VxWorks下Compact PCI熱插拔的原理與實(shí)現

1992年，英特爾公司將PCI總線(xiàn)作為局部總線(xiàn)，用于CPU與外圍器件相連，例如顯示控制器、以太網(wǎng)控制器、內存控制器等。經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，PCI總線(xiàn)標準已成為PC機業(yè)界標準。但由于其自身無(wú)法提供更高可靠性及無(wú)法滿(mǎn)足更高可用性系統對正常運作時(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出來(lái)。1997年8月，PICMG發(fā)布了第一個(gè)技術(shù)標準Compact PCI技術(shù)標準PICM G2．0，該標準的發(fā)布標志著(zhù)Compact PCI系統的誕生。
Compact PCI是一種新的開(kāi)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(guò)廣泛驗證的標準，是PCI總線(xiàn)技術(shù)與歐式卡組裝技術(shù)的組合。它與傳統的PCI系統完全兼容，系統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(gè)傳統的PCI系統升級為一個(gè)Compact PCI系統，大幅縮短了產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。與此同時(shí)Compact PCI標準給系統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(diǎn)就是Compact PCI系統具備了傳統PCI板卡無(wú)法實(shí)現的熱插拔能力。

1 熱插拔原理
Compact PCI總線(xiàn)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(cháng)、中、短針依次與總線(xiàn)連接的過(guò)程。硬件連接是各種電信號驅動(dòng)響應的過(guò)程。Compact PCI總線(xiàn)增加一個(gè)ENUM#信號，即系統枚舉信號。當一個(gè)Compact PCI設備卡被插入或拔出時(shí)。ENUM#被激活，同時(shí)激活熱插拔監控軟件，監控軟件判斷熱插拔類(lèi)型并經(jīng)行相關(guān)操作。軟件連接過(guò)程是軟件層同系統連接或斷離的過(guò)程。對于板卡的插入，過(guò)程包括分配系統資源，包括I／O空間、內存空間、中斷號，加載設備驅動(dòng)程序并激活應用軟件。根據系統要求的不同，熱插拔系統有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(hù)干預，用戶(hù)通過(guò)控制臺通知操作系統將進(jìn)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(gè)微開(kāi)關(guān)裝置，這個(gè)開(kāi)關(guān)藏在手柄中，在設備的插入和拔出過(guò)程中激活枚舉信號，及ENUM#信號，該信號通過(guò)中斷的方式通知操作系統將要插入或拔出一個(gè)設備卡，操作系統再執行總線(xiàn)枚舉，資源分配，安裝驅動(dòng)程序或卸載驅動(dòng)程序。
(3)高可用性模型。在完全熱插拔模型基礎上對板卡實(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，這就使得軟件能對發(fā)生故障的板卡立即進(jìn)行總線(xiàn)或電氣上的隔離，并啟用冗余板卡，滿(mǎn)足系統始終處于運行狀態(tài)、幾乎沒(méi)有故障的高可用性目標。

2 系統的硬件設計
系統在X86系統主機下，設計為一個(gè)I／O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，完成對板卡的上電操作及Healthy#信號獲取，目前市場(chǎng)已有Compact PCI熱插拔電源管理的專(zhuān)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熱插拔，本文采用PLX公司的PCI9030，其提供了完善的熱插拔功能。系統的硬件框圖如圖1所示。

熱插拔系統的工作過(guò)程如下：Compact PCI的電源有長(cháng)針和中針，設備卡的設計者應將板卡的供電系統分為兩個(gè)部分，長(cháng)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(shí)，系統就進(jìn)入物理連接狀態(tài)，此時(shí)是長(cháng)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，而系統其他部分還未通電。當操作者繼續將板卡插入時(shí)，中針電源與板卡連接，系統其他部分仍未通電，短針信號BD_SEL#激活，在上拉電阻的作用下，由原來(lái)的高電平下拉到低電平，板卡上的電源管理模塊響應這個(gè)信號，電源管理芯片響應信號后，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，接通中針電源，對板卡上的其他部份供電，系統進(jìn)入硬件層連接狀態(tài)，板卡隨時(shí)準備工作。在硬件層連接過(guò)程中需要兩個(gè)信號的配合，它們是Healthy#和PCI_RST#信號，PCI_RST#信號與傳統PCI復位信號相同，但在熱插拔系統中，系統復位必須滿(mǎn)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(guò)對板卡上各種電源的監視提供。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(gè)系統的復位信號，完成以上操作后系統進(jìn)入軟件層連接狀態(tài)。在進(jìn)入軟件層時(shí)需要ENUM#信號有效，信號的觸發(fā)依賴(lài)位于熱插拔設備卡拉手上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)，在插入和拔出設備卡的過(guò)程中會(huì )激活ENUM#信號，然后向橋接芯片發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號，同時(shí)設備卡上的熱插拔指示燈點(diǎn)亮，操作系統完成對設備卡的配置，接著(zhù)加載設備驅動(dòng)程序，激活設備應用軟件。

