基于CPCI平台的热插拔技术及实现

《工业控制计算机》２００７年２０卷第８期

基于ＣＰＣＩ平台的热插拔技术及实现

ＨｏｔＳｗａｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＣＰＣＩＰｌａｔｆｏｒｍ

何礼金雷（西南电子电信技术研究所上海分所，上海２００４３４）

摘要

介绍了基于ＣＰＣＩ平台的热插拔技术及其实现，包括热插拔系统架构、系统模型、热插拔过程的控制，并且给出了实际的硬件接口和软件接口的设计。

关键词：ＣＰＣＩ总线，热插拔，接口设计

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｈｏｔｓｗａｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＣＰＣＩｐｌａｔｆｏｒｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｈｏｔｓｗａｐｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｈｏｔｓｗａｐｐｒｏｃｅｄｕｒｅ，ａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔａｎａｃｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｉｎ－ｔｅｒｆａｃｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＰＣＩｂｕｓ，ｈｏｔｓｗａｐ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅｄｅｓｉｇｎ

具有模块化、易使用以及易维护等优点的ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ产品已经广泛应用于军事武器系统、航天工业、电信网络、ＣＴＩ等多个领域，而在ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ的各种技术中，尤以热插拔（ＨｏｔＳｗａｐ）技术最为突出。热插拔最主要的目的在于：提供一种平台，使得系统在不断电的前提下，周边卡甚至于系统卡可拔出或插入，而不影响或破坏整个系统的正常工作。

１热插拔系统

１．１热插拔系统架构

热插拔系统的系统架构如图１所示：

图１热插拔系统架构

最底层的部分是可热插拔板卡所应支持的硬件设计，它必须有一个可以控制板卡插拔状态及控制ＨｏｔＳｗａｐＬＥＤ的芯片，在板卡热插拔时能够发出ＥＮＵＭ＃信号通知系统ＣＰＵ卡。

中间部分为ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ的背板设计。ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ总线的独特硬件接触界面有长短针的分别，在热插拔板卡时可以避免因为电源的不当输入而造成板卡损坏。此外，ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ背板还提供了ＥＮＵＭ＃信号的传递接口，以便可使热插拔板卡和系统ＣＰＵ卡进行通信。

最上层为系统ＣＰＵ卡所必须支持的部分，它必须具有一个可以知道板卡热插拔的接口（ＥＮＵＭ＃），并且还必须有热插拔服务程序负责板卡热插拔时的资源分配及卸载，否则即使ＣＰＵ卡可以确定任何的板卡插拔，操作者也无法正常使用该平台。１．２热插拔系统模型

热插拔系统架构中包括了ＰＩＣＭＧ２．１Ｒ２．０标准定义的三种不同的热插拔系统模型：

基本热插拔模型（ＢａｓｉｃＨｏｔＳｗａｐ）：包含了最基本的热插拔需求。该模型允许在系统运行过程中拔出或插入Ｃｏｍｐａｃｔ－ＰＣＩ板卡，但必须由操作人员通过人机接口向操作系统发出控制命令才能实现，软件连接不能自动进行。

完全热插拔模型（ＦｕｌｌＨｏｔＳｗａｐ）：在完全热插拔模式下的软件连接是自动完成的，不需要人为的干预。

高可用性热插拔模型（ＨｉｇｈＡｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ）：高可用性热插拔是以完全热插拔模型为基础建立的。它要求在系统卡和每个周边卡槽之间实现点对点ＲＳＴ＃和隔离信号，这使系统可以自动隔离一个坏的板卡，始终处于运行状态，几乎没有故障。

２热插拔过程

完整的热插拔包括三个过程：

１）物理连接过程：这是一个机械过程，分插入和拔出两种情况。物理连接过程从板卡插入开始，到短针ＢＤ＿ＳＥＬ＃插入为止，物理断开过程反之。

２）硬件连接过程：主要指的是与系统相连的硬件层的电气连接。该过程包括两个基本组成部分：电源总线部分（为系统电源总线提供保护，允许对板卡进行初始化）和ＣＰＣＩ总线部分（允许按顺序地连接至ＣＰＣＩ总线或从其上断开）。

３）软件连接过程：主要指的是与系统相连的软件层的连接。

这些过程可以用一组状态来描述，如图２所示：

图２热插拔连接状态

２．１硬件连接控制

通过对部分总线信号的控制实现对硬件连接过程的控制，这些信号在所有的热插拔板卡上的实现都是一致的，但是对于不同的热插拔系统模型，它们的实现在平台背板上是不同的。从三种热拔插模型的比较中可以看出，仅在高可用性热插拔系统中才有硬件连接控制，即在高可用性热插拔系统中如下信号可以通过软件进行控制，但在另外两种热插拔系统中是非可控的。

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基于ＣＰＣＩ平台的热插拔技术及实现

２．１．１ＢＤ＿ＳＥＬ＃信号

ＢＤ＿ＳＥＬ＃是连接器上的一个短针，在板卡插入和拔出的过程中这个信号最后连接最先断开，这样保证了系统在所有信号都可靠连接后，板卡上的ＢＤ＿ＳＥＬ＃才与背板相连。

在没有硬件连接控制的系统中（如基本热插拔系统和完全热插拔系统），可以将背板中的ＢＤ＿ＳＥＬ＃信号直接接地，这样板卡插入后即上电运行。

在具有硬件连接控制的系统中（如高可用性热插拔系统），ＢＤ＿ＳＥＬ＃直接连到一个热插拔控制器（ＨＳＣ）。控制器的ＢＤ＿ＳＥＬ＃信号接有一个较小的下拉电阻。当板卡插入时，由于板卡上的上拉电阻较大，所以控制器能发现卡的插入，然后控制器将ＢＤ＿ＳＥＬ＃信号置低，开始上电过程。

