CPCI总线在某数据处理机中的应用
摘 要：该数据处理机系统底板总线采用CPCI总线，并通过PCI-to-PCI桥进行总线扩展，为了解决PCI透明桥和非透明桥在该系统使用中存在的配置、通信及切换问题，本文从软件方面论述了透明桥和非透明桥机制，CPCI总线主控设备透明桥的配置过程，CPCI总线从设备非透明桥的配置过程，设备间基于CPCI总线的通信方法，互为备份设备间的故障监控，CPCI总线主控设备的故障切换方法以及CPCI总线从设备的故障切换方法。该方案简单易行，已在该数据处理机中实施，对以后的其他系统设计具有一定的参考价值。
关键词：PCI总线；CPCI总线；PCI-to-PCI透明桥；PCI-to-PCI非透明桥
中图分类号：TP334.7
CPCI的全程称为CompactPCI，中文又称紧凑型PCI，是国际PICMG协会于1994年提出来的一种总线接口标准。它是以PCI电器规范为标准的高性能工业用总线。
为了解决PCI总线在总线负载能力方面的先天不足，PCISIG（PCI Special Interest Group）发布了PCI-to-PCI桥规范，将PCI总线以层次化的系统结构进行扩展，从而使PCI总线系统扩展为具有多条PCI总线、可连接更多PCI设备的系统。根据从PCI接口和主PCI接口之间的设备是否可见，可以将PCI-to-PCI桥分为透明桥（Transparent bridge）和（Non-transparent bridge）。
透明桥（Transparent）：如图1所示。透明桥通常用于扩展总线，从PCI总线上的所有设备对主PCI总线一侧的处理器都是透明的，从PCI总线上的所有设备只能由主PCI总线一侧的处理器对其进行配置和控制。主PCI总线和从PCI总线的地址空间完全透明，主PCI总线和从PCI总线之间的地址传递是