摘　要：數據一致性是主備用系統必須解決的問題。目前主備系統的一致性都采用手工編程來實現，導致代碼結構繁雜，且效率不高。利用VxWorks的異常處理機制，結合RISC CPU的特性，設計實現了一個數據一致性功能組件。這個組件可使數據的一致性處理自動化。

　　關鍵字：數據一致性；異常處理；精簡指令集計算機

　　1 引言

　　在電信、電力、國防等應用領域中，其所用設備必須確保有極高的可靠性。為了達到此目的，很多設備都采用主備用結構，當主用設備發生故障時，備用設備可馬上接替主用工作，這就要求主用與備用數據要保持高度的一致性。vxWorks是在電信、電力、國防等應用領域中廣泛使用的實時操作系統，它提供全開放的尋址空間，多任務內核（wind），基于優先級進行任務調度，具有快的上下文切換和低的中斷等待特點。但考察目前運行的基于vxWorks的系統，在實現主備用數據一致性方面，還沒有一個優雅高效的方法。作者在開發國家863計劃項目—“中國第三代移動通信系統”CDMA2000系統集成項目過程中，研究開發了一個主備數據一致性功能組件(下簡稱一致性組件)，可實現主備設備間內存數據的自動同步。一致性組件結合MOTOROLA  PowerPC 系列RISC CPU的特點，并利用vxWorks操作系統的異常處理機制，使得主備數據的一致性操作自動化。

　　2 目前主備用系統的一致性解決方案及其不足

　　在目前的主備用系統中，為了保證主備之間數據一致性，代碼多呈如下樣式。

　　主用：

　　L1:修改數據
　　L2:將更新數據發送到備用
        …
        L1:修改數據
        L2:將更新數據發送到備用

　　備用：
　　獲取主用數據并進行數據同步
　　在上面的流程中，主用的L1語句是具體的業務邏輯處理代碼，有可能觸發數據更新操作(如賦值語句)。頻繁的在業務邏輯處理中加入L2語句(為實現一致性功能)，導致整個代碼顯得凌亂，可讀性不高；又因為主備系統常用于實時環境中，還經常需要獲取更新數據的數值及其在物理內存中的位置(用于日志登記或標記更新頁面)，而這些煩瑣的底層操作極易產生錯誤。所以，非常需要一種簡便高效的方法，可以將L2語句從L1語句間剝離出來，使程序員專注于業務邏輯的處理，同時也使程序代碼清晰化。一致性組件解決了以上問題。

 
圖一：主用端程序模塊組成

　　3 一致性組件的整體結構設計

　　為了實現數據一致性操作的自動化，一致性組件由以下幾個功能模塊組成：

　　1) 初始化模塊。用來啟動組件功能，只在主用設備上運行。
　　2) 寫操作監視功能模塊。主要用來發現數據的更新操作，只在主用設備上運行。
　　3) 更新數據截取模塊。主要用來提取更新數據，只在主用設備上運行。
　　4) 數據同步任務模塊。用來進行主備用數據間的一致性同步，主備設備都要運行。

　　當加載一致性組件后，完整的主用端程序構成如圖一所示。

　　在圖一中，主程序模塊中的I1，I2，In是L1語句在內存中的匯編語言表示形式。數據段中的D1，D2，Dn是可能要被修改的數據。
    
　　以下是一致性組件各功能模塊的任務劃分

　　3.1 初始化模塊
   
　　在計算機內存中，數據和代碼是分別存儲的。為了實現寫操作的自動發現功能，在初始化模塊中，將要需維護數據一致的內存數據區設置為不可寫狀態。這樣每當CPU對該數據區進行寫操作時，將觸發DSI (Data Storage Interrupt) 異常，CPU自動轉到DSI異常處理程序進行異常處理。

　　3.2 寫操作監視功能模塊
   
　　本模塊功能由DSI異常處理程序來完成。每當CPU產生一異常時，vxWorks都自動將當前程序的上下文信息保存起來，以便異常處理程序處理完異常情況后，返回原程序引發異常的指令處，繼續向下執行。vxWorks中提供默認的異常處理程序，多是顯示一些異常信息，并終止原程序的執行。但用戶也可以編寫自己的異常處理程序，并用其替代系統默認的異常處理程序。新的DSI異常處理程序通過以下一些操作，實現了對被更新數據的定位。
   
　　1) 獲取引發異常的當前代碼段指令地址(記為I1)。

　　2) 對于將要被改寫的數據，獲取其地址(記為D1)。
    　
　　3) 設置此內存數據段為可寫狀態。
   
　　4) 在圖一中I2(I2=I1+4，因為在POWERPC RISC CPU中，每條指令長度都為4Byte長 )指令處設置指令地址斷點(Instruction Address Breakpoint)。

　　3.3 更新數據截取模塊
   
　　DSI異常處理程序執行完成后，將返回原程序并繼續向下執行。因當前數據區可寫，D1處的內存數據被更新，并接著執行圖一中所示的下一條指令I2。因I2處設置了指令地址斷點，所以觸發IAB(Instruction Address Breakpoint) 異常， CPU轉而執行IAB異常處理程序。IAB異常處理程序主要用來提取更新數據，完成的功能如下。
   
　　1) 根據數據地址D1，讀取4Byte (數據總線寬度為32位)的更新數據。
   
　　2) 將更新數據寫入發送緩沖區。
   
　　3) 再次將數據區設置回不可寫狀態。
   
　　4) 刪除I2指令處的指令地址斷點。

　　3.4 數據同步任務模塊
   
　　數據同步任務模塊用來實現主備用數據之間的一致性，由不同于主程序任務的另一單獨的任務來完成。因為在更新數據截取模塊中已將更新數據保存在發送緩沖區中，數據同步任務模塊的實現比較簡單。在主用端，數據同步任務將發送緩沖區的更新數據發送到備用端的接收緩沖區；在備用端，數據同步任務從接收緩沖區提取更新數據并進行數據一致性更新。
    　
　　寫操作監視功能模塊和更新數據截取模塊均在內核態運行，采用匯編語言實現，并通過代碼優化，運行效率很高，有效彌補了用戶態和內核態間切換的開銷。

　　4 總結

　　一致性組件自動實現主備用數據之間的一致性操作，可廣泛應用于各種主備用設備中。使用一致性組件，只需在程序開始對組件進行初始化，并啟動數據同步任務即可。它使程序員不必考慮數據一致性問題，而把精力集中于具體的業務邏輯處理，從而提高了效率，并使代碼更簡潔。該組件已經用于國家863計劃項目—“中國第三代移動通信系統”CDMA2000系統集成中，產生了很好的效果；本項目已通過驗收并正在進行產業化。本組件設計中綜合利用了RISC CPU的結構特點和vxWorks的異常處理技術，希望通過本文，對廣大vxWorks用戶的工作有所幫助。

　　參考文獻：

　　[1] Wind River.VxWorks Programmer"s Guide.Wind River Systems Inc，1998
　　[2] Motorola.MPC860 PowerQUICC User’s Manual. Motorola, 1998
　　[3] Motorola. PowerPC™ 604e RISC Microprocessor User"s Manual. Motorola, 1998
　　[4] Motorola. PowerPC™ Microprocessor Family: The Programming Environments For 32-Bit Microprocessors. Motorola, 1997