基于Compact PCI總線的熱插拔技術(shù)的原理與設(shè)計(jì)方案

熱插拔是Compact PCI總線技術(shù)中突出且最吸引用戶的技術(shù)，解決了用戶對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和冗余性迫切的要求。文中分析了Compact PCI總線系統(tǒng)3種熱插拔技術(shù)的原理，以完全熱插拔技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)熱插拔系統(tǒng)，硬件采用熱插拔電源控制器LTC1643L和PCI橋接芯片PCI9030實(shí)現(xiàn)硬件功能板卡，軟件使用硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks。在分析VxWorks操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)后，結(jié)合PCI9030的設(shè)備配置空間的特點(diǎn)，編寫VxWorks下Compact PCI功能板卡的驅(qū)動(dòng)程序以及熱插拔監(jiān)控程序，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱插拔功能。

1992年，英特爾公司將PCI總線作為局部總線，用于CPU與外圍器件相連，例如顯示控制器、以太網(wǎng)控制器、內(nèi)存控制器等。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，PCI總線標(biāo)準(zhǔn)已成為PC機(jī)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。但由于其自身無(wú)法提供更高可靠性及無(wú)法滿足更高可用性系統(tǒng)對(duì)正常運(yùn)作時(shí)間的要求，主板散熱困難，邊緣接頭可靠性低，在更換主板時(shí)易受損壞等弊端逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。1997年8月，PICMG發(fā)布了第一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Compact PCI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)PICM G2.0，該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布標(biāo)志著Compact PCI系統(tǒng)的誕生。

Compact PCI是一種新的開(kāi)放式工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。它融合了計(jì)算機(jī)與工業(yè)設(shè)備諸多經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，是PCI總線技術(shù)與歐式卡組裝技術(shù)的組合。它與傳統(tǒng)的PCI系統(tǒng)完全兼容，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者只需將電路板上的連接器重新繪制，就可以將一個(gè)傳統(tǒng)的PCI系統(tǒng)升級(jí)為一個(gè)Compact PCI系統(tǒng)，大幅縮短了產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。與此同時(shí)Compact PCI標(biāo)準(zhǔn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了冗余設(shè)計(jì)、故障切換和故障管理等極大的設(shè)計(jì)空間，其中最具吸引力的特點(diǎn)就是Compact PCI系統(tǒng)具備了傳統(tǒng)PCI板卡無(wú)法實(shí)現(xiàn)的熱插拔能力。

1 、熱插拔原理

Compact PCI總線的熱插拔過(guò)程就是軟硬件交互的連接過(guò)程。主要包括物理連接、硬件連接和軟件連接。物理連接過(guò)程就是板卡在插入和拔出的過(guò)程中，接口的長(zhǎng)、中、短針依次與總線連接的過(guò)程。硬件連接是各種電信號(hào)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的過(guò)程。Compact PCI總線增加一個(gè)ENUM#信號(hào)，即系統(tǒng)枚舉信號(hào)。當(dāng)一個(gè)Compact PCI設(shè)備卡被插入或拔出時(shí)。ENUM#被激活，同時(shí)激活熱插拔監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件判斷熱插拔類型并經(jīng)行相關(guān)操作。軟件連接過(guò)程是軟件層同系統(tǒng)連接或斷離的過(guò)程。對(duì)于板卡的插入，過(guò)程包括分配系統(tǒng)資源，包括IO空間、內(nèi)存空間、中斷號(hào)，加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并激活應(yīng)用軟件。根據(jù)系統(tǒng)要求的不同，熱插拔系統(tǒng)有3種模型：

（1）基本熱插拔模型。最基本的熱插拔方式需要用戶干預(yù)，用戶通過(guò)控制臺(tái)通知操作系統(tǒng)將進(jìn)行設(shè)備卡的插入或拔出。

（2）完全熱插拔模型。完全熱插拔是在基本熱插拔模型的基礎(chǔ)上，在設(shè)備卡的插入拔出機(jī)構(gòu)中添加一個(gè)微開(kāi)關(guān)裝置，這個(gè)開(kāi)關(guān)藏在手柄中，在設(shè)備的插入和拔出過(guò)程中激活枚舉信號(hào)，及ENUM#信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)中斷的方式通知操作系統(tǒng)將要插入或拔出一個(gè)設(shè)備卡，操作系統(tǒng)再執(zhí)行總線枚舉，資源分配，安裝驅(qū)動(dòng)程序或卸載驅(qū)動(dòng)程序。

