關鍵詞：CPCI 平臺；ARM；VxWorks ；熱插拔；工業(yè)控制
1 引言
嵌入式平臺一般以主板為基礎，根據(jù)應用擴展功能模塊。如果適配板用可編程邏輯器件實現(xiàn)，主板通過它與功能模塊相連，那么主板可以適應功能模塊的變化。假如適配板為功能模塊預留一定數(shù)量的接口，那么平臺具有更大的擴展性。但由于適配板的接口是設計者自定義的，因而本質(zhì)上決定了基于適配板方法設計的嵌入式平臺不具有開放性。為了解決這個問題，主板與功能模塊必須基于某種標準總線進行設計。
CompactPCI( 下文簡稱CPCI)總線是基于PCI電氣規(guī)范開發(fā)的高性能工業(yè)總線，廣泛應用于工控、通訊等行業(yè)。簡單來說，CPCI總線是PCI 總線的電氣規(guī)范、標準的針孔連接器、歐洲卡規(guī)范三者的結晶。因此基于CPCI 總線設計的嵌入式平臺不僅具有PCI 總線的高性能、歐洲卡結構的高可靠性以及支持熱插拔功能，而且具有良好的開放性和擴展性，可以適應不斷變化的應用環(huán)境和需求[1]。針對本單位實際情況，本文提出構建基于ARM處理器與VxWorks操作系統(tǒng)的CPCI工控平臺，用它代替目前基于適配板方法設計的嵌入式平臺，并將它作為新項目的開發(fā)平臺。文章給出該平臺設計方案，并重點介紹該平臺硬件和軟件的設計。
2 平臺方案
CPCI平臺硬件一般由系統(tǒng)卡、外設卡、無源底板、電源模塊、機箱組成。
CPCI平臺可按基本熱插拔、全熱插拔、高可用性熱插拔三種層次實現(xiàn)。其中基本熱插拔需要用戶通過操作臺與操作系統(tǒng)交互來實現(xiàn)卡的熱插拔管理，不太適合嵌入式的應用；而全熱插拔則用卡推出/插入手柄與LED指示燈代替操作臺，大大簡化了用戶與操作系統(tǒng)的交互；而高可用性熱插拔在全熱插拔的基礎上，除了用軟件對硬件連接過程進行管理，并且在系統(tǒng)卡與每個外設卡槽之間實現(xiàn)點對點的復位和隔離信號，這樣操作系統(tǒng)可以自動隔離并替換壞卡。高可用性熱插拔的性能優(yōu)于全熱插拔，但其硬件和軟件的設計難度也增大。故本CPCI平臺將按全熱插拔方式實現(xiàn)。
3 平臺硬件設計
對于CPCI 機箱、底板、電源，可以根據(jù)應用選擇標準構件。在此只介紹系統(tǒng)卡與外設卡的硬件設計。
3.1 系統(tǒng)卡硬件設計
系統(tǒng)卡主要由CPU、CPCI主橋控制器、熱插拔控制電路、外圍電路組成。CPU是整個平臺的指揮官；CPCI主橋控制器為CPCI總線的擴展提供橋梁；熱插拔控制電路負責系統(tǒng)卡上電與斷電的控制；外圍電路針對應用而定。
CPCI主橋控制器的選型是系統(tǒng)卡設計的關鍵，如果CPU 內(nèi)置PCI 主橋控制器，則無需額外的CPCI主橋控制器，只需增加卡熱插拔檢測以及狀態(tài)指示控制電路，即可實現(xiàn)CPCI主橋控制器的功能。這樣不僅簡化設計，而且降低成本。如果CPU沒有內(nèi)置PCI主橋控制器，可以采取如下三種方法實現(xiàn)CPCI主橋控制器的功能。
（1）自己設計邏輯，然后定制ASIC芯片。
（2）自己設計或購買別人的接口邏輯，用大規(guī)模CPLD或FPGA來實現(xiàn)。
（3）選擇通用的CPCI主橋芯片。
第一種方法，只適用于用量比較大的情況，否則ASIC開發(fā)成本太高。第二和第三種方法，適用于小規(guī)模的情況。對于第二種方法，設計難度較大，并且開發(fā)出來的CPCI接口性能還要經(jīng)過嚴格的驗證才能使用，這無疑延長了產(chǎn)品的研發(fā)周期。由于我們使用的ARM9處理器沒有內(nèi)置PCI 主橋控制器，在此選用第三種方法。在眾多廠家生產(chǎn)的PCI芯片中，以美國PLX公司的PCI9056功能最完備，是作為CPCI主橋芯片的最佳選擇。PCI9056具有PCI R2.2規(guī)范兼容的32位，最高可達66MHZ的PCI總線，并且它滿足PICMG 2.0 R3.0 CPCI規(guī)范以及PICMG 2.1 R2.0 Hot Swap規(guī)范的要求。PCI9056的Local Bus可配置為三種模式，以滿足不同體系結構CPU的需要。針對ARM9處理器，我們把PCI9056的Local Bus配置為C模式，并且通過增加邏輯器件將ARM9 處理器的外部總線接口與PCI9056 的Local Bus進行連接，以實現(xiàn)時序協(xié)調(diào)和傳輸控制。PCI9056內(nèi)置PCI仲裁器，可以支持7個PCI設備的仲裁，這很適用于標準8槽底板的設計。
