CPCI總線下高可用等級熱切換技術研究*

李正天，景斌，高少杰，羅悅，王玉姣，田福強

(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，電子信息化與計算機技術經(jīng)歷了跨時代的進化與發(fā)展，促進了自動化測控設備的升級與改造進程，在極大程度上同時航空航天領域?qū)Ｓ脺y控系統(tǒng)的改造與優(yōu)化升級[1]?，F(xiàn)代工業(yè)領域的大型測試系統(tǒng)由于規(guī)模持續(xù)增大、逐步采用分布式系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，尤其是以航空航天領域為代表的地面控制系統(tǒng)提出更多的系統(tǒng)級多機熱備份技術應用需求，而系統(tǒng)級的應用需要底層總線熱切換技術的基礎支持，常見的總線如PCI，PCI-X和PCI-E等均對高等級的熱切換技術有較大需求[2]，該技術的實現(xiàn)依賴于底層軟硬件的基礎配置與實現(xiàn)。

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

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

1 研究內(nèi)容概述

自20世紀90年代起，PICMG(PCI industrial computer manufacturer’s group)開始關注于總線設備熱切換技術，發(fā)布了若干相關標準規(guī)范[4]，相關發(fā)展歷程總結(jié)如圖1所示。

圖1 CPCI總線設備熱切換技術(熱插拔技術) 相關規(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

熱切換技術目前已經(jīng)逐漸成為CPCI總線技術中最突出、最具吸引力的亮點，然而也同時對系統(tǒng)提出了較為復雜的結(jié)構(gòu)要求，對目前的技術而言，若要投入應用還需要經(jīng)過進一步研究與實驗驗證。它的實現(xiàn)需要測試系統(tǒng)從物理層到設備電路硬件層設計，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備電氣回路造成的瞬時沖擊，在執(zhí)行PICMG相關規(guī)范的基礎上進行降額設計，從而支持設備熱切換時的帶電操作能夠安全進行；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)管理設備，及時整合系統(tǒng)資源[5]。

根據(jù)PICMG規(guī)范描述，按照設備熱切換的過程要求與主要功能特征的不同標準，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[7]。

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

推廣應用具備高可用模式熱切換技術的設備及系統(tǒng)，將有助于提高自動化測試系統(tǒng)尤其是航空航天領域應用測試系統(tǒng)的運行、調(diào)試效率。當測試過程因某個CPCI/PXI總線設備模塊的故障而中斷時，既可以使系統(tǒng)免于斷電重啟，同時也可以在短時間內(nèi)完成故障修復并快速恢復系統(tǒng)的正常工作，在設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用價值。

目前，以MICREL為代表的多家公司都針對熱切換技術提出了解決方案，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)被逐步應用到了各領域的計算機設備板卡、限流器、網(wǎng)絡路由器、網(wǎng)絡交換器、磁盤冗余矩陣、遠程接入服務器等領域[10]。而國內(nèi)也有越來越多的高校和研究所開始對系統(tǒng)級熱切換技術的開展研究工作。

1.2 典型熱切換系統(tǒng)

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

系統(tǒng)單機設備實現(xiàn)熱切換功能需要首先完成以下幾方面設計的優(yōu)化與改進工作：總線接口電氣結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)基礎輸入輸出接口、操作系統(tǒng)以及與硬件系統(tǒng)相適應的底層驅(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)進行演示驗證及研究討論，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)、支持設備熱切換監(jiān)控的設備用戶接口[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)設計

熱切換系統(tǒng)的關鍵部分之一在于硬件模塊設計，其中主要包括電源管理、CPCI接口以及外部功能3個關鍵部分，如前所述，總線設備的高等級熱切換管理功能能夠為各部分設備電源的軟件控制提供基礎支持，因而是熱備份系統(tǒng)集成的關鍵基礎所在。在PICMG規(guī)范中對一些關鍵部分的設計標準已經(jīng)給出了定義，運用電源管理器、CPCI總線橋接控制器以及設備板卡上的核心控制器三者協(xié)同工作，綜合設計硬件系統(tǒng)，從而達到上述定義內(nèi)容中的高可用模式等級則是設計內(nèi)容的核心所在。

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

2.1 硬件設計

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現(xiàn)的關鍵所在。

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、亞德諾半導體以及麥克雷爾公司設計研發(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)及功能接口的預充電，避免 I/O接口上的瞬時干擾破壞總線數(shù)據(jù)，所使用的預充電電壓一般為0.8～1.2 V(1.6版本為1.3～1.9 V)，由此一來在進行總線設備熱切換動作時所產(chǎn)生的干擾強度會得到有效的抑制[12]?？紤]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)的設備板卡電源管理設計需求，其中3V與5V電源控制端口采用外部MOSFET實現(xiàn)開關控制，從而通過N溝道MOSFET的導通電阻在開關過程中達到緩沖的目的[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。當設備接入總線時，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，由于導電溝道的開啟非瞬時完成，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)測和檢驗主要電源通路的電流。當采樣電阻上的電壓壓降超過50 mV時，HSC即認為電流過大，觸發(fā)過流報警機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，即可以避免設備功能模塊短路或瞬時沖擊損傷總線設備[15]。限流電阻取值一般采用0.01 Ω，即瞬時電流超過5 A斷電。

