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ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｈｏｔｓｗａｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＣＰＣＩｐｌａｔｆｏｒｍ，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。

２１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ＰＣＩ９０５４ＰＣＩ９０５４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２２《工业控制计算机》２００７年２０卷第８期器（ＨＳ＿ＣＳＲ），通过查询板卡上该寄存器的值可以知道是否该板卡发出了ＥＮＵＭ＃信号，设置相应的位可以清除该信号，还可以查询或设置指示灯的状态。

３．２．２热插拔电源管理器ＭＩＣ２５８０热插拔电源电路需在插拔过程中和正常工作时，对Ｃｏｍ－ｐａｃｔＰＣＩ板卡电源进行监控，按一定的速率及时上电和断电，把该电源的情况及时通知背板系统以便通过软件进行处理；同时需对ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ板卡的总线信号提供预充电电压，使Ｃｏｍ－ｐａｃｔＰＣＩ接插件的插针点的预充电电压达到１Ｖ，保证Ｃｏｍ－ｐａｃｔＰＣＩ板卡在热插拔过程中，对ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ总线的冲击很小；另外需对背板的ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃信号和ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ板卡的电源好坏情况进行逻辑处理来产生板卡上的ＬＯＣＡＬ＿ＰＣＩ＿ＲＳＴ＃信号。

为此，热插拔电源电路采用了芯片ＭＩＣ２５８０作为Ｃｏｍ－ｐａｃｔＰＣＩ热插拔电源管理器，它能够使板卡在运行中的Ｃｏｍ－ｐａｃｔＰＣＩ总线插槽内安全地插入和拔出。

ＭＩＣ２５８０是ＭＩＣＲＥＬ公司推出的一种适用于ＰＣＩ热插拔系统及ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ热插拔系统的电源控制器。

对Ｃｏｍｐａｃｔ－ＰＣＩ的Ｉ／Ｏ端口可预充电。

３．２．３电源控制和ＰＣＩ９０５４的接口原理本系统中设计的热插拔接口及电源控制原理电路如图６所示。

将微动开关触发的信号连接至ＰＣＩ９０５４的ＬＥＤｏｎ／ＬＥＤｉｎ引脚，ＰＣＩ９０５４就可以得到板卡插入或拔出的状态，从而ＰＣＩ９０５４将相应的ＥＮＵＭ＃信号传递给系统，通知系统安装或卸载驱动程序。