CPCI總線下高可用等級熱切換技術(shù)研究*

李正天，景斌，高少杰，羅悅，王玉姣，田福強(qiáng)

(1. 北京電子工程總體研究所，北京 100854；2. 中國人民解放軍駐航天二院中心軍代表室,北京 100854)

0 引言

近幾十年以來，電子信息化與計(jì)算機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了跨時(shí)代的進(jìn)化與發(fā)展，促進(jìn)了自動化測控設(shè)備的升級與改造進(jìn)程，在極大程度上同時(shí)航空航天領(lǐng)域?qū)Ｓ脺y控系統(tǒng)的改造與優(yōu)化升級[1]。現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的大型測試系統(tǒng)由于規(guī)模持續(xù)增大、逐步采用分布式系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其是以航空航天領(lǐng)域?yàn)榇淼牡孛婵刂葡到y(tǒng)提出更多的系統(tǒng)級多機(jī)熱備份技術(shù)應(yīng)用需求，而系統(tǒng)級的應(yīng)用需要底層總線熱切換技術(shù)的基礎(chǔ)支持，常見的總線如PCI，PCI-X和PCI-E等均對高等級的熱切換技術(shù)有較大需求[2]，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于底層軟硬件的基礎(chǔ)配置與實(shí)現(xiàn)。

熱切換含義為在不影響整個測控系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件下，允許測試計(jì)算機(jī)在持續(xù)工作過程中隨時(shí)具備取出、增加或者替換機(jī)箱插槽上特定設(shè)備板卡的功能，同時(shí)避免帶電操作損壞設(shè)備，及設(shè)備列表突變產(chǎn)生系統(tǒng)崩潰等事故的可能性，以此途徑提高測試計(jì)算機(jī)或系統(tǒng)的容錯能力以及故障快速恢復(fù)能力、可擴(kuò)展性和使用靈活性[3]。

本文以緊湊型PCI(compact peripheral component interconnect,CPCI)總線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)展開討論與研究。

1 研究內(nèi)容概述

自20世紀(jì)90年代起，PICMG(PCI industrial computer manufacturer’s group)開始關(guān)注于總線設(shè)備熱切換技術(shù)，發(fā)布了若干相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[4]，相關(guān)發(fā)展歷程總結(jié)如圖1所示。

圖1 CPCI總線設(shè)備熱切換技術(shù)(熱插拔技術(shù)) 相關(guān)規(guī)范發(fā)展示意圖Fig.1 Development process of CPCI hot-swap and hot-plug protocol

1.1 研究現(xiàn)狀概述

熱切換技術(shù)目前已經(jīng)逐漸成為CPCI總線技術(shù)中最突出、最具吸引力的亮點(diǎn)，然而也同時(shí)對系統(tǒng)提出了較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)要求，對目前的技術(shù)而言，若要投入應(yīng)用還需要經(jīng)過進(jìn)一步研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。它的實(shí)現(xiàn)需要測試系統(tǒng)從物理層到設(shè)備電路硬件層設(shè)計(jì)，再到軟件層交互協(xié)議三者之間的協(xié)調(diào)配合：首先，熱切換過程難以避免帶電操作，因此需要充分考慮抑制浪涌電流等因素對設(shè)備電氣回路造成的瞬時(shí)沖擊，在執(zhí)行PICMG相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，從而支持設(shè)備熱切換時(shí)的帶電操作能夠安全進(jìn)行；硬件層以總線板卡上的控制器(通常使用FPGA)及橋接控制器、電源控制器組成熱切換邏輯控制單元，通過邏輯判斷與余度切換動作順序執(zhí)行，確保多路不同電源的安全切換，通過功率控制器件(如MOSFET等)對模塊供電進(jìn)行緩沖控制；軟件層面要求操作系統(tǒng)需要具有即插即用功能，能夠動態(tài)管理設(shè)備，及時(shí)整合系統(tǒng)資源[5]。

根據(jù)PICMG規(guī)范描述，按照設(shè)備熱切換的過程要求與主要功能特征的不同標(biāo)準(zhǔn)，將系統(tǒng)熱切換功能劃分為3個不同的等級，即基本 (basic hot-swap)、完全(full hot-swap)[6]、高可用(high availability) 3種模式等級，其功能依次增強(qiáng)[7]。

近年來，隨著熱切換技術(shù)的普及與應(yīng)用領(lǐng)域拓展，尤其是對航天領(lǐng)域的大型測試與控制系統(tǒng)，以CPCI總線設(shè)備高等級熱切換技術(shù)為代表的應(yīng)用，已具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，部分具有熱切換功能的設(shè)備，所應(yīng)用的熱切換技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了完全等級，而高可用等級由于具備完全的自動化控制功能，是該項(xiàng)技術(shù)的必然發(fā)展方向[8]。

