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
来
[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·