3 熱插拔系統軟件的設計
熱插拔系統的實(shí)現依賴(lài)于具體的硬件系統和操作系統，該主機操作系統為VxWorks實(shí)時(shí)操作系統，軟件系統的實(shí)現需要設備卡的驅動(dòng)程序，以及熱插拔監控程序，其工作流程如下：當設備卡插入Compact PCI總線(xiàn)時(shí)，關(guān)閉微動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，激活枚舉信號，觸發(fā)操作系統響應，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(shí)釋放信號量，激活設備卡插入程序，程序加載設備驅動(dòng)程序，創(chuàng )建設備，打開(kāi)設備，激活應用程序。當設備卡拔出Compact PCI總線(xiàn)時(shí)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)會(huì )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，卸載設備驅動(dòng)程序，刪除設備，釋放與設備相關(guān)的資源。熱插拔軟件流程如圖2所示。

3．1 Vxworks驅動(dòng)程序的設計
驅動(dòng)程序主要實(shí)現了驅動(dòng)程序的安裝，設備的創(chuàng )建，以及打開(kāi)設備，讀寫(xiě)設備的功能。開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序首先修改主機的BSP，在config Al l．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)現以下函數：
syscpciInit()，設備資源初始化函數，主要的作用是讀取系統分配給采集卡的地址映射空間，包括內存空間和I／O空間，以及設備的中斷號，調用sysMmuMapAdd()系統函數將內存空間做虛擬化映射，使CPU能夠正常訪(fǎng)問(wèn)采集卡。調用intConnect()系統函數將設備卡的中斷程序添加到系統中。
plx_Drv()，驅動(dòng)程序安裝函數，函數調用IosDrvInstall()函數將開(kāi)發(fā)的驅動(dòng)程序添加到系統的驅動(dòng)程序表中。
plx_UnDrv()，驅動(dòng)程序卸載函數，函數調用IosDrvRemove()函數，將驅動(dòng)程序從系統中移除。
plx_DevCreate()，創(chuàng )建設備函數，調用系統函數iosDevAdd()函數將設備添加到系統的設備列表中。
plx_DevRemove()，設備刪除函數，調用系統函數iosDevDelete()函數，刪除系統中創(chuàng )建的設備。
plx_Open()，設備打開(kāi)函數，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，讀取設備中的數據，系統函數read()調用。
plx_Write()，設備寫(xiě)函數，寫(xiě)入數據到設備中，系統函數write()調用。
3．2 熱插拔監控程序的設計
當設備插入Compact PCI總線(xiàn)，在連接過(guò)程中，設備通電以后會(huì )激活ENUM#信號，進(jìn)而會(huì )產(chǎn)生一個(gè)系統中斷，系統響應這個(gè)中斷信號，執行中斷函數，讀取PCI9030的配置空間的設備關(guān)聯(lián)區寄存器，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(huì )激活監視程序加載驅動(dòng)程序安裝函數plx_Drv()，設備創(chuàng )建函數plx_DevCreate()，以及設備打開(kāi)函數plx_Open()，當中斷由板卡拔出引起的，中斷函數釋放信號量激活任務(wù)，調用驅動(dòng)程序卸載函數plx_UnDrv()，調用設備刪除函數plx_DevRemove()，關(guān)閉由設備操作占用的文件和資源。

4 結束語(yǔ)
在對計算機系統穩定性和可維護性要求越來(lái)越高的前提下，PICMG提出了Compact PCI總線(xiàn)技術(shù)，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題，隨著(zhù)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，以及雙系統冗余技術(shù)的實(shí)現，在未來(lái)將會(huì )改變計算機系統的特性。