熱插拔控制電路設計的關鍵是熱插拔控制器的選型，而熱插拔控制器的供應商眾多，每個供應商針對不同應用提供不同型號的芯片。考慮到PCI9056主橋控制器集成了預充電路、Early Power電路，我們選擇Linear公司的LTC1643A芯片作為熱插拔控制器。它可以控制3.3V、5V、±12V電壓的供電，并且提供Fault、Power-Good狀態(tài)信息。系統(tǒng)卡電路的復位可以由Power-Good狀態(tài)來進行控制。
現(xiàn)在以PCI9056作為CPCI主橋控制器，以LTC1643A作為熱插拔控制器，簡單介紹系統(tǒng)卡插入底板的上電工作過程，而系統(tǒng)卡拔出底板的斷電工作過程與之相反。
（1）首先，系統(tǒng)卡的孔式插座與底板最長的電源、地信號針接觸，此時LTC1643A的ON#與PCI9056的BD_SEL#信號均被拉高，LTC1643A處于非工作狀態(tài)，而PCI9056處于預充狀態(tài)。
（2）接著，系統(tǒng)卡的孔式插座與底板的中長信號針接觸，由于PCI9056處于預充狀態(tài)，這樣系統(tǒng)卡與底板CPCI信號間的能源傳送減到最少。
（3）最后，系統(tǒng)卡的孔式插座與底板的最短信號針BD_SEL#接觸，由于底板BD_SEL#信號針接地，所以LTC1643A的ON#與PCI9056 的BD_SEL#信號均被拉低。此時，PCI9056脫離預充狀態(tài)，LTC1643A開始工作。LTC1643A控制3.3V 、5V、±12V上電，當它檢測到3.3V、5V、±12V輸出均在誤差范圍內(nèi)，它控制Power-Good#信號拉低，從而控制CPU的復位信號，讓CPU開始上電初始化過程。
（4）當CPU對PCI9056初始化時，它控制PCI9056進行復位，從而控制PCI_RST#信號復位，達到對底板上所有外設卡復位的目的。
3.2 外設卡硬件設計
外設卡主要由CPCI主/從設備接口芯片、EEPROM、熱插拔控制電路、應用電路組成。CPCI主/從設備接口芯片允許外設通過它掛接到CPCI總線上，CPCI主設備接口芯片既可作為CPCI總線上的master發(fā)起交易，又可作為CPCI總線上的slave響應交易；而CPCI從設備接口芯片只可作為CPCI總線上的slave響應交易；EEPROM用于存儲配置信息，當外設卡上電時，CPCI主/從設備接口芯片可以把EEPROM中的配置信息拷貝到它的配置首部寄存器空間；熱插拔控制電路主要負責外設卡上電與斷電的控制；應用電路按照應用需求設計。
外設卡設計的關鍵是CPCI主/從設備接口芯片的選型。在眾多廠家生產(chǎn)的PCI芯片中，以美國PLX公司的主/從設備接口芯片最為齊全。鑒于我們的應用是工業(yè)控制，考慮到性價比，PCI9030從設備接口芯片是不錯的選擇。
PCI9030芯片推薦使用支持序列讀功能的93 系列三線串口EEPROM，我們選用AT93C56A。EEPROM信息的更新除了使用專門的編程器外，還可以使用在線編程的方法實現(xiàn)。
現(xiàn)在以PCI9030作為CPCI設備接口芯片，以LTC1643A作為熱插拔控制器，簡單介紹外設卡插入底板的上電工作過程，而外設卡拔出底板的斷電工作過程與之相反。
（1）首先，外設卡的孔式插座與底板最長的電源、地信號針接觸，此時LTC1643A的ON#與PCI9030的BD_SEL#信號均被拉高，LTC1643A處于非工作狀態(tài)，而PCI9030處于預充狀態(tài)。
（2）接著，外設卡的孔式插座與底板的中長信號針接觸，由于PCI9030處于預充狀態(tài)，這樣外設卡與底板CPCI信號間的能源傳送減到最少。
