一种双机热备系统中快速主备切换装置和主备切换方法

摘要

本发明提出一种双机热备系统中快速主备切换装置和主备切换方法。快速主备切换装置包括硬件互斥电路、过滤电路，以及位于第一核心模块上的第一软件协商模块和第一看门狗模块，位于第二核心模块上的第二软件协商模块和第二看门狗模块，解决了现有主备切换系统中软件死机不能及时发现的问题，主备切换过程中的对外“双主”呈现问题，以及主备协商过程中的对外“双备”呈现问题。

说明书

技术领域

本发明涉及通信系统热备份技术领域，特别是指一种双机热备系统中快速主备切换 装置。

背景技术

在电子设备中，特别是在高端核心设备，对于核心模块，都会用到双机热备方案，提供 1+1冗余保护。双机热备特指基于active（主）/standby（备）方式的热备。而两个模块 之间的选择和切换就需要提供一种可靠的仲裁机制和切换流程，否则容易出现主用模块软件 死机不能及时发现和进行主备切换的问题，主备切换过程中的对外“双主”呈现问题，以及 主备协商过程中的对外“双备”呈现问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种快速主备切换装置，所述装置包括硬件互斥电路、 过滤电路，以及位于第一核心模块上的第一软件协商模块和第一看门狗模块，位于第二核心 模块上的第二软件协商模块和第二看门狗模块，其中，第一软件协商模块和第二软件协商模 块用于协商第一核心模块和第二核心模块的主备状态，其输出端分别与硬件互斥电路的第一 输入端和第二输入端连接，分别向硬件互斥电路输出第一核心模块和第二核心模块的主备状 态信号；硬件互斥电路的第一输出端和第二输出端，分别与过滤电路的第一输入端和第二输 入端连接，用于在第一核心模块输出的状态和第二核心模块输出的状态信号均变为主状态信 号时，保持硬件互斥电路的原输出状态不变；过滤电路用于在硬件互斥电路的第一输出端和 第二输出端的输出信号均变为备用状态信号时，保持过滤电路的原输出状态信号不变；第一 看门狗模块的输出端分别连接硬件互斥电路的第三输入端和第一软件协商模块；第二看门狗 模块的输出端分别连接硬件互斥电路的第四输入端和第二软件协商模块；第一看门狗模块内 部具有第一硬件计数器，在第一硬件计数器计数溢出时分别向硬件互斥电路的第三输入端和 第一软件协商模块发送复位信号；第二看门狗模块内部具有第二硬件计数器，在第二硬件计 数器计数溢出时分别向硬件互斥电路的第四输入端和第二软件协商模块发送复位信号；第一 软件协商模块还用于在收到复位信号后，首先重启第一核心模块，并置输出信号为备用状态 信号，然后再启动与第二软件协商模块协商第一核心模块和第二核心模块的主备状态的过 程；第二软件协商模块还用于在收到复位信号后，首先重启第二核心模块，并置输出信号为 备用状态信号，然后再启动与第一软件协商模块协商第一核心模块和第二核心模块的主备状 态的过程。

本发明的有益效果主要在于以下几个方面：

1，利用初始默认状态：硬件上把主模块和备模块的初始状态设置为备。正常工作时一 旦发生异常死机，可以通过看门狗复位等手段自动进入默认状态。从而避免死在主 状态，无法释放总线控制权，导致系统瘫痪。

2，主备监测中引入看门狗复位：引入看门狗作为本模块监测自身是否正常的手段；一 旦软件发现异常死机，或程序运行出现故障，看门狗发生作用，产生复位，则模块 进入初始默认状态。可以从故障中恢复出来，避免死在主状态，导致瘫痪。

3，主备状态协商机制和硬件互斥电路，避免对外输出双主状态：正常情况下，不会出 现两个核心模块同时为主模块的状态。互斥电路的意义在于通过命令强制将备用模 块转为主用模块，但原主用模块未完成“退主”情况下，出现的短时间“双主”情 况。互斥电路通过其保持功能，送给后面过滤电路的输入不发生变化，因此整个系 统对外输出Act1out、Act2out不会变化，直到原主用状态模块退出主状态。

4，平滑切换：利用过滤电路的保持特性，使得在主备状态协商握手过程中，出现 Act1tmp和Act2tmp都变为备用状态指示时，整个系统对外输出Act1out、 Act2out不会变化，从而避免了对外输出“双备”状态。

附图说明

图1是本发明提出的快速主备切换装置的模块结构示例图。

图2是本发明提出的主备切换装置的电路模块示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的 详细描述。

