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基于CPCI平台的热插拔技术及实现
何礼;金雷
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2007(20)8
【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.
【总页数】3页(P21-23)
【作者】何礼;金雷
【作者单位】西南电子电信技术研究所上海分所,上海,200434;西南电子电信技术研究所上海分所,上海,200434
【正文语种】中文
【中图分类】TN91
【相关文献】
1.基于龙芯2F的CPCI-Hot-Swap技术研究与实现 [J], 齐劲松;贾志强;屈晔彬
2.基于CPCI总线的多卡实现32路采集平台设计 [J], 邢占春;曹芳菊;黄进燕;黄凯
3.基于CPCI热插拔技术的高可用冗余系统设计 [J], 余新胜;逄涛
4.基于CPCI总线的共享内存技术的实现 [J], 邹志强
5.基于“柔性测试”技术的CPCI模块测试平台 [J], 王爽;李全令;相朋举
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带热插拔的CompactPCI的单板接口硬件设计技术1、CPCI总线随着工业技术的发展，工业现场对计算机的要求像商业台式PC一样，同样需要高速度和高性能，尤其是在可视化图形操作界面、复杂的控制算法以及苛刻的时限要求等场合。
此外，对工业计算机还要有普通办公设备所不及的特殊要求，主要是：坚固：往往要工作在热、冷、脏、差的环境，还要能承受一定的冲击或振动，因此，对通风、散热、坚固性的要求较高。
可靠：平均无故障时间（MTBF）要高。
涉及电气、机械部件，连接器及外围设备的可靠性。
平均维修时间(MTTR)短：为缩短平均维修时间，大多数工业计算机都使用无源底板总线设计，甚至希望能带电插拔出现故障的插件。
模块化：除了要有普通PC的通用配置外，往往还有多种不同用途的I/O，如ADC、PLC、视频接口等。
且不同的应用对象要求各异，这就势必要用模块化解决。
标准化：成功的计算机设计大都不是一家能做好的，只有基于标准平台和工业标准才能从多个售主获得好产品。
前面板I/O：为了使用方便，工业计算机往往需要从前面连接I/O，前面板也兼有某些状态指示、插卡拔取和锁紧功能。
CPCI总线正是为了满足这一需要应运而生的，总的来说CPCI 总线规范是：PCI总线的电气和软件标准+ 欧式卡工业组装标准2、热插拔技术在一般的电子系统中，若出现电路板硬件故障，通常都要关闭系统电源再检修或更换故障设备，这样往往需要较长的停机时间。
在一些对可靠性要求非常高的高可靠系统中（MTTR 要求很短），不允许停机检修和停机更换故障板或只允许很短的停机时间。
要求在系统带电工作过程中更换电路板卡。
在众多的无源背板总线系统中，Compact PCI总线具有完整的支持热插拔的规范，提供了诸如：分级的引脚指针，enum#,蓝色LED,CPCISW，总线的预充电等规范进行支持。
根据同一规范各大生产商推出了自己开发的各种CPCI总线接口芯片和热插拔控制芯片。
这些芯片推出，大大简化了CPCI单板硬件的电气设计技术。
收稿日期:2004-05-14作者简介:陈磊(1981 ),男,工程师,主要从事CompactPCI 产品和嵌入式系统板的开发。
图1 热切换基本模式间的关系文章编号:1000-8829(2004)08-0044-03CompactPCI 热切换技术的应用Application of CompactPCI HotSwap Techn ology(北京新松佳和控制系统有限公司,北京 100081)陈 磊摘要:简单介绍了CompactPCI 总线中的热切换功能,并结合新松佳和公司的多功能串口板,阐述了基于CompactPCI 技术研发的产品中基本热切换功能的实现过程。
关键词:Co mpactPCI;冗余;热切换;电源管理中图分类号:T P336文献标识码:BAbstract:T he functi on of HotSwap in the CompactPCI bus combining w ith the SIASU N Company s multi function serial communication ports board is introduced simply.T he process of realizati on for basic HotSwap s function in the CompactPCI products is ex patiated.Key w ords:CompactP CI ;redundancy;HotSw ap;power supply management 计算机处理器的性能越来越高,功能越来越复杂,运算速度已经不再是用户所追求的惟一指标。
系统可以每秒钟处理指令上亿次却避免不了出现故障时宝贵数据的丢失,系统可以连接很多的外围功能卡却无法实现在电扩展。
因此,计算机的高稳定性和易维护性已经显得非常重要。
所谓5个9(five nines),即一般通称的99.999%系统正常运!行时间已经被很多特殊行业的用户当成了衡量系统质量好坏的新标准。
1引言cPCI 电源是用来给基于CompactPCI 标准构建的计算机系统供电的电源，cPCI 电源必须满足CompactPCI 规范里关于对电源的要求。
cPCI 电源主要技术特征有很多：多路输出；输出低压大电流具备均流功能，支持多机并联输出（N+M 冗余）；具备热插拔功能；具有超温、过载、短路、输出过压等保护功能以及降额、故障等状态指示功能；输出电压可以在外部设定；交流输入需具备PFC 功能；体积较小、接口一致等。
本项目所研究的cPCI 电源输入为交流85~254V ，输出为直流5V 、3.3V 、12V 、-12V ，额定功率为250W ，峰值输出可达300W 。
2整机方案交流85-254输入在经过滤波器及整流桥后通过APFC 变换为395VDC ，395VDC 被2路并行的双管正激电路变换为所需的4路输出。
2路并行的双管正激电路分别取3.3V 及5V 输出电压作为被控对象，12V 及-12V 输出端采用了二级稳压。
