cPCI臺熱切換原理和實(shí)現
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摘要：描述了cPCI平臺實(shí)現熱切換的動(dòng)作機制，引入一種方法將cPCI設備熱插拔動(dòng)作轉為獨享中斷，用LED指示處理進(jìn)程，并給出依此方法實(shí)現無(wú)控制臺進(jìn)行全熱切換的軟硬件設計方案。
關(guān)鍵詞：cPCI 熱切換 即插即用 設備驅動(dòng)中斷服務(wù)程序
cPCI（即Compact PCI）是PICMIG制定的、更加堅固耐用的PCI版本，廣泛應用于工業(yè)和嵌入式控制系統中。它在電氣、邏輯和軟件功能方面與PCI完全兼容。除機械特性不一致外，cPCI與PCI最大的差別在于cPCI具有支持熱切換（HotSwap）的能力。隨著(zhù)電子產(chǎn)品成本的下降和市場(chǎng)對工業(yè)產(chǎn)品尤其是電信應用產(chǎn)品可靠性要求的提高，基于cPCI平臺的設計逐漸成為電信設備廠(chǎng)商的首選。
1 cPCI熱切換原理
1．1 熱切換基礎
cPCI標準定義的機械、電氣特性是實(shí)現熱切換的基礎。它采用的連接器符合IEC917和IEC1074-101標準，其插針引腳分別有最長(cháng)、中長(cháng)、最短三種長(cháng)度。當插入一個(gè)卡到插槽時(shí)，首先最長(cháng)的引腳（電源和地）被連接，卡邏輯將所有PCI信號引腳預設到一個(gè)固定電平1V；接著(zhù)是中長(cháng)度引腳的PCI信號連接，這些信號的電平已經(jīng)固定且尚未開(kāi)始，不會(huì )對系統造成干擾；最后才輪到最短的此腳，即BD_SEL#信號連接，告知卡邏輯可以開(kāi)始工作?？ò纬龅捻樞蛘孟喾?，BD_SEL#首先斷開(kāi)，PCI信號被調整到一固定電平，最后才斷開(kāi)電源和地信號。在電路方面，cPCI增加一個(gè)ENUM#信號，即系統枚舉信號。當一個(gè)cPCI設備卡被插入或拔出時(shí)，ENUM#被激活。
除cPCI本身的特性以外，要實(shí)現熱切換，具有支持即插即用（PnP）的操作系統也是必要條件之一，只有支持PnP才能實(shí)現設備驅動(dòng)程序的動(dòng)態(tài)安裝和卸載。
1．2 三種層次熱切換
1．2．1 基本熱切換
最基本的熱切換方式需要用戶(hù)干預。用戶(hù)通過(guò)控制臺通知OS（操作系統）即將進(jìn)行設備卡插入或拔出。當插入一個(gè)卡時(shí)，其詳細流程如下：
（a）通過(guò)系統界面，用戶(hù)通知OS即將在一個(gè)槽中插入一個(gè)卡；
（b）用戶(hù)插入卡，對卡完成上電初始化；
（c）用戶(hù)通知系統，卡已經(jīng)插入，要求OS重新枚舉總線(xiàn)；
(d)OS執行總線(xiàn)枚舉，確定新卡需要的資源；
(e)OS對卡的PCI配置寄存器編程，向其分配資源；
(f)OS裝入適當的設備驅動(dòng)程序，并調用其初始化代碼；
(g)設備驅動(dòng)程序初始化完成，卡開(kāi)始工作。
當拔出一個(gè)卡時(shí)，流程類(lèi)似，需要用戶(hù)預先通知OS將要拔出設備卡，OS卸載設備驅動(dòng)程序并回收設備資源后，才能拔出設備。
1．2．2 全熱切換
全熱切換是在基本熱切換的基礎上，在卡的插入/拔出機構中添加一個(gè)微開(kāi)關(guān)裝置。這個(gè)開(kāi)關(guān)藏在手柄中。當cPCI卡被插入或拔出時(shí)，在卡開(kāi)始或?？üぷ髦?，微開(kāi)關(guān)首先改變狀態(tài)，產(chǎn)生ENUM#信號，該信號通過(guò)某種途徑通知OS將要插入或拔出一個(gè)卡，OS再執行總線(xiàn)枚舉、安裝驅動(dòng)程序或卸載驅動(dòng)程序等動(dòng)作。