推廣應(yīng)用具備高可用模式熱切換技術(shù)的設(shè)備及系統(tǒng)，將有助于提高自動化測試系統(tǒng)尤其是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用測試系統(tǒng)的運(yùn)行、調(diào)試效率。當(dāng)測試過程因某個CPCI/PXI總線設(shè)備模塊的故障而中斷時(shí)，既可以使系統(tǒng)免于斷電重啟，同時(shí)也可以在短時(shí)間內(nèi)完成故障修復(fù)并快速恢復(fù)系統(tǒng)的正常工作，在設(shè)備正式投入使用之后，對于飛行器及武器裝備等大型測控系統(tǒng)則更是具有重要的實(shí)用價(jià)值。

目前，以MICREL為代表的多家公司都針對熱切換技術(shù)提出了解決方案，并研發(fā)出了多種熱切換電源控制器集成電路[9]。所述控制器集成電路已經(jīng)被逐步應(yīng)用到了各領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)設(shè)備板卡、限流器、網(wǎng)絡(luò)路由器、網(wǎng)絡(luò)交換器、磁盤冗余矩陣、遠(yuǎn)程接入服務(wù)器等領(lǐng)域[10]。而國內(nèi)也有越來越多的高校和研究所開始對系統(tǒng)級熱切換技術(shù)的開展研究工作。

1.2 典型熱切換系統(tǒng)

如何實(shí)現(xiàn)大型測控系統(tǒng)中CPCI總線高等級熱切換功能、適當(dāng)增加系統(tǒng)余度一直是增強(qiáng)系統(tǒng)維修性與可靠性的關(guān)鍵問題之一，它直接關(guān)系到測控系統(tǒng)能否適應(yīng)日益加速的新型號研制與測試工作任務(wù)。

系統(tǒng)單機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)熱切換功能需要首先完成以下幾方面設(shè)計(jì)的優(yōu)化與改進(jìn)工作：總線接口電氣結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)基礎(chǔ)輸入輸出接口、操作系統(tǒng)以及與硬件系統(tǒng)相適應(yīng)的底層驅(qū)動程序，如圖2所示，為典型熱切換系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)示意圖。以此為例對典型的熱備份系統(tǒng)進(jìn)行演示驗(yàn)證及研究討論，測控系統(tǒng)中包括支持熱切換功能的電源管理邏輯控制單元、相匹配的專用軟件驅(qū)動和能夠動態(tài)管理系統(tǒng)資源的操作系統(tǒng)、支持設(shè)備熱切換監(jiān)控的設(shè)備用戶接口[11]。

圖2 典型熱切換系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Typical software and hardware solution diagram of hot-swap system

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱切換系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一在于硬件模塊設(shè)計(jì)，其中主要包括電源管理、CPCI接口以及外部功能3個關(guān)鍵部分，如前所述，總線設(shè)備的高等級熱切換管理功能能夠?yàn)楦鞑糠衷O(shè)備電源的軟件控制提供基礎(chǔ)支持，因而是熱備份系統(tǒng)集成的關(guān)鍵基礎(chǔ)所在。在PICMG規(guī)范中對一些關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)給出了定義，運(yùn)用電源管理器、CPCI總線橋接控制器以及設(shè)備板卡上的核心控制器三者協(xié)同工作，綜合設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，從而達(dá)到上述定義內(nèi)容中的高可用模式等級則是設(shè)計(jì)內(nèi)容的核心所在。

對于總線橋的連接和板卡的外部功能，與普通設(shè)備沒有區(qū)別，對此本文不再贅述。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

熱切換電源管理模塊(hot-swap controller,HSC)，即HSC模塊是高可用等級熱切換功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。

常用的典型HSC大致有3種：LT1643，ADM1177和MIC2580，分別由美國的凌特公司、亞德諾半導(dǎo)體以及麥克雷爾公司設(shè)計(jì)研發(fā)。根據(jù)2.1版本PICMG規(guī)范的定義，需要通過HSC模塊的預(yù)充電功能在總線接入前先完成接口部分各地址、數(shù)據(jù)及功能接口的預(yù)充電，避免 I/O接口上的瞬時(shí)干擾破壞總線數(shù)據(jù)，所使用的預(yù)充電電壓一般為0.8～1.2 V(1.6版本為1.3～1.9 V)，由此一來在進(jìn)行總線設(shè)備熱切換動作時(shí)所產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度會得到有效的抑制[12]。考慮到上述多方面因素，本文中以MICREL公司發(fā)布的MIC2580集成電路為例進(jìn)行原理說明。