5V 与3.3V 输出采用了同步整流。
12及-12V 的“OR-ing ”功能采用肖特基二极管实现，5V 及3.3V 的“ORing ”功能采用MOSFET 实现。
3各部分主要功能的实现以及实际问题的解决方案3.1APFC 部分APFC 采用TI 提供的基于芯片UCC28180方案，UCC28180是采用平均电流模式控制工作于CCM 模式PFC 电路的8脚芯片。
参数选取按照数据手册所给公式计算。
供电采用PFC 电感抽头进行自激供电。
MOSFET 为耐压600V ，电流20A 。
二极管采用了SiC 二极管，耐压600V ，8A 。
功率因数最高的点出现在交流220V 半载情况下，功率因数0.992。
整机完成之后，全电压、全负载范围内功率因数均能在0.965以上。
3.2双管正激部分这部分电路采用芯片SC4910来实现闭环控制、PWM 生成、同步整流以及均流控制。
SC4910采用峰值电流控制，通过内部的时序及逻辑电路产生死区可调的同步整流管驱动信号用来实现次级的同步整流。
基于CPCI热插拔技术的高可用冗余系统设计余新胜;逄涛【摘要】To meet the demand for high availability of military computer systems,combined with the analysis of the concurrent processing architecture among the multiple system boards,a CPCI-based high availability hot swap technology is designed and implemented.The bus control modules are deployed on the system boards to manage the connection and disconnection between on-board processors and PCI buses.Once some failures are detected within the current PCI master device,the bus control module chooses some standby system board as the next PCI master device using the PCI master device selection algorithm.Experimental results show that this technology has little impact on the system startup time and memory occupation,and it meets the real-time,efficient processing and high availability requirements of military computer systems.%为满足军用计算机系统高可用需求，结合多系统板卡并发处理架构，设计并实现一种基于 CPCI总线高可用热插拔技术。
文章编号：1009－2552（2019）04－0131－04DOI ：10.13274/ki.hdzj.2019.04.029基于CPCI 总线的数据传输系统的设计何胜春（中国人民武装警察部队特种警察学院情报侦察系，北京102211）摘要：为了满足数据传输系统中数据发送和接收的高速性和稳定性，提高总线技术综合性能势在必行。
文中基于CPCI 总线技术、AＲM 技术和VxWorks 操作系统，设计了一套实时数据传输系统，硬件部分的设计包括AＲM 微控制器电路设计、A /D 转换电路设计、CAN 总线接口电路设计和热拔插电路设计等；软件部分的设计包括AＲM 程序设计和VxWorks 程序设计两个部分。
最后对数据传输系统进行运行测试，测试结果均达到预期效果。
关键词：数据传输；CPCI 总线；AＲM ；操作系统；测试中图分类号：TP29文献标识码：ADesign of data transmission system based on CPCI busHE Sheng-chun（Intelligence and Ｒeconnaissance Department of Special Police Academy PAPF ，Beijing 102211，China ）Abstract ：In order to meet high speed and stability of data sending andreception in the system of data transmission ，it is imperative to improve the comprehensive performance of bus technology．This paper demonstrates design of a real-time data transmission system based on CPCI bus technology ，AＲM technology and VxWorks operating system．The design of hardware includes AＲM microcontroller ，A /D conversion circuit ，CAN bus interface circuit and so on．The design of softwareincludes AＲM program and VxWorks program．After the system being tested ，the results reached expectation．Key words ：data transmission ；CPCI bus ；AＲM ；operating system ；testing收稿日期：2018－11－13作者简介：何胜春（1966－），女，硕士，教授，研究方向为信息安全及计算机技术应用。
《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。
