Windows下CPCI插拔监控软件的设计与实现

1、引盲

CPCI是1994年由PICMG提出来的一种高性能工业用总线。广泛应用于工业和嵌入式控制系统中。它在电气，逻辑和软件功能方面与PCI完全兼容。对热插拔的支持是CPCI一个显著的特点，即当系统正在运行的时候进行电路板的插入或拔出而不会导致系统硬件设备的损坏，也不会造成运行中的软件系统的混乱与崩溃。这满足了对系统可靠性、稳定性、容错性要求较高的行业如电信与数据通讯等的对设备的热插拔要求，减少甚至避免停机时间。热插拔的实现需要相关硬件与软件的支持，本文主要介绍热插拔软件的设计与实现。

2、热插拔的原理，

CPCI的热插拔过程就是软硬件交互的连接过程。包括物理连接、硬件连接、软件连接。

物理连接就是CPCI板卡按照机械标准，使长，中，短针依次与总线连接的过程，硬件连接是电器层的连接，即各种电信号的连接过程。在电器连接层中，与PCI区别的是CPCI增加一个ENUM#信号，即系统枚举信号。当一个CPCI设备卡入或拔出时，ENUM#被激活，热插拔软件通过该信号，判断热插拔活动。软件连接过程是软件层同系统的连接或断离过程。对于板卡的插入，这一过程包括分配系统资源，如I／O空间、内存空间、中断线以及PCI总线号等，另外还对板卡的支持软件如驱动等进行加载，使操作系统或其它应用程序可以使用板卡。

根据系统要求的不同，热插拔系统有三种模型：

基本热插拔模型：最基本的热插拔方式需要用户干预。用户通过控制台通知OS(操作系统)即将进行设备卡插入或拔出。

完全热插拔模型：完全热插拔是在基本热插拔模型的基础上，在卡的插入／拔出机构中添加一个微开关装置。这个开关藏在手柄中。当CPCI卡入或拔出时，在卡开始或停止工作之前，微开关首先改变状态，产生ENUM#信号，该信号通过某种途径通知OS将要插入或拔出一个卡，OS再执行总线枚举、安装驱动程序或卸载驱动程序等动作。

高可用性模型：高可用性模型在完全热插拔模型基础上对板卡实行了更高程度的控制，而不仅仅是指示板卡的插入或可拔出的状态。这种模型的软件能够控制板卡的硬件连接，这就使得软件能对对发生故障的板卡立即进行总线或电气上的断离，并启用冗余板卡，满足系统始终处于运行状态、几乎没有故障的高可用性目标。

采用不同的热插拔模式，系统的复杂程度和造价会有很大差别。可根据应用要求的不同来选择适当的模式。本文讨论的是完全热插拔模式下热插拔监控软件的实现。

3、Windows下热插拔监控程序的实现

热插拔技术实现的一个基本前提是要有设备驱动程序和热插拔驱动程序的支持。从下面的热插拔系统架构图中，我们可以看到热插拔驱动程序和设备驱动程序及其它模块在整个系统中的位置及相互关系。

设备驱动程序和热插拔驱动程序位于操作系统下层，它们共同管理板卡设备(通过CPCI,总线)，其中热插拔驱动程序管理设备的热插拔事务，而设备驱动程序则对设备的正常使用进行管理。热插拨监控程序(HSMonitor.EXE)通过对中间层(Hotplug.dll)的调用对以上两者进行管理。驱动程序必须向操作系统提供一个接口，这样热插拔事件发生时操作系统就可以调用此接口通知驱动程序接纳或注销一个设备。另外CPCI的应用系统中往往有多个相同设备共存，这就要求在驱动程序中提供对多设备的支持并满足设备个数变化的要求。

热插拔监控软件采用了分层的设计结构。层次结构如下：

3.1最底层是热插拔驱动程序hotswap，sys，它执行与硬件相关的操作，如响应热插拔过程中ENUM#产生的中断事件、对Hotswap寄存器的操作，包括控制LED指示、清除INS，EXT状态位等，热插拔驱动实现关键是驱动的初始化和中断服务响应函数。驱动初始化过程中要实现ENUM#连接的中断与系统地挂接。在硬件设计上，ENUM#信号连接到系统南桥的io_acpi上，系统E C工程师将中断号、中断优先级、以及触发方式等保存到系统BIOS的RAM区，驱动在初始化时读取并进行中断配置。

热插拔驱动程序初始化代码：

中断服务程序及相关的函数的关键代码：

3.2中间层：hotplug.dll

中间层主要是实现对访问驱动的封装，方便监控软件调用。热插拔驱动采用动态加载、卸载，主要导出如下如下函数，供应用程序调用。

3.3上层；监控应用软件HSMonitor.exe，它是GUI图形界面程序，提供热插报过程

的一些动态信息，同时他还控制应用程序的启动与关闭。在应用层，还完成插人设备时设备驱动的安装；拔除设备时设备驱动程序的卸载工作。

关键的代码是设备驱动的卸载与安装。

安装的代码主要工作是调用PNP设备管理器搜索新设备。当PNP设备管理器发现新设备后，调用设备驱动程序的协同安装程序，完成设备驱动的安装。代码如下：

卸载驱动，当热插拔驱动收到设备拔出请求时，他会将请求发送给热插拔监控软件。当热插监控软件收到通知后，首先控制占用该设备资源的应用程序退出，释放占用的资源。然后通过中间层的(hotplug.d11)

控制驱动程序卸载。主要代码如下：

CPCI的完全热插拨方式对用户操作步骤有限制：用户需要在扳动板卡上的微动开关后等待LED指示灯点亮再继续操作。如果用户不遵循操作规范，可能造成该板的某些状态不稳定，系统死机、蓝屏等。因此要求用户严格规范操作。

这里，只讨论了完垒热插拔的监控软件的实现。对于更复杂的高可用热插拔，由干涉及的信号更多，而且有板间切换、工作状态检测等处理，需要在驱动中增加内容。完全热插拔的大部分思想在实现高可用热插拔时是可以沿用的。

结束语

当前，越来越多的企业将嵌入式系统放进关键任务应用系统中，以提高可扩充性和可靠性，本文所设计的热插拔监控软件已经成功地应用到铁路系统监测设备中，给现场设备的维护带来了极大的方便。