２．１．２ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃信号

ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃信号是背板上的一个总线信号，由系统主机驱动。由于板卡必须在各路电源完全正常的情况下才可以工作，因此，板卡的复位信号（ＬＯＣＡＬ＿ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃）不能直接与背板中的ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃相连，而是要将ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃信号与板卡上的ＨＥＡＬＴＨＹ＃信号进行逻辑“或”以后，再连接板卡的ＬＯ－ＣＡＬ＿ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃信号，这样就保证了只有当系统释放ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃，并且板卡的各路电源正常时，板卡才退出复位状态开始正常工作。２．１．３ＨＥＡＬＴＨＹ＃信号

ＨＥＡＬＴＨＹ＃信号用来监测板卡上各路电源是否正常。在板卡上，ＨＥＡＬＴＨＹ＃信号连接至电源控制器的ＰＷＲＧＤ＃上，也可以附加其他条件来扩展应用。板卡插入背板后，此信号与背板相连，在具有硬件连接控制的系统中，背板中的热插拔控制器（ＨＳＣ）如果检测到ＨＥＡＬＴＨＹ＃信号正常则释放对板卡的复位。在没有硬件连接控制的系统中，此信号被悬空。

２．２软件连接控制

通过板卡上的部分信号和资源来实现对软件连接过程的控制，包括：ＥＮＵＭ＃信号、微动开关、指示灯、热插拔控制／状态寄存器。

２．２．１ＥＮＵＭ＃信号

ＥＮＵＭ＃信号是送到背板的带上拉的集电极开路信号，它作为所有周边卡的输出，并作为向系统卡的输入。当热插拔板卡被刚刚插入或即将拔出时，热插拔板卡必须立即有效ＥＮＵＭ＃信号，系统主机收到该信号后执行相应的操作：板卡刚刚插入时，加载板卡的驱动程序；板卡即将拔出时，停止使用板卡并且卸载板卡的驱动程序，然后通知用户可以拔出板卡。

ＥＮＵＭ＃信号可以以中断的方式通知主机，或者系统软件通过轮询的方式查询ＥＮＵＭ＃信号的状态。

２．２．２微动开关

在板卡插入或拔出时，要首先闭合或打开安装在板卡下端（右端）把手上的微动开关，该微动开关触发的信号会产生ＥＮＵＭ＃信号，从而通知系统配置的改变。

２．２．３热插拔控制／状态寄存器（ＨＳ＿ＣＳＲ）

一个热插拔控制／状态寄存器（ＨＳ＿ＣＳＲ）应该至少包括４个控制／状态位：ＩＮＳ、ＥＸＴ、ＥＩＭ、ＬＯＯ，ＨＳ＿ＣＳＲ可以在板卡的ＰＣＩ配置空间中实现。

软件通过两个控制和状态位（ＩＮＳ和ＥＸＴ）确定产生ＥＮＵＭ＃信号时发生的事件。ＩＮＳ表示板卡被插入；ＥＸＴ表示板卡即将被拔出。这些位也被用于响应ＥＮＵＭ＃信号。

另外两个控制位（ＥＩＭ和ＬＯＯ）用来更进一步地来支持热插拔过程。用ＥＩＭ屏蔽ＥＮＵＭ＃，ＬＯＯ用于点亮／熄灭指示灯。３ＣＰＣＩ板卡的热插拔实现

在基于ＣＰＣＩ平台的微波总线接收机中，我们已经实现了ＣＰＣＩ板卡的热插拔。该系统中采用研华的ＭＩＣ－３０３８Ａ工控机机箱和ＭＩＣ－３３７７／ＭＣＰＵ卡，系统支持完全热插拔，所以只有板卡的插拔需要人工手动操作，其余的例如硬件信号连接、资源分配及卸载等工作都通过硬件和软件自动完成。

完全热插拔的系统架构如图３所示，它比高可用热插拔系统少了硬件连接控制的部分。

图３完全热插拔系统架构

３．１连接过程

３．１．１正常插入过程

当插入板卡并扣上板卡把手上的微动开关后，可热插拔板卡上的电源开始供电并产生ＥＮＵＭ＃信号，ＣＰＵ卡接收到ＥＮＵＭ＃信号后，系统首先确认ＣＰＣＩ总线上哪个板卡刚刚被插入，然后加载与此板卡相应的驱动程序，之后便可以进入正常使用状态。

图４插入过程

３．１．２正常拔出过程

打开板卡把手上的微动开关，板卡会送出ＥＮＵＭ＃信号通知系统ＣＰＵ卡，系统在接收到信号之后扫描总线上的板卡，以确认哪个板卡将被拔出，若板卡正在被使用，则停止使用，并且卸载此卡的驱动程序以及相关的资源，最后点亮板卡上的指示灯，通知用户可以拔出该板卡。

由插入及拔出过程可以知道，支持热插拔需要特殊的硬件及软件设计。硬件主要包括：板卡、平台。软件主要包括：热插拔驱动程序、热插拔服务程序、高层应用程序。

图５拔出过程

３．２硬件接口设计

３．２．１总线接口控制芯片ＰＣＩ９０５４

ＰＣＩ９０５４芯片是ＰＬＸ公司推出的一款支持热交换功能的ＰＣＩ接口控制芯片，为ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ接口提供了解决方案，可以支持具有热交换功能的ＰＩＣＭＧ２．１目标设备。

ＰＣＩ９０５４在ＰＣＩ配置空间中提供了热插拔控制／状态寄存

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