集成電路MIC2580具有4路電源控制通路，可以完全匹配、適用基于CPCI總線結(jié)構(gòu)的設(shè)備板卡電源管理設(shè)計(jì)需求，其中3V與5V電源控制端口采用外部MOSFET實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，從而通過N溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻在開關(guān)過程中達(dá)到緩沖的目的[13]，集成電路內(nèi)部集成了12 V與-12 V通路的MOSFET控制器，對于3 V與5 V通路，需要在片外集成MOSFET。當(dāng)設(shè)備接入總線時(shí)，電源管理邏輯控制單元首先上電完成程序加載，控制器(通常為FPGA器件)控制電源管理接口器件緩慢驅(qū)動MOSFET的柵極打開通路，由于導(dǎo)電溝道的開啟非瞬時(shí)完成，因此受控通路的電壓緩慢上升[14]。電源管理邏輯控制單元中還包含采樣電阻接口，用以監(jiān)測和檢驗(yàn)主要電源通路的電流。當(dāng)采樣電阻上的電壓壓降超過50 mV時(shí)，HSC即認(rèn)為電流過大，觸發(fā)過流報(bào)警機(jī)制并通過電源管理控制器切斷4路受控回路的供電，由此一來，即可以避免設(shè)備功能模塊短路或瞬時(shí)沖擊損傷總線設(shè)備[15]。限流電阻取值一般采用0.01 Ω，即瞬時(shí)電流超過5 A斷電。

MIC2580的開啟控制接口ON#，低電平使能有效時(shí)4路電源開啟，高電平時(shí)控制所有電源通路切斷，下降沿時(shí)電源開啟。在板卡設(shè)備接入時(shí)，由于橋接控制器與板卡邏輯控制器需要足夠的時(shí)間從EEPROM中載入程序，需要預(yù)留充足的時(shí)間完成初始化，因此可通過CRST接口外接電容值調(diào)整reset信號延時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，外接電容采用0.01 μF時(shí)啟動延時(shí)約2 ms。

為了能夠達(dá)到以軟件控制電源、管理備份設(shè)備通電斷電的目的，在本設(shè)計(jì)中將開啟控制接口連接至板卡上的邏輯控制器IO，而邏輯控制器、橋接控制器的電源直接取自總線接口上的3.3 V電源，在插槽上保持正常工作狀態(tài)。如此一來，設(shè)備板卡的CPU始終處于通電工作狀態(tài)，進(jìn)行插拔動作時(shí)屬于帶電操作，配合設(shè)計(jì)規(guī)范中所明確的保護(hù)措施，100 mA以下的弱電流沖擊也不會對任何設(shè)備造成損壞。而由此設(shè)計(jì)，可使軟件系統(tǒng)獲得對板卡電源的控制接口，可以通過總線寫入操作經(jīng)由總線橋接控制器將電源控制指令下達(dá)至板卡上的邏輯控制器，進(jìn)而可以隨時(shí)按照需求控制測試系統(tǒng)中的余度切換，由此即可達(dá)到PICMG規(guī)范中所定義的高可用熱切換級別，并為測試系統(tǒng)的熱備份結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供底層技術(shù)支持。

如圖3所示為基于MIC2580的熱切換電路設(shè)計(jì)原理框圖，配合以IRF7413，PCI9054，EP2C8Q208作為接口電路的設(shè)計(jì)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

VxWorks系統(tǒng)屬于目前較為常用的嵌入式、實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)，由于其代碼開源可以對內(nèi)核功能進(jìn)行修改與裁剪，因此在系統(tǒng)BSP(board support package)基礎(chǔ)上添加熱切換相應(yīng)功能，增加系統(tǒng)資源的監(jiān)控、識別以及資源的動態(tài)管理功能，從而使系統(tǒng)具備支持CPCI總線設(shè)備板卡熱切換的底層接口。VxWorks系統(tǒng)原有的板級支持包所包含的驅(qū)動程序未包含熱切換功能設(shè)計(jì)，需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)改造實(shí)現(xiàn)這部分功能[16]。

首先需要優(yōu)化操作系統(tǒng)板級支持源代碼中CPCI總線上所掛載設(shè)備的初始化過程，從而使操作系統(tǒng)能夠識別并操作隨時(shí)插入插槽上的各類功能板卡；其次，需要優(yōu)化中斷服務(wù)程序中對設(shè)備管理的響應(yīng)處理功能，從而使操作系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備電源管理邏輯控制單元的判斷結(jié)果動態(tài)管理設(shè)備資源；第三，完善設(shè)計(jì)系統(tǒng)余度變化的識別與檢測，即設(shè)備板卡熱切換過程的動態(tài)檢測，從而實(shí)現(xiàn)接入或取出CPCI總線插槽的總線設(shè)備的識別，并動態(tài)管理當(dāng)前可操作設(shè)備。