图1是本发明提出的快速主备切换装置的模块结构示例图。所述装置包括硬件互 斥电路、过滤电路，以及位于第一核心模块上的第一软件协商模块和第一看门狗模块， 位于第二核心模块上的第二软件协商模块和第二看门狗模块，其中，第一软件协商模块 和第二软件协商模块用于协商第一核心模块和第二核心模块的主备状态，其输出端分别 与硬件互斥电路的第一输入端和第二输入端连接，分别向硬件互斥电路输出第一核心模 块和第二核心模块的主备状态信号；硬件互斥电路的第一输出端和第二输出端，分别与 过滤电路的第一输入端和第二输入端连接，用于在第一核心模块输出的状态和第二核心 模块输出的状态信号均变为主状态信号时，保持硬件互斥电路的原输出状态不变；过滤 电路用于在硬件互斥电路的第一输出端和第二输出端的输出信号均变为备用状态信号 时，保持过滤电路的原输出状态信号不变；第一看门狗模块的输出端分别连接硬件互斥 电路的第三输入端和第一软件协商模块；第二看门狗模块的输出端分别连接硬件互斥电 路的第四输入端和第二软件协商模块；第一看门狗模块内部具有第一硬件计数器，在第 一硬件计数器计数溢出时分别向硬件互斥电路的第三输入端和第一软件协商模块发送 复位信号；第二看门狗模块内部具有第二硬件计数器，在第二硬件计数器计数溢出时分 别向硬件互斥电路的第四输入端和第二软件协商模块发送复位信号；第一软件协商模块 还用于在收到复位信号后，首先重启第一核心模块，并置输出信号为备用状态信号，然 后再启动与第二软件协商模块协商第一核心模块和第二核心模块的主备状态的过程；第 二软件协商模块还用于在收到复位信号后，首先重启第二核心模块，并置输出信号为备 用状态信号，然后再启动与第一软件协商模块协商第一核心模块和第二核心模块的主备 状态的过程。

主备切换方法包括：处于主用状态的第一核心模块发生软件故障，致使第一硬件计 数器计数溢出，第一硬件计数器向硬件互斥电路的第三输入端和第一软件协商模块发送 复位信号；第一软件协商模块收到复位信号后，首先重启第一核心模块，并置输出信号 为备用状态信号，然后再启动与第二软件协商模块协商第一核心模块和第二核心模块的 主备状态的过程；处于备用状态的第二核心模块的第二软件协商模块检测到第一核心模 块变为备用状态，立即启动与第一软件协商模块协商第一核心模块和第二核心模块的主 备状态的过程；硬件互斥电路的第三输入端在第一硬件计数器发送的复位信号的作用 下，将其第一输出端输出的信号由主用信号变为备用信号；过滤电路在硬件互斥电路的 第一输出端和第二输出端的输出信号均变为备用状态信号时，保持输出第一核心模块为 主用模块、第二核心模块为备用模块的输出信号状态。

主备切换方法还包括：处于备用状态的第二核心模块接到切换为主用状态的命令 后，第二软件协商模块将输出状态信号变为主用状态信号；硬件互斥电路检测到其第一 输入端和第二输入端都变为主用状态信号，保持输出第一核心模块为主用模块、第二核 心模块为备用模块的输出信号状态不变；第一软件协商模块检测到第二核心模块变为主 用状态的信号，立即将自身状态变为备用状态，并输出备用状态信号；硬件互斥电路检 测到其第一输入端变为备用状态信号，第二输入端变为主用状态信号，则硬件互斥电路 在其第一输出端输出备用状态信号，在第二输出端输出主用状态信号；过滤电路检测到 其第一输入端变为备用状态信号，第二输入端变为主用状态信号，则过滤电路在其第一 输出端输出备用状态信号，在第二输出端输出主用状态信号。

优选地，在第一核心模块无故障时，所述第一硬件计数器由第一核心模块周期性发 送的清零信号清零；当第一核心模块发生故障时，第一硬件计数器会因收不到清零信号 而计数溢出；在第二核心模块无故障时，所述第二硬件计数器由第二核心模块周期性发 送的清零信号清零；当第二核心模块发生故障时，第二硬件计数器会因收不到清零信号 而计数溢出。

优选地，第一软件协商模块和第二软件协商模块输出的主备状态信号还通过信号线 互相发送给对方;处于备用状态的核心模块的软件协商模块，检测到对端变为备用状态 时，立刻启动第一软件协商模块和第二软件协商模块协商第一核心模块和第二核心模块 的主备状态的过程。

优选地，第一软件协商模块和第二软件协商模块协商第一核心模块和第二核心模块 的主备状态的过程启动时，所述过滤电路的第一输入端和第二输入端输入的信号均变为 备用状态信号。

优选地，当第一核心模块和第二核心模块都处于备用状态时，第一软件协商模块和 第二软件协商模块，根据预设的第一核心模块的主备选择优先级和预设的第二核心模块 的主备选择优先级，将第一核心模块切换为主用状态或将第二核心模块切换为主用状 态。

优选地，第一核心模块和第二核心模块上电初始化后，均自动置于备用状态。

优选地，主备选择优先级高的核心模块，在协商后被切换到主用状态，主备选择优 先级低的核心模块，在协商后保持在备用状态。

优选地，第一软件协商模块和第二软件协商模块输出的主备状态信号还通过信号线 互相发送给对方;处于主用状态的核心模块的软件协商模块，检测到对端变为主用状态 时，立刻将自身置为备用状态并输出备用状态信号。