1．2．3 高可用性熱切換
高可用性熱切換是在全熱切換的基礎上建立的。它要求在系統卡和每個(gè)設備卡之間實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的RST#和信號隔離。這使OS可以自動(dòng)隔離一個(gè)壞卡，然后將一個(gè)替代卡（已經(jīng)安裝）啟動(dòng)，接著(zhù)壞卡繼續工作。所以它通常也稱(chēng)作無(wú)縫切換或無(wú)間斷切換，是一種冗余設計方案。
三種熱切換的自動(dòng)化層次不同，實(shí)現的復雜程度也各有不同。下面介紹一種支持全熱切換的cPCI平臺的HotSwap子系統實(shí)現方案，對其硬件電路和軟件設計分別進(jìn)行介紹。
2 cPCI熱切換子系統硬件實(shí)現
2．1 橋接芯片
在硬件電路上需要一兼容cPCI規范的PCI-to-PCI的橋接芯片，以便熱插拔卡時(shí)實(shí)現引腳控制邏輯和支持全熱切換功能。以PLX PCI6150為例，它提供一個(gè)HotSwap寄存器，記錄設備插拔狀態(tài)，其定義如表1所示。
表1 HotSwap寄存器定義
| bit15～8 | 7 | 6 | 5,4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| 保留 | INS | EXT | PI | LOO | PIE | EIM | DHA |
DHA：Device Hiding Arm，設備隱藏處理，在設備卡剛插入尚未正常工作前或被驅動(dòng)程序停止之間可隱藏后級總線(xiàn)設備。
EIM：Enable or Disable ENUM#，使能或禁止ENUM#輸出。
PIF：Pending Insert or Extrace act，暫時(shí)掛起插入或者拔出動(dòng)作。
LOO：LEN On or Off,LED指示控制，與芯片的LED引腳相對應。
PI：Programming Interface，可編程接口，軟件觸發(fā)插入/拔出等動(dòng)作。
EXT：Extraction State，拔出狀態(tài)位，當微開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，此狀態(tài)位為1。
INS：Insertion State，插入狀態(tài)位，在PCI6150上電復位成功后，此狀態(tài)位為1。
2．2 硬件電路邏輯
系統卡電路在邏輯上就是一普遍PC主機板，它與熱切換相關(guān)的部分集中在對來(lái)自cPCI連接器的ENUM#信號的處理。在設計時(shí)，將它接在系統板Super I/O芯片Winbond W83627HF的IRQIN0引腳，以擴展中斷輸入的ISA中斷方式實(shí)現。這樣設計的好處是：可避免與其它PCI設備共享中斷，而獨點(diǎn)一個(gè)中斷以保證中斷的響應速度；該引腳輸入是可編程的，可根據系統的中斷使用情況分配任意空閑中斷；而且該中斷可以不掛靠任何物理設備而獨立存在，這樣驅動(dòng)程序也就可以設計成一靜態(tài)服務(wù)程序，靜態(tài)服務(wù)程序安裝/卸載比物理設備驅動(dòng)程序要簡(jiǎn)單得多。ENUM#是低電平有效，而IRQIN0輸入是邊沿觸方式，需要一邏輯電路進(jìn)行轉換。系統卡邏輯框圖如圖1所示。
設備卡電路中與熱切換相關(guān)的部分是微開(kāi)關(guān)電路和狀態(tài)LED驅動(dòng)，PCI6150的ENUM#信號直接與cPCI連接器的同名信號相連。EUNM#信號還和LED信號一起被用來(lái)驅動(dòng)一雙色LED，ENUM#信號為低時(shí)，LED被驅動(dòng)為紅色閃爍；ENUME信號為高、LOO信號為高時(shí)LED被驅動(dòng)為紅色，LOO信號為低時(shí)LED信號被驅動(dòng)為綠色。設備卡邏輯電路如圖2所示。
