關鍵詞：CPCI 平臺；ARM；VxWorks ；熱插拔；工業控制
1 引言
嵌入式平臺一般以主板為基礎，根據應用擴展功能模塊。如果適配板用可編程邏輯器件實現，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電氣規范開發的高性能工業總線，廣泛應用于工控、通訊等行業。簡單來說，CPCI總線是PCI 總線的電氣規范、標準的針孔連接器、歐洲卡規范三者的結晶。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。其中基本熱插拔需要用戶通過操作臺與操作系統交互來實現卡的熱插拔管理，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，并且在系統卡與每個外設卡槽之間實現點對點的復位和隔離信號，這樣操作系統可以自動隔離并替換壞卡。高可用性熱插拔的性能優于全熱插拔，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。
3 平臺硬件設計
對于CPCI 機箱、底板、電源，可以根據應用選擇標準構件。在此只介紹系統卡與外設卡的硬件設計。
3.1 系統卡硬件設計
系統卡主要由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卡設計的關鍵，如果CPU 內置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指示控制電路，即可實現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沒有內置PCI主橋控制器，可以采取如下三種方法實現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，用大規模CPLD或FPGA來實現。
（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開發成本太高。第二和第三種方法，適用于小規模的情況。對于第二種方法，設計難度較大，并且開發出來的CPCI接口性能還要經過嚴格的驗證才能使用，這無疑延長了產品的研發周期。由于我們使用的ARM9處理器沒有內置PCI 主橋控制器，在此選用第三種方法。在眾多廠家生產的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規范以及PICMG 2.1 R2.0 Hot Swap規范的要求。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，以實現時序協調和傳輸控制。PCI9056內置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狀態信息。系統卡電路的復位可以由Power-Good狀態來進行控制。
現在以PCI9056作為CPCI主橋控制器，以LTC1643A作為熱插拔控制器，簡單介紹系統卡插入底板的上電工作過程，而系統卡拔出底板的斷電工作過程與之相反。
（1）首先，系統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，而PCI9056處于預充狀態。
（2）接著，系統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，這樣系統卡與底板CPCI信號間的能源傳送減到最少。
（3）最后，系統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，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，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。
現在以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，而PCI9030處于預充狀態。
（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，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，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，它控制Power-Good#信號拉低，只要此時來自系統卡的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，即可響應來自系統卡的CPCI交易。
（5）當PCI9030檢測到卡已插入的狀態，它通過ENUM#信號向系統卡產生中斷請求。系統卡確認產生該中斷信號的外設卡，并調用它的驅動安裝程序，達到對該外設卡所需內存、I/O、中斷等資源的分配。最后，系統卡熄滅該外設卡的狀態指示燈，以表示它在線。
4 平臺軟件設計
由于該平臺是基于VxWorks操作系統設計的，總體的軟件框架如圖所示。
現說明各部分軟件的功能。
（1）BSP是介于平臺硬件與操作系統之間的板級支持包，使操作系統能夠獨立于平臺硬件。BSP的設計主要包括系統卡硬件的初始化，為操作系統提供中斷、時鐘服務，完成外設驅動程序的初始化。針對CPCI總線部分，在系統卡硬件初始化時包括對PCI9056主橋芯片進行配置。為了實現對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的功能，按照CPCI設備驅動程序的編寫規范，提供給應用程序標準的接口函數，從而實現對設備進行安裝、打開、讀寫、控制、關閉、卸載的管理。
（3）系統卡、外設卡中斷服務程序分別響應系統卡、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。系統卡中斷服務程序的優先級比外設卡中斷服務程序的要高，因為系統卡熱插拔事件所產生的系統狀態直接決定外設卡可使用的系統資源狀況。
（4）熱插拔服務程序主要處理系統卡與外設卡中斷服務程序的請求，并優先處理系統卡的請求。現分別說明它如何處理來自系統卡、外設卡的熱插拔請求：
（a）系統卡中斷服務請求處理
當系統卡請求插入時，它只是熄滅系統卡的卡狀態指示燈，以提示用戶系統卡在線；當系統卡請求拔出時，它枚舉所有在線外設卡的卸載函數，并使被卸載外設卡的卡狀態指示燈點亮，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，并使被安裝外設卡的卡狀態指示燈熄滅，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，并使被卸載外設卡的卡狀態指示燈點亮，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，不僅大大降低該產品的使用、維護和升級改造的費用，還創造良好的經濟效益。
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