图2为本发明提出的主备切换装置的电路模块示例图，所述装置包括软件协商模块，看 门狗，硬件互斥电路，过滤电路。在物理上软件协商模块和看门狗分别位于核心模块1与核 心模块2上，所述装置的主要功能是完成核心模块1与核心模块2的主备状态仲裁和完成主 备快速平滑切换，把主备切换的结果送给后端网络使用。并且提供一种监测机制，使得主模 块可以从故障中恢复出来，不至于发生系统瘫痪。

预先约定：Act1e，Act2e——“1”表示主用状态，“0”表示备用状态。Act1out，Act2out ——“1”表示主用状态，“0”表示备用状态。Act1tmp，Act2tmp——“0”表示主用状 态，“1”表示备用状态。

看门狗：由外部硬件狗芯片实现，核心模块1和模块2都有各自的看门狗，实时监测本 核心模块的软件运行状态。如果本模块软件故障，则使本核心模块复位为初始状态。看门狗 具有硬件计数器，硬件自动计数，通过所在核心模块送出的清零信号清零，一旦软件发现异 常死机，或程序运行出现故障，在规定时间内不能清零计数器，则计数器溢出，即看门狗发 生作用，送出一个硬件复位信号，使所在核心模块复位，并将主备状态设置为备状态。看门 狗的复位信号送给本核心模块的软件协商模块和硬件互斥电路，迫使所述核心模块重启，并 置所述核心模块的软件协商模块的输出信号为备用状态信号，同时使硬件互斥电路强制输出 “1”——备用状态。

例如运行过程中，如果当前为主用状态的核心模块软件发生故障，已经死机，无法执行 倒换命令，无法退出主状态。则看门狗会超时溢出，看门狗会送出硬复位信号。复位信号使 得核心模块得以重新启动，并将该核心模块的软件协商模块的输出强制复位成备用状态信 号，然后启动与对端软件协商模块的协商。对端备用模块检测到此状况后，与本端模块展开 协商，并最终确定出各自的主备状态。

软件协商模块：软件协商模块送出主备状态Act1e和Act2e，送给互斥电路，Act1e， Act2e同时作为握手信号送给对方的软件协商模块，两个软件协商模块通过这两对信号互送 消息，告知各自当前状态。第一软件协商模块和第二件协商模块通过对对端核心模块当前的 主备状态的检测、本端核心模块主备状态的检测和互相协商，完成核心模块主备状态的选择 和切换，并把软件协商的结果送给后面的互斥电路进一步处理。

软件协商是整个切换装置的核心控制模块。在整个系统上电初始化后，将核心模块1和 核心模块2的主备状态均设置为备状态，然后启动协商机制确定哪一个核心模块为主模块。 软件协商模块也可以接收外部切换命令完成各个核心模块的主备状态协商与切换。

硬件互斥电路：由G1，G2，G3，G4四个门电路交叉连接而成。接收各个软件协商模 块输出的所在核心模块的期望主备状态Actxe（其中x=1或2），经过硬件互斥电路驱动之 后输出Actxtmp（其中x=1或2）。

Act1e与Act2e有四种组合，分别描述如下：

状态一，Act1e=1、Act2e=0硬件互斥电路输出Act1tmp=0、Act2tmp=1；

状态二，Act1e=0、Act2e=1硬件互斥电路输出Act1tmp=1、Act2tmp=0；

状态三，Act1e=1、Act2e=1硬件互斥电路输出Act1tmp、Act2tmp保持原来状 态不变；

软件正常运行情况下，软件协商模块不会出现“双主”。互斥电路的意义在于通过命令强 制将备用模块转为主用模块，但原主用模块未完成“退主”情况下，出现的短时间“双主” 情况。互斥电路通过其保持功能，送给后面过滤电路的输入不发生变化，因此整个系统对外 输出Act1out、Act2out不会变化。直到原主用状态模块退出主状态。

状态四，Act1e=0、Act2e=0硬件互斥电路输出Act1tmp=1、Act2tmp=1；

该状态使后面的过滤电路进入保持状态，整个系统输出Act1out、Act2out不会发生变 化。

过滤电路：例如由RS触发器构成，接收硬件互斥电路送出的结果Actxtmp，驱动之后 输出实际选择结果。从前面的硬件互斥电路分析可知Act1tmp，Act2tmp只有三种状态。

状态一，Act1tmp=0、Act2tmp=1过滤电路输出Act1out=1、Act2out=0；

状态二，Act1tmp=1、Act2tmp=0过滤电路输出Act1out=0、Act2out=1；

状态三，Act1tmp=1、Act2tmp=1过滤电路输出Act1out、Act2out保持原来状

态不变；

过滤电路的意义在于Act1e=0、Act2e=0即出现“双备”的情况下，硬件互斥电 路与过滤电路共同作用，过滤电路进入保持状态，整个系统输出Act1out、Act2out不 会发生变化。

以上是对本发明具体实施例的说明，在具体的实施过程中可对本发明的方法进行适 当的改进，以适应具体情况的具体需要。因此可以理解，根据本发明的具体实施方式只 是起示范作用，并不用以限制本发明的保护范围。