（3）最后，外設卡的孔式插座與底板的最短信號針BD_SEL#接觸，由于底板BD_SEL#信號針接地，所以LTC1643A的ON#與PCI9030的BD_SEL#信號均被拉低。此時，PCI9030脫離預充狀態(tài)，LTC1643A開始工作。LTC1643A控制3.3V 、5V、±12V上電，當它檢測到3.3V、5V、±12V輸出均在誤差范圍內(nèi)，它控制Power-Good#信號拉低，只要此時來自系統(tǒng)卡的PCI_RST#復位信號無效，那么PCI9030進行復位。
（4）當PCI9030完成復位時，一方面，它產(chǎn)生Local_RST_Out#復位信號，從而控制應用電路進行復位；另一方面，如果它檢測到EEPROM存在，就把EEPROM中的配置信息拷貝到它的配置首部寄存器空間。當PCI9030完成初始化，即可響應來自系統(tǒng)卡的CPCI交易。
（5）當PCI9030檢測到卡已插入的狀態(tài)，它通過ENUM#信號向系統(tǒng)卡產(chǎn)生中斷請求。系統(tǒng)卡確認產(chǎn)生該中斷信號的外設卡，并調(diào)用它的驅動安裝程序，達到對該外設卡所需內(nèi)存、I/O、中斷等資源的分配。最后，系統(tǒng)卡熄滅該外設卡的狀態(tài)指示燈，以表示它在線。
4 平臺軟件設計
由于該平臺是基于VxWorks操作系統(tǒng)設計的，總體的軟件框架如圖所示。
現(xiàn)說明各部分軟件的功能。
（1）BSP是介于平臺硬件與操作系統(tǒng)之間的板級支持包，使操作系統(tǒng)能夠獨立于平臺硬件。BSP的設計主要包括系統(tǒng)卡硬件的初始化，為操作系統(tǒng)提供中斷、時鐘服務，完成外設驅動程序的初始化。針對CPCI總線部分，在系統(tǒng)卡硬件初始化時包括對PCI9056主橋芯片進行配置。為了實現(xiàn)對CPCI總線上設備的掃描，以及對CPCI設備進行資源配置功能，必須要針對PCI9056主橋芯片編寫CPCI配置庫。
（2）外設卡驅動程序的設計主要針對外設卡實現(xiàn)的功能，按照CPCI設備驅動程序的編寫規(guī)范，提供給應用程序標準的接口函數(shù)，從而實現(xiàn)對設備進行安裝、打開、讀寫、控制、關閉、卸載的管理。
（3）系統(tǒng)卡、外設卡中斷服務程序分別響應系統(tǒng)卡、所有外設卡的熱插拔事件，主要把熱插拔事件告訴熱插拔服務程序，讓它代為處理。系統(tǒng)卡中斷服務程序的優(yōu)先級比外設卡中斷服務程序的要高，因為系統(tǒng)卡熱插拔事件所產(chǎn)生的系統(tǒng)狀態(tài)直接決定外設卡可使用的系統(tǒng)資源狀況。
（4）熱插拔服務程序主要處理系統(tǒng)卡與外設卡中斷服務程序的請求，并優(yōu)先處理系統(tǒng)卡的請求?，F(xiàn)分別說明它如何處理來自系統(tǒng)卡、外設卡的熱插拔請求：
（a）系統(tǒng)卡中斷服務請求處理
當系統(tǒng)卡請求插入時，它只是熄滅系統(tǒng)卡的卡狀態(tài)指示燈，以提示用戶系統(tǒng)卡在線；當系統(tǒng)卡請求拔出時，它枚舉所有在線外設卡的卸載函數(shù)，并使被卸載外設卡的卡狀態(tài)指示燈點亮，以提示用戶外設卡離線。
（b）外設卡中斷服務請求處理
當外設卡請求插入時，它枚舉所有請求插入的外設卡的安裝函數(shù)，并使被安裝外設卡的卡狀態(tài)指示燈熄滅，以提示用戶該卡在線；當外設卡請求拔出時，它枚舉所有請求拔出的外設卡的卸載函數(shù)，并使被卸載外設卡的卡狀態(tài)指示燈點亮，以提示用戶該卡離線。
（5）外設卡應用模塊是外設卡驅動程序的使用者，它通過外設卡驅動程序完成對外設卡中設備的讀寫、控制功能。
5 結束語
目前已將該CPCI平臺方案成功應用于片式電子元件高速編帶機項目，不僅大大降低該產(chǎn)品的使用、維護和升級改造的費用，還創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。
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