基于Compact PCI總線的熱插拔技術的原理與設計方案

熱插拔是Compact PCI總線技術中突出且最吸引用戶的技術，解決了用戶對系統(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種熱插拔技術的原理，以完全熱插拔技術為基礎，設計熱插拔系統(tǒng)，硬件采用熱插拔電源控制器LTC1643L和PCI橋接芯片PCI9030實現(xiàn)硬件功能板卡，軟件使用硬實時操作系統(tǒng)VxWorks。在分析VxWorks操作系統(tǒng)結(jié)構以及設備驅(qū)動程序結(jié)構后，結(jié)合PCI9030的設備配置空間的特點，編寫VxWorks下Compact PCI功能板卡的驅(qū)動程序以及熱插拔監(jiān)控程序，最終實現(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10多年的發(fā)展，PCI總線標準已成為PC機業(yè)界標準。但由于其自身無法提供更高可靠性及無法滿足更高可用性系統(tǒng)對正常運作時間的要求，主板散熱困難，邊緣接頭可靠性低，在更換主板時易受損壞等弊端逐漸顯現(xiàn)出來。1997年8月，PICMG發(fā)布了第一個技術標準Compact PCI技術標準PICM G2.0，該標準的發(fā)布標志著Compact PCI系統(tǒng)的誕生。

Compact PCI是一種新的開放式工業(yè)計算機標準。它融合了計算機與工業(yè)設備諸多經(jīng)過廣泛驗證的標準，是PCI總線技術與歐式卡組裝技術的組合。它與傳統(tǒng)的PCI系統(tǒng)完全兼容，系統(tǒng)的設計者只需將電路板上的連接器重新繪制，就可以將一個傳統(tǒng)的PCI系統(tǒng)升級為一個Compact PCI系統(tǒng)，大幅縮短了產(chǎn)品推向市場的時間。與此同時Compact PCI標準給系統(tǒng)設計者提供了冗余設計、故障切換和故障管理等極大的設計空間，其中最具吸引力的特點就是Compact PCI系統(tǒng)具備了傳統(tǒng)PCI板卡無法實現(xiàn)的熱插拔能力。

1 、熱插拔原理

Compact PCI總線的熱插拔過程就是軟硬件交互的連接過程。主要包括物理連接、硬件連接和軟件連接。物理連接過程就是板卡在插入和拔出的過程中，接口的長、中、短針依次與總線連接的過程。硬件連接是各種電信號驅(qū)動響應的過程。Compact PCI總線增加一個ENUM#信號，即系統(tǒng)枚舉信號。當一個Compact PCI設備卡被插入或拔出時。ENUM#被激活，同時激活熱插拔監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件判斷熱插拔類型并經(jīng)行相關操作。軟件連接過程是軟件層同系統(tǒng)連接或斷離的過程。對于板卡的插入，過程包括分配系統(tǒng)資源，包括IO空間、內(nèi)存空間、中斷號，加載設備驅(qū)動程序并激活應用軟件。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，用戶通過控制臺通知操作系統(tǒng)將進行設備卡的插入或拔出。

（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上，在設備卡的插入拔出機構中添加一個微開關裝置，這個開關藏在手柄中，在設備的插入和拔出過程中激活枚舉信號，及ENUM#信號，該信號通過中斷的方式通知操作系統(tǒng)將要插入或拔出一個設備卡，操作系統(tǒng)再執(zhí)行總線枚舉，資源分配，安裝驅(qū)動程序或卸載驅(qū)動程序。

（3）高可用性模型。在完全熱插拔模型基礎上對板卡實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，這就使得軟件能對發(fā)生故障的板卡立即進行總線或電氣上的隔離，并啟用冗余板卡，滿足系統(tǒng)始終處于運行狀態(tài)、幾乎沒有故障的高可用性目標。

