输出仲裁的方法,来实现多主
控制器的冗余方式。采用备份主机寄存器的冗余方式,可以
实现主从机之间的无扰切换,从而大大提高系统的实时性及
可靠性
[1]

主从控制器之间寄存器备份的关键,是需要提供 CPU
之间、CPU 与北桥之间的高速数据通道。由 Intel 公司和
AMD 公司推出的第三代高速串行通讯总线 Hyper transport
总线和 PCI Express 技术,为主控制器 CPU 与北桥的通讯提
供了高速通道。本论文以第三代核级控制系统主控制器技术
为参考,并结合自主研发的核级控制系统主控制器的特点,
研究基于寄存器数据备份的新一代核级控制系统主控制器
的通讯技术。
Hypertransport 和 PCI
分析及其优势
Express 总线的技术特点 1
新一代核级控制系统主控制器采用了 Hypertransport 和
PCI Express 通讯总线技术,首先我们来介绍下这两种通讯
总线 的技术特点和它们相比普通通讯总线所具有的优势。
1.1 Hypertransport 和 PCI Express 总线的技术特点

——————————— 基金项目:国家
自然科学基金(60774006)
作者简介:姜群兴 (1983 - ),男,河北省冀州市,上海交通大学,学生,硕士研究生,核电数字化仪控系统研究与开发,上海 200240
胡立生 (1964 - ),男,浙江省宁波市,上海交通大学,教授,博士生导师,核电数字化仪控系统研究与开发,上海 200240
·6·

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