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

為了能夠達到以軟件控制電源、管理備份設備通電斷電的目的，在本設計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，設備板卡的CPU始終處于通電工作狀態(tài)，進行插拔動作時屬于帶電操作，配合設計規(guī)范中所明確的保護措施，100 mA以下的弱電流沖擊也不會對任何設備造成損壞。而由此設計，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至板卡上的邏輯控制器，進而可以隨時按照需求控制測試系統(tǒng)中的余度切換，由此即可達到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)設計提供底層技術支持。

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

2.2 軟件設計

VxWorks系統(tǒng)屬于目前較為常用的嵌入式、實時性操作系統(tǒng)，由于其代碼開源可以對內(nèi)核功能進行修改與裁剪，因此在系統(tǒng)BSP(board support package)基礎上添加熱切換相應功能，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計，需要通過優(yōu)化設計改造實現(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總線上所掛載設備的初始化過程，從而使操作系統(tǒng)能夠識別并操作隨時插入插槽上的各類功能板卡；其次，需要優(yōu)化中斷服務程序中對設備管理的響應處理功能，從而使操作系統(tǒng)能夠根據(jù)設備電源管理邏輯控制單元的判斷結(jié)果動態(tài)管理設備資源；第三，完善設計系統(tǒng)余度變化的識別與檢測，即設備板卡熱切換過程的動態(tài)檢測，從而實現(xiàn)接入或取出CPCI總線插槽的總線設備的識別，并動態(tài)管理當前可操作設備。

在系統(tǒng)改造過程當中，設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備的DeviceID或SubID，在設備上電工作時從配置寄存器讀入，當操作系統(tǒng)掃描設備列表時可以讀入該信息進行識別；此外還可以使局部總線控制器(一般為FPGA)預定義的協(xié)議地址映射校驗數(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，僅需要讀取設備寄存器數(shù)據(jù)；相對于前者，第2種方法在實際應用當中可以達到更為靈活的效果，可附加的校驗信息容量更大，因此在本文中以后一種方法舉例，實現(xiàn)設備類型識別和校驗。本設計中在局部地址劃分偏移地址0x104即為設備類型校驗識別地址，不同類型、不同編號的設備通過不同校驗算法進行識別與區(qū)分。

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

圖3 基于MIC2580的熱切換電路設計原理框圖Fig.3 Schematic diagram of the hot-swap design based on MIC2580

3 系統(tǒng)集成與應用

如圖5所示，為熱切換技術對于不同級別應用目標的技術路線示意圖。對于各個分系統(tǒng)及其附屬設備而言，熱切換技術在大型測控系統(tǒng)——尤其是分布式系統(tǒng)中的關鍵設備、關鍵環(huán)節(jié)中，可大量應用于關鍵設備的多機多模塊熱備份。航天測試與發(fā)射控制系統(tǒng)等大型測控系統(tǒng)對任務可靠性提出了嚴格要求，因此在任務過程中發(fā)生設備故障時通過關鍵設備模塊、關鍵整機設備的快速切換與快速恢復，可以大幅度提高系統(tǒng)的任務可靠性指標。應用高可用等級的熱切換設計方法，可以形成多機熱備份系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時還能夠?qū)崿F(xiàn)設備所在分系統(tǒng)的故障隔離功能，通過增加設備余度，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應用示意圖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的具體軟硬件實施途徑，以及系統(tǒng)集成與系統(tǒng)應用方面的推廣實現(xiàn)措施，提高了系統(tǒng)整體容錯能力，增強了系統(tǒng)可靠性。

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《現(xiàn)代防御技術》對論文摘要的要求

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《現(xiàn)代防御技術》對中英文摘要的要求為：摘要采用報道性文摘，應擁有與論文同等量的主要信息，中英文摘要均須包括目的、方法、結(jié)果、結(jié)論等四要素，重點說明文章的創(chuàng)新點部分。中文摘要，一般字數(shù)要求在300字以內(nèi)為宜。英文摘要，應按照英文文法書寫，在確保內(nèi)容完整性的前提下不必采用句子到句子的直接翻譯模式。另外，論文題目不超過20個字，避免使用“基于…”的語法結(jié)構(gòu)。