cPCI臺(tái)熱切換原理和實(shí)現(xiàn)
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摘要：描述了cPCI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)熱切換的動(dòng)作機(jī)制，引入一種方法將cPCI設(shè)備熱插拔動(dòng)作轉(zhuǎn)為獨(dú)享中斷，用LED指示處理進(jìn)程，并給出依此方法實(shí)現(xiàn)無(wú)控制臺(tái)進(jìn)行全熱切換的軟硬件設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：cPCI 熱切換 即插即用 設(shè)備驅(qū)動(dòng)中斷服務(wù)程序
cPCI（即Compact PCI）是PICMIG制定的、更加堅(jiān)固耐用的PCI版本，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和嵌入式控制系統(tǒng)中。它在電氣、邏輯和軟件功能方面與PCI完全兼容。除機(jī)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。隨著電子產(chǎn)品成本的下降和市場(chǎng)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品尤其是電信應(yīng)用產(chǎn)品可靠性要求的提高，基于cPCI平臺(tái)的設(shè)計(jì)逐漸成為電信設(shè)備廠商的首選。
1 cPCI熱切換原理
1．1 熱切換基礎(chǔ)
cPCI標(biāo)準(zhǔn)定義的機(jī)械、電氣特性是實(shí)現(xiàn)熱切換的基礎(chǔ)。它采用的連接器符合IEC917和IEC1074-101標(biāo)準(zhǔn)，其插針引腳分別有最長(zhǎng)、中長(zhǎng)、最短三種長(zhǎng)度。當(dāng)插入一個(gè)卡到插槽時(shí)，首先最長(zhǎng)的引腳（電源和地）被連接，卡邏輯將所有PCI信號(hào)引腳預(yù)設(shè)到一個(gè)固定電平1V；接著是中長(zhǎng)度引腳的PCI信號(hào)連接，這些信號(hào)的電平已經(jīng)固定且尚未開(kāi)始，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾；最后才輪到最短的此腳，即BD_SEL#信號(hào)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(hào)被調(diào)整到一固定電平，最后才斷開(kāi)電源和地信號(hào)。在電路方面，cPCI增加一個(gè)ENUM#信號(hào)，即系統(tǒng)枚舉信號(hào)。當(dāng)一個(gè)cPCI設(shè)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(xiàn)熱切換，具有支持即插即用（PnP）的操作系統(tǒng)也是必要條件之一，只有支持PnP才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)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干預(yù)。用戶通過(guò)控制臺(tái)通知OS（操作系統(tǒng)）即將進(jìn)行設(shè)備卡插入或拔出。當(dāng)插入一個(gè)卡時(shí)，其詳細(xì)流程如下：
（a）通過(guò)系統(tǒng)界面，用戶通知OS即將在一個(gè)槽中插入一個(gè)卡；
（b）用戶插入卡，對(duì)卡完成上電初始化；
（c）用戶通知系統(tǒng)，卡已經(jīng)插入，要求OS重新枚舉總線；
(d)OS執(zhí)行總線枚舉，確定新卡需要的資源；
(e)OS對(duì)卡的PCI配置寄存器編程，向其分配資源；
(f)OS裝入適當(dāng)?shù)脑O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，并調(diào)用其初始化代碼；
(g)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化完成，卡開(kāi)始工作。
當(dāng)拔出一個(gè)卡時(shí)，流程類(lèi)似，需要用戶預(yù)先通知OS將要拔出設(shè)備卡，OS卸載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并回收設(shè)備資源后，才能拔出設(shè)備。
1．2．2 全熱切換
全熱切換是在基本熱切換的基礎(chǔ)上，在卡的插入/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。當(dāng)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(hào)，該信號(hào)通過(guò)某種途徑通知OS將要插入或拔出一個(gè)卡，OS再執(zhí)行總線枚舉、安裝驅(qū)動(dòng)程序或卸載驅(qū)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(chǔ)上建立的。它要求在系統(tǒng)卡和每個(gè)設(shè)備卡之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的RST#和信號(hào)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)，接著壞卡繼續(xù)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(shè)計(jì)方案。
三種熱切換的自動(dòng)化層次不同，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度也各有不同。下面介紹一種支持全熱切換的cPCI平臺(tái)的HotSwap子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)其硬件電路和軟件設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。
2 cPCI熱切換子系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 橋接芯片
在硬件電路上需要一兼容cPCI規(guī)范的PCI-to-PCI的橋接芯片，以便熱插拔卡時(shí)實(shí)現(xiàn)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(shè)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(shè)備隱藏處理，在設(shè)備卡剛插入尚未正常工作前或被驅(qū)動(dòng)程序停止之間可隱藏后級(jí)總線設(shè)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(duì)應(yīng)。
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(dāng)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(fù)位成功后，此狀態(tài)位為1。
2．2 硬件電路邏輯