整個(gè)系統電路的邏輯工作是：當設備卡插入時(shí)，PCI6150上電初始化，芯片邏輯置HotSwap寄存器INS狀態(tài)位，觸發(fā)ENUM#信號為低，LED閃爍紅色，ENUM#經(jīng)cPCI底板到達系統卡，經(jīng)電平/邊沿轉換，生成中斷請求有效信號IRQIN0，處理器響應中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，ENUM#信號被撤除，設備驅動(dòng)程序成功安裝后置LOO位，狀態(tài)指示為紅色，設備開(kāi)始工作。當要拔出設備卡時(shí)，EJECT微開(kāi)關(guān)先被斷開(kāi)，PCI5160置HotSwap寄存器EXT位，激活ENUM#信號，狀態(tài)LED為閃爍紅色，處理器響應中斷，ENUM#被撤除，通知OS卸載設備驅動(dòng)程序，之后熱交換軟件清LOO位，狀態(tài)LED指示藍色，設備可以安全拔出。整個(gè)過(guò)程無(wú)需用戶(hù)與操作系統交互，根據LED的顯示即可判斷卡的工作狀態(tài)，安全順利實(shí)現熱切換。
3 cPCI熱切換子程序軟件實(shí)現
軟件系統的目標是實(shí)現中斷的響應處理，與操作系統交互，以正確及時(shí)地安裝或卸載對應的設備驅動(dòng)程序，確保整個(gè)軟件系統安全運行。
3．1 軟件分層設計
本系統軟件分成三層：最底層為設備驅動(dòng)程序hotswap.sys，它執行與硬件相關(guān)的操作，如響應熱切換過(guò)程中產(chǎn)生的中斷事件、對Hotswap寄存器的操作，包括控制LED指示、清除INS/EXT狀態(tài)位、隱藏設備等；中間層為熱切換處理程序，一個(gè)由HSMonitor.exe創(chuàng )建的建立線(xiàn)程，一方面接收來(lái)自驅動(dòng)程序的通知，另一方面通知OS重新枚舉cPCI總線(xiàn)或卸載某一設備驅動(dòng)程序；最上層為一圖形界面應用程序HSMonitor.exe，為用戶(hù)提供可見(jiàn)的設備插拔動(dòng)態(tài)信息。軟件結構如圖3所示。
3．2 軟件流程
ENUM#信號有效時(shí)，首先設備驅動(dòng)程序hotSwap.sys的中斷服務(wù)程序被執行，中斷服務(wù)程序掃描整個(gè)cPCI總線(xiàn)，讀取PIC6150的熱切換寄存器，清除相應狀態(tài)，并根據設備的INS/EXT狀態(tài)位建立設備變更清單，通知熱切換處理線(xiàn)程。熱切換線(xiàn)程讀取設備變更清單，如果有剛插入的設備，則通知OS重新枚舉cPCI總線(xiàn)，如果有待拔出的設備，則利用設備槽信息（總線(xiàn)號/設備號）換算成PnP DevNode地址，通知OS移除該DevNode。OS在移除一個(gè)DevNode后或枚舉總線(xiàn)時(shí)發(fā)現了新設備則發(fā)消息到應用程序HSMonitor.exe，該應用程序被設計成每次開(kāi)機時(shí)自運行且注冊為該消息的接收者。HSMonitor.exe獲取剛被處理過(guò)的DevNode及處理結果。包括設備驅動(dòng)加載成功、設備被成功移除等，以日志形式顯示到控制臺，供用戶(hù)查詢(xún)。
cPCI平臺產(chǎn)品因為其可靠性和堅固性逐漸被國內電信設備三商采用，本設計中的cPCI平臺產(chǎn)品被廣泛應用于語(yǔ)音呼叫中心和自動(dòng)應答系統，其基于cPCI的全熱切換設計保證了系統的不間斷運行，極大地提高了系統可靠性。本產(chǎn)品近一年的市場(chǎng)應用表明，該設計方案成本低廉，容易實(shí)現，用戶(hù)使用方便。
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