設計人員正在調整各種高可用體系結構，以滿足客戶對用于下一代超級可靠嵌入式系統(tǒng)應用的持久數據接口的需求。

要點

高速串行數據鏈路和交換結構技術實現動態(tài)路徑，人們能圍繞不可操作的子系統(tǒng)重新設定信息路由。
　 管理軟件自動監(jiān)視系統(tǒng)工作，并在發(fā)生故障或性能降低時用冗余元件來替換。
　 熱插拔特性實現無中斷的修理和升級，并為發(fā)展容錯自愈系統(tǒng)鋪平了道路。
　 刀片計算機集群以更低的采購和運營成本支持可擴展、高密度、高可用的服務器系統(tǒng)。

　　隨著普適計算時代的到來（屆時用戶將可隨時隨地訪問信息和服務），嵌入式系統(tǒng)設計人員在提高服務器、遠程設備、數據傳輸基礎設施的可用性方面承受著日益增大的壓力。鑒于其應用，人們對嵌入式系統(tǒng)可靠性的期望遠遠高于對多數其它計算系統(tǒng)的期望。終止或重啟其中一些關鍵應用系統(tǒng)需要承擔人身財產或重要信息損失的風險。在滿足這些要求的過程中，嵌入式系統(tǒng)設計者運用各種智能硬件和軟件冗余技巧在日常運行中實現高達99.999%的可用性，即每年停機時間不到六分鐘。
　　“高可用性”描述系統(tǒng)特性，它們使系統(tǒng)在發(fā)生硬件或軟件故障時能夠保持連續(xù)工作。高可用系統(tǒng)具有內置監(jiān)視和復制數據路徑，透明地取代可選硬件或軟件組件復制正常功能，在出現故障時也能照常工作。一般而言，高可用性系統(tǒng)還支持在不中斷運行的前提下替換故障組件或升級。隨著通用連接的問世，數據安全也成了可用性的一個要素，這是因為未授權的黑客、惡意軟件或外部“拒絕服務”攻擊會導致預期功能中斷?？捎眯砸话愣x為MTBF/(MTBF+MTTR)，其中MTBF是指平均無故障時間，MTTR是指平均修理時間。
　　高可用性對于越來越多的嵌入式系統(tǒng)應用都變得十分必要，而不斷提高的技術趨勢使系統(tǒng)設計任務日益困難。例如，可以預見，隨著客戶需要嵌入式設備中有更多功能，增加的硬件和軟件組件帶來了新的故障模式。顯然，增加的的組件不利于達到更高的可用性，甚至產生其它冗余性，從而不斷加劇系統(tǒng)復雜性。當前向普遍連接發(fā)展的趨勢也給高可用嵌入式系統(tǒng)設計者帶來了許多數據安全與通信可靠性問題。雖然最可靠的系統(tǒng)可能使用有限資源的簡便的單獨設備，但設計者必須采用一種提高任意嵌入配置可用性的戰(zhàn)略。

　　不間斷運行
　　當前多數用于提高服務可用性的訣竅和技巧均源自電信行業(yè)。多年來，電信設備制造商設計了多種方案，以便提供不間斷的服務，即使發(fā)生硬件和軟件故障也是如此。遺憾的是，多數方案都是專有的，維護費用高，并且難以在要求演變時進行更新。它們還需要很長的開發(fā)周期。設備設計者無法利用COTS（商用現貨）構件，這是因為沒有通用內置設備提高服務可用性。為了解決可用性難題，電路板制造商制定一系列可與專有系統(tǒng)性能匹敵的硬件和軟件規(guī)范。
　　IPMI（智能平臺管理接口）規(guī)范是用來解決可用性問題的最早標準之一，它由戴爾、英特爾、惠普、NEC公司制定，旨在從本地和遠程監(jiān)視設備，以便執(zhí)行電源管理、冷卻、電子鍵控和熱插拔等事務處理。IPMI與管理控制器相互配合，后者在主機處理器出現故障時可依靠自身運行。借助平臺管理，操作人員能監(jiān)視設備是否出現邊際操作或潛在問題，并能在它們變成系統(tǒng)故障之前糾正它們。PICMG（PeripheralComponentInterconnectIndustrialComputerManufacturersGroup）組織把IPMI的若干變體都包含到電路板級CompactPCI規(guī)范和ATCA（高級電信計算架構）規(guī)范中。
　　為了最大限度發(fā)揮IPMI的優(yōu)勢，設備客戶需要具備熱插拔功能，以便在不關閉系統(tǒng)的情況下替換出故障的系統(tǒng)板。熱插拔系統(tǒng)要求硬件和軟件能夠在等待修理的同時，動態(tài)設定信號路由，使其繞過出故障的組件。必備熱插拔技術之一是系統(tǒng)板和背板之間的物理連接。如果不控制電源涌流和背板信號連接，簡單直連可能會干擾總線上的其它板。例如，CompactPCI利用不同長度的分級引腳來控制通向背板的物理連接。卡片導向器確保板的插入垂直于背板。較長的引腳首先對接、供電并接地，以便對PCI總線信號預充電。串聯(lián)電阻限制了電源電流浪涌。中等長度引腳連至處于預充電、高阻抗或禁用狀態(tài)的PCI總線信號。最短的引腳支持總線通信。