2、 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)在X86系統(tǒng)主機下，設計為一個IO適配卡，通過以上分析可知，具備熱插拔能力的CompactPCI板卡必須具有電源管理模塊，完成對板卡的上電操作及Healthy#信號獲取，目前市場已有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)的工作過程如下：Compact PCI的電源有長針和中針，設備卡的設計者應將板卡的供電系統(tǒng)分為兩個部分，長針電源給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。當操作者插入一塊板卡時，系統(tǒng)就進入物理連接狀態(tài)，此時是長針電源的插入，橋接芯片及電源管理芯片通電，做好熱插入的準備，而系統(tǒng)其他部分還未通電。當操作者繼續(xù)將板卡插入時，中針電源與板卡連接，系統(tǒng)其他部分仍未通電，短針信號BD_SEL#激活，在上拉電阻的作用下，由原來的高電平下拉到低電平，板卡上的電源管理模塊響應這個信號，電源管理芯片響應信號后，經(jīng)過一定延時，接通中針電源，對板卡上的其他部份供電，系統(tǒng)進入硬件層連接狀態(tài)，板卡隨時準備工作。在硬件層連接過程中需要兩個信號的配合，它們是Healthy#和PCI_RST#信號，PCI_RST#信號與傳統(tǒng)PCI復位信號相同，但在熱插拔系統(tǒng)中，系統(tǒng)復位必須滿足的條件是板卡正常供電，該狀態(tài)信號為Healthy#信號，由板卡電源管理模塊通過對板卡上各種電源的監(jiān)視提供。產(chǎn)生板卡上可靠的復位信號的典型做法是將Healthy#與PCI_RST#做邏輯或，得到的或信號作為整個系統(tǒng)的復位信號，完成以上操作后系統(tǒng)進入軟件層連接狀態(tài)。在進入軟件層時需要ENUM#信號有效，信號的觸發(fā)依賴位于熱插拔設備卡拉手上的微動開關，在插入和拔出設備卡的過程中會激活ENUM#信號，然后向橋接芯片發(fā)出一個觸發(fā)信號，同時設備卡上的熱插拔指示燈點亮，操作系統(tǒng)完成對設備卡的配置，接著加載設備驅(qū)動程序，激活設備應用軟件。

3 、熱插拔系統(tǒng)軟件的設計

熱插拔系統(tǒng)的實現(xiàn)依賴于具體的硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，該主機操作系統(tǒng)為VxWorks實時操作系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)需要設備卡的驅(qū)動程序，以及熱插拔監(jiān)控程序，其工作流程如下：當設備卡插入Compact PCI總線時，關閉微動開關時，激活枚舉信號，觸發(fā)操作系統(tǒng)響應，讀取本地空間寄存器中設備卡的狀態(tài)，判斷是否為插入，如果是板卡插入，此時釋放信號量，激活設備卡插入程序，程序加載設備驅(qū)動程序，創(chuàng)建設備，打開設備，激活應用程序。當設備卡拔出Compact PCI總線時，微動開關會觸發(fā)枚舉信號，以同樣的方式讀取本地空間寄存器的狀態(tài)，如果為拔出，卸載設備驅(qū)動程序，刪除設備，釋放與設備相關的資源。熱插拔軟件流程如圖2所示。

3.1 Vxworks驅(qū)動程序的設計

驅(qū)動程序主要實現(xiàn)了驅(qū)動程序的安裝，設備的創(chuàng)建，以及打開設備，讀寫設備的功能。開發(fā)驅(qū)動程序首先修改主機的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中主要實現(xiàn)以下函數(shù)：

syscpciInit（），設備資源初始化函數(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，以及設備的中斷號，調(diào)用sysMmuMapAdd（）系統(tǒng)函數(shù)將內(nèi)存空間做虛擬化映射，使CPU能夠正常訪問采集卡。調(diào)用intConnect（）系統(tǒng)函數(shù)將設備卡的中斷程序添加到系統(tǒng)中。

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

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

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

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

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

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

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

3.2 熱插拔監(jiān)控程序的設計

當設備插入Compact PCI總線，在連接過程中，設備通電以后會激活ENUM#信號，進而會產(chǎn)生一個系統(tǒng)中斷，系統(tǒng)響應這個中斷信號，執(zhí)行中斷函數(shù)，讀取PCI9030的配置空間的設備關聯(lián)區(qū)寄存器，判斷板卡是插入還是拔出，并清除響應的中斷狀態(tài)。當中斷狀態(tài)是由插入板卡的引起的，會激活監(jiān)視程序加載驅(qū)動程序安裝函數(shù)plx_Drv（），設備創(chuàng)建函數(shù)plx_DevCreate（），以及設備打開函數(shù)plx_Open（），當中斷由板卡拔出引起的，中斷函數(shù)釋放信號量激活任務，調(diào)用驅(qū)動程序卸載函數(shù)plx_UnDrv（），調(diào)用設備刪除函數(shù)plx_DevRemove（），關閉由設備操作占用的文件和資源。

4 、結(jié)束語

在對計算機系統(tǒng)穩(wěn)定性和可維護性要求越來越高的前提下，PICMG提出了Compact PCI總線技術，較好地解決了這個問題，隨著Compact PCI技術的不斷成熟，熱插拔技術會受到越來越多的重視，并向高可用性熱插拔技術發(fā)展，以及雙系統(tǒng)冗余技術的實現(xiàn)，在未來將會改變計算機系統(tǒng)的特性。

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