系統(tǒng)卡電路在邏輯上就是一普遍PC主機(jī)板，它與熱切換相關(guān)的部分集中在對(duì)來(lái)自cPCI連接器的ENUM#信號(hào)的處理。在設(shè)計(jì)時(shí)，將它接在系統(tǒng)板Super I/O芯片Winbond W83627HF的IRQIN0引腳，以擴(kuò)展中斷輸入的ISA中斷方式實(shí)現(xiàn)。這樣設(shè)計(jì)的好處是：可避免與其它PCI設(shè)備共享中斷，而獨(dú)點(diǎn)一個(gè)中斷以保證中斷的響應(yīng)速度；該引腳輸入是可編程的，可根據(jù)系統(tǒng)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(shè)備而獨(dú)立存在，這樣驅(qū)動(dòng)程序也就可以設(shè)計(jì)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(shè)備驅(qū)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(zhuǎn)換。系統(tǒng)卡邏輯框圖如圖1所示。
設(shè)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(qū)動(dòng)，PCI6150的ENUM#信號(hào)直接與cPCI連接器的同名信號(hào)相連。EUNM#信號(hào)還和LED信號(hào)一起被用來(lái)驅(qū)動(dòng)一雙色LED，ENUM#信號(hào)為低時(shí)，LED被驅(qū)動(dòng)為紅色閃爍；ENUME信號(hào)為高、LOO信號(hào)為高時(shí)LED被驅(qū)動(dòng)為紅色，LOO信號(hào)為低時(shí)LED信號(hào)被驅(qū)動(dòng)為綠色。設(shè)備卡邏輯電路如圖2所示。
整個(gè)系統(tǒng)電路的邏輯工作是：當(dāng)設(shè)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(hào)為低，LED閃爍紅色，ENUM#經(jīng)cPCI底板到達(dá)系統(tǒng)卡，經(jīng)電平/邊沿轉(zhuǎn)換，生成中斷請(qǐng)求有效信號(hào)IRQIN0，處理器響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，ENUM#信號(hào)被撤除，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序成功安裝后置LOO位，狀態(tài)指示為紅色，設(shè)備開(kāi)始工作。當(dāng)要拔出設(shè)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(hào)，狀態(tài)LED為閃爍紅色，處理器響應(yīng)中斷，ENUM#被撤除，通知OS卸載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，之后熱交換軟件清LOO位，狀態(tài)LED指示藍(lán)色，設(shè)備可以安全拔出。整個(gè)過(guò)程無(wú)需用戶與操作系統(tǒng)交互，根據(jù)LED的顯示即可判斷卡的工作狀態(tài)，安全順利實(shí)現(xiàn)熱切換。
3 cPCI熱切換子程序軟件實(shí)現(xiàn)
軟件系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)中斷的響應(yīng)處理，與操作系統(tǒng)交互，以正確及時(shí)地安裝或卸載對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，確保整個(gè)軟件系統(tǒng)安全運(yùn)行。
3．1 軟件分層設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件分成三層：最底層為設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序hotswap.sys，它執(zhí)行與硬件相關(guān)的操作，如響應(yīng)熱切換過(guò)程中產(chǎn)生的中斷事件、對(duì)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(shè)備等；中間層為熱切換處理程序，一個(gè)由HSMonitor.exe創(chuàng)建的建立線程，一方面接收來(lái)自驅(qū)動(dòng)程序的通知，另一方面通知OS重新枚舉cPCI總線或卸載某一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；最上層為一圖形界面應(yīng)用程序HSMonitor.exe，為用戶提供可見(jiàn)的設(shè)備插拔動(dòng)態(tài)信息。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3．2 軟件流程
ENUM#信號(hào)有效時(shí)，首先設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序hotSwap.sys的中斷服務(wù)程序被執(zhí)行，中斷服務(wù)程序掃描整個(gè)cPCI總線，讀取PIC6150的熱切換寄存器，清除相應(yīng)狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)備的INS/EXT狀態(tài)位建立設(shè)備變更清單，通知熱切換處理線程。熱切換線程讀取設(shè)備變更清單，如果有剛插入的設(shè)備，則通知OS重新枚舉cPCI總線，如果有待拔出的設(shè)備，則利用設(shè)備槽信息（總線號(hào)/設(shè)備號(hào)）換算成PnP DevNode地址，通知OS移除該DevNode。OS在移除一個(gè)DevNode后或枚舉總線時(shí)發(fā)現(xiàn)了新設(shè)備則發(fā)消息到應(yīng)用程序HSMonitor.exe，該應(yīng)用程序被設(shè)計(jì)成每次開(kāi)機(jī)時(shí)自運(yùn)行且注冊(cè)為該消息的接收者。HSMonitor.exe獲取剛被處理過(guò)的DevNode及處理結(jié)果。包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載成功、設(shè)備被成功移除等，以日志形式顯示到控制臺(tái)，供用戶查詢(xún)。
cPCI平臺(tái)產(chǎn)品因?yàn)槠淇煽啃院蛨?jiān)固性逐漸被國(guó)內(nèi)電信設(shè)備三商采用，本設(shè)計(jì)中的cPCI平臺(tái)產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音呼叫中心和自動(dòng)應(yīng)答系統(tǒng)，其基于cPCI的全熱切換設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行，極大地提高了系統(tǒng)可靠性。本產(chǎn)品近一年的市場(chǎng)應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)方案成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)，用戶使用方便。
評(píng)論