（3）高可用性模型。在完全熱插拔模型基礎(chǔ)上對(duì)板卡實(shí)行了更高程度的控制，不僅是指示板卡的插入或可拔出的狀態(tài)。這種模型的軟件能夠控制板卡的硬件連接，這就使得軟件能對(duì)發(fā)生故障的板卡立即進(jìn)行總線或電氣上的隔離，并啟用冗余板卡，滿足系統(tǒng)始終處于運(yùn)行狀態(tài)、幾乎沒(méi)有故障的高可用性目標(biāo)。

2、 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在X86系統(tǒng)主機(jī)下，設(shè)計(jì)為一個(gè)IO適配卡，通過(guò)以上分析可知，具備熱插拔能力的CompactPCI板卡必須具有電源管理模塊，完成對(duì)板卡的上電操作及Healthy#信號(hào)獲取，目前市場(chǎng)已有Compact PCI熱插拔電源管理的專用芯片，典型的是Liear公司的LTC1643L；其二是板卡上的橋芯片必須支持系統(tǒng)熱插拔，本文采用PLX公司的 I9030，其提供了完善的熱插拔功能。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

熱插拔系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：Compact PCI的電源有長(zhǎng)針和中針，設(shè)備卡的設(shè)計(jì)者應(yīng)將板卡的供電系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，長(zhǎng)針電源給PCI橋芯片及電源管理芯片供電，中針電源給板卡的其他部分供電。當(dāng)操作者插入一塊板卡時(shí)，系統(tǒng)就進(jìn)入物理連接狀態(tài)，此時(shí)是長(zhǎng)針電源的插入，橋接芯片及電源管理芯片通電，做好熱插入的準(zhǔn)備，而系統(tǒng)其他部分還未通電。當(dāng)操作者繼續(xù)將板卡插入時(shí)，中針電源與板卡連接，系統(tǒng)其他部分仍未通電，短針信號(hào)BD_SEL#激活，在上拉電阻的作用下，由原來(lái)的高電平下拉到低電平，板卡上的電源管理模塊響應(yīng)這個(gè)信號(hào)，電源管理芯片響應(yīng)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，接通中針電源，對(duì)板卡上的其他部份供電，系統(tǒng)進(jìn)入硬件層連接狀態(tài)，板卡隨時(shí)準(zhǔn)備工作。在硬件層連接過(guò)程中需要兩個(gè)信號(hào)的配合，它們是Healthy#和PCI_RST#信號(hào)，PCI_RST#信號(hào)與傳統(tǒng)PCI復(fù)位信號(hào)相同，但在熱插拔系統(tǒng)中，系統(tǒng)復(fù)位必須滿足的條件是板卡正常供電，該狀態(tài)信號(hào)為Healthy#信號(hào)，由板卡電源管理模塊通過(guò)對(duì)板卡上各種電源的監(jiān)視提供。產(chǎn)生板卡上可靠的復(fù)位信號(hào)的典型做法是將Healthy#與PCI_RST#做邏輯或，得到的或信號(hào)作為整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)，完成以上操作后系統(tǒng)進(jìn)入軟件層連接狀態(tài)。在進(jìn)入軟件層時(shí)需要ENUM#信號(hào)有效，信號(hào)的觸發(fā)依賴位于熱插拔設(shè)備卡拉手上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)，在插入和拔出設(shè)備卡的過(guò)程中會(huì)激活ENUM#信號(hào)，然后向橋接芯片發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)設(shè)備卡上的熱插拔指示燈點(diǎn)亮，操作系統(tǒng)完成對(duì)設(shè)備卡的配置，接著加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，激活設(shè)備應(yīng)用軟件。

3 、熱插拔系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

熱插拔系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴于具體的硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，該主機(jī)操作系統(tǒng)為VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要設(shè)備卡的驅(qū)動(dòng)程序，以及熱插拔監(jiān)控程序，其工作流程如下：當(dāng)設(shè)備卡插入Compact PCI總線時(shí)，關(guān)閉微動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，激活枚舉信號(hào)，觸發(fā)操作系統(tǒng)響應(yīng)，讀取本地空間寄存器中設(shè)備卡的狀態(tài)，判斷是否為插入，如果是板卡插入，此時(shí)釋放信號(hào)量，激活設(shè)備卡插入程序，程序加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，創(chuàng)建設(shè)備，打開(kāi)設(shè)備，激活應(yīng)用程序。當(dāng)設(shè)備卡拔出Compact PCI總線時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)會(huì)觸發(fā)枚舉信號(hào)，以同樣的方式讀取本地空間寄存器的狀態(tài)，如果為拔出，卸載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，刪除設(shè)備，釋放與設(shè)備相關(guān)的資源。熱插拔軟件流程如圖2所示。