　　防故障交換結構
　　串行交換結構技術是另一種設計創(chuàng)新，對于高可用性系統(tǒng)有多種好處。這些體系結構允許在計算節(jié)點之間設立動態(tài)數據路徑，并支持多路并發(fā)數據傳輸。交換結構的一個主要好處是，每條連接均為直接的點到點數據路徑，并帶來更好的電特性，允許的頻率和帶寬高于總線體系結構。典型的交換結構使用多級開關在源和目標之間建立路由。這些動態(tài)路徑對于高可用性設計也很有價值，使人們能圍繞不可操作的子系統(tǒng)設定數據路由。多數主要電路板標準現在都規(guī)定交換結構，盡管它們并未提出具體的交換結構技術實現數據傳輸。與此相反，一系列附屬規(guī)范為以太網、InfiniBand、StaRFabric、PCIExpress、RapidIO等各種交換結構對背板進行詳細定義。雖然這種方法滿足了業(yè)內不同觀點的要求，但它也可能造成同一標準內部的互操作問題。

VITA（VMEbus International Trade Association）41 VXS 為廣泛應用的 VMEbus （Versa-module eurocard bus）增添了一些交換結構技術高可用性優(yōu)勢。VXS 規(guī)范定義了一種有效載荷卡、一種交換卡、一種新型高帶寬背板連接器，并保留標準的并行 VMEbus 連接器。每個新型交換結構端口均包含兩組四聯(lián)串行位通道——一組用于輸入數據，另一組用于輸出數據，對于每條串行通道均支持 10 Gbps 數據速率。交換卡包含必要的結構交換功能，以便在有效負荷卡之間或圍繞故障設定串行數據路由，或使其繞過故障。為了保持交換結構任意性，VITA 41子規(guī)范為 InfiniBand、串行RapidIO、GbE（千兆以太網）、PCI Express 定義了交換卡和有效載荷卡。
　　PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）針對電信設備的獨特要求，發(fā)布了 ATCA 規(guī)范，提供 VME 和 CompactPCI 等開放體系結構的替代結構。ATCA 重點強調高可用性特性，采用高速串行數據鏈路和交換結構技術。超大板面積支持復雜的電信電路，并提供輸入電源和冷卻功能，實現每插槽高達 200 W 的功率。ATCA 規(guī)范具有適用于所有板和有源模塊的熱插拔功能，因此最大限度減少系統(tǒng)中斷。一個機架管理元件（其規(guī)范基于IPMI）監(jiān)視各插入模塊的健康、功率、冷卻甚至鍵控情況，以確保各子系統(tǒng)在高效率工作。各模塊從冗余-48V直流饋電器獲得電力，并從冗余控制與數據板獲取數據，以防止單一故障使整個機箱停止運行。

　　隨著聯(lián)網嵌入式設備的增多，對于專用可靠數據源的需求成了任何新產品開發(fā)過程中的主要考慮事項。如果人們采用多個設備，并且它們均需要各自不同而又同時存在的數據流，那么數據服務器處理要求就變得十分關鍵了。文件共享、安全監(jiān)視、娛樂等許多嵌入式系統(tǒng)應用均需要來自專用服務器的獨立且始終可用的數據流。為了達到對這些以數據為中心的項目可用性的期望，設計師正在轉向每機架數百顆 CPU 并且每板多顆 CPU 的高密度電腦陣列。具有多塊電腦板的系統(tǒng)一般稱作刀片服務器，它具備系統(tǒng)管理、負載均衡、熱插拔功能以及共享外設，為萬維網訪問和數據服務提供高度可靠的數據。單個刀片計算機一般不配備本地外設，要對它們進行遠程管理。集群式服務器運行管理軟件來平衡計算負載，報告故障，提供刀片配置信息，并監(jiān)視熱插拔事務處理。刀片服務器基本上是一些需要特殊軟件管理系統(tǒng)以便達到最長正常運行時間的高可用性系統(tǒng)。單獨的管理網絡提高了服務器安全性，這是因為它可防止關鍵的操作系統(tǒng)信息和更新數據經過公共網絡或互聯(lián)網。

　　與此類似，Service Availability Forum 由通信公司和計算設備公司組成，他們合作制定高可用性和管理軟件接口規(guī)范。這些規(guī)范針對一些電信系統(tǒng)與服務開發(fā)商，其系統(tǒng)和服務采用 CompactPCI 和 ATCA 等 COTS 模塊構建。他們的目的是允許更多地重復使用硬件和軟件，并縮短產品開發(fā)周期。硬件平臺接口規(guī)范定義了 COTS 硬件和高可用性管理中間件之間的接口（圖 2）。于是各應用無需專有軟件接口就能獨立搜索、監(jiān)視和管理硬件。

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