在系統(tǒng)改造過程當(dāng)中，設(shè)備類型的識別是主要問題，一般可采用的解決方案包括以下2種：橋接控制器中一般提供設(shè)備的DeviceID或SubID，在設(shè)備上電工作時(shí)從配置寄存器讀入，當(dāng)操作系統(tǒng)掃描設(shè)備列表時(shí)可以讀入該信息進(jìn)行識別；此外還可以使局部總線控制器(一般為FPGA)預(yù)定義的協(xié)議地址映射校驗(yàn)數(shù)據(jù)。第1種動態(tài)識別方法比較常用，使用過程較為方便，僅需要讀取設(shè)備寄存器數(shù)據(jù)；相對于前者，第2種方法在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中可以達(dá)到更為靈活的效果，可附加的校驗(yàn)信息容量更大，因此在本文中以后一種方法舉例，實(shí)現(xiàn)設(shè)備類型識別和校驗(yàn)。本設(shè)計(jì)中在局部地址劃分偏移地址0x104即為設(shè)備類型校驗(yàn)識別地址，不同類型、不同編號的設(shè)備通過不同校驗(yàn)算法進(jìn)行識別與區(qū)分。

如圖4所示為VxWoks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對熱切換設(shè)備資源動態(tài)掃描與管理的流程示意圖。系統(tǒng)中啟動專用任務(wù)線程對插槽上設(shè)備進(jìn)行定周期掃描，通過系統(tǒng)函數(shù)掃描系統(tǒng)接入的設(shè)備數(shù)量，并與上一次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若所得到的計(jì)數(shù)值不同于上一輪數(shù)值，則操作系統(tǒng)識別到有設(shè)備接入或移除(注：該任務(wù)的掃描定時(shí)周期可定為0.5～5 s不等，認(rèn)為該時(shí)間范圍符合一次設(shè)備熱切換的應(yīng)用需求，對于不同的實(shí)際情況可以適應(yīng)性調(diào)整)，系統(tǒng)進(jìn)入資源重新分配與調(diào)整的流程，通過校驗(yàn)算法識別出最小的排列映射方式，并依次完成設(shè)備映射地址調(diào)整過程。通過上述過程，即可實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)資源的動態(tài)管理。

圖3 基于MIC2580的熱切換電路設(shè)計(jì)原理框圖Fig.3 Schematic diagram of the hot-swap design based on MIC2580

3 系統(tǒng)集成與應(yīng)用

如圖5所示，為熱切換技術(shù)對于不同級別應(yīng)用目標(biāo)的技術(shù)路線示意圖。對于各個分系統(tǒng)及其附屬設(shè)備而言，熱切換技術(shù)在大型測控系統(tǒng)——尤其是分布式系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，可大量應(yīng)用于關(guān)鍵設(shè)備的多機(jī)多模塊熱備份。航天測試與發(fā)射控制系統(tǒng)等大型測控系統(tǒng)對任務(wù)可靠性提出了嚴(yán)格要求，因此在任務(wù)過程中發(fā)生設(shè)備故障時(shí)通過關(guān)鍵設(shè)備模塊、關(guān)鍵整機(jī)設(shè)備的快速切換與快速恢復(fù)，可以大幅度提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性指標(biāo)。應(yīng)用高可用等級的熱切換設(shè)計(jì)方法，可以形成多機(jī)熱備份系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備所在分系統(tǒng)的故障隔離功能，通過增加設(shè)備余度，提高系統(tǒng)整體容錯能力，在提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性、可靠性、維修性等方面均有較明顯的效果。

圖4 VxWoks 系統(tǒng)設(shè)備變更掃描流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of VxWorks system equipment changes scanning process

圖5 高可用熱切換與熱備份技術(shù)應(yīng)用示意圖Fig.5 Technical scheme of HA hot-swap application

4 結(jié)束語

本文通過對熱切換技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)研和分析，闡述了一種CPCI總線下高可用等級熱切換技術(shù)的具體軟硬件實(shí)施途徑，以及系統(tǒng)集成與系統(tǒng)應(yīng)用方面的推廣實(shí)現(xiàn)措施，提高了系統(tǒng)整體容錯能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

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《現(xiàn)代防御技術(shù)》對論文摘要的要求

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