3.1 Vxworks驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)程序的安裝，設(shè)備的創(chuàng)建，以及打開(kāi)設(shè)備，讀寫設(shè)備的功能。開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序首先修改主機(jī)的BSP，在config All.h文件中添加#define cpci9030.h，然后在sysLib.c中加入include“cpci9030.c”。在cpci9030.c中主要實(shí)現(xiàn)以下函數(shù)：

syscpciInit（），設(shè)備資源初始化函數(shù)，主要的作用是讀取系統(tǒng)分配給采集卡的地址映射空間，包括內(nèi)存空間和IO空間，以及設(shè)備的中斷號(hào)，調(diào)用sysMmuMapAdd（）系統(tǒng)函數(shù)將內(nèi)存空間做虛擬化映射，使CPU能夠正常訪問(wèn)采集卡。調(diào)用intConnect（）系統(tǒng)函數(shù)將設(shè)備卡的中斷程序添加到系統(tǒng)中。

plx_Drv（），驅(qū)動(dòng)程序安裝函數(shù)，函數(shù)調(diào)用IosDrvInstall（）函數(shù)將開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序添加到系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序表中。

plx_UnDrv（），驅(qū)動(dòng)程序卸載函數(shù)，函數(shù)調(diào)用IosDrvRemove（）函數(shù)，將驅(qū)動(dòng)程序從系統(tǒng)中移除。

plx_DevCreate（），創(chuàng)建設(shè)備函數(shù)，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)iosDevAdd（）函數(shù)將設(shè)備添加到系統(tǒng)的設(shè)備列表中。

plx_DevRemove（），設(shè)備刪除函數(shù)，調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)iosDevDelete（）函數(shù)，刪除系統(tǒng)中創(chuàng)建的設(shè)備。

plx_Open（），設(shè)備打開(kāi)函數(shù)，在設(shè)備列表中找到設(shè)備，并在空閑文件表中注冊(cè)，返回文件描述符。

plx_Read（），設(shè)備讀函數(shù)，讀取設(shè)備中的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)函數(shù)read（）調(diào)用。

plx_Write（），設(shè)備寫函數(shù)，寫入數(shù)據(jù)到設(shè)備中，系統(tǒng)函數(shù)write（）調(diào)用。

3.2 熱插拔監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)備插入Compact PCI總線，在連接過(guò)程中，設(shè)備通電以后會(huì)激活ENUM#信號(hào)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)中斷，系統(tǒng)響應(yīng)這個(gè)中斷信號(hào)，執(zhí)行中斷函數(shù)，讀取PCI9030的配置空間的設(shè)備關(guān)聯(lián)區(qū)寄存器，判斷板卡是插入還是拔出，并清除響應(yīng)的中斷狀態(tài)。當(dāng)中斷狀態(tài)是由插入板卡的引起的，會(huì)激活監(jiān)視程序加載驅(qū)動(dòng)程序安裝函數(shù)plx_Drv（），設(shè)備創(chuàng)建函數(shù)plx_DevCreate（），以及設(shè)備打開(kāi)函數(shù)plx_Open（），當(dāng)中斷由板卡拔出引起的，中斷函數(shù)釋放信號(hào)量激活任務(wù)，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序卸載函數(shù)plx_UnDrv（），調(diào)用設(shè)備刪除函數(shù)plx_DevRemove（），關(guān)閉由設(shè)備操作占用的文件和資源。

4 、結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可維護(hù)性要求越來(lái)越高的前提下，PICMG提出了Compact PCI總線技術(shù)，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題，隨著Compact PCI技術(shù)的不斷成熟，熱插拔技術(shù)會(huì)受到越來(lái)越多的重視，并向高可用性熱插拔技術(shù)發(fā)展，以及雙系統(tǒng)冗余技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，在未來(lái)將會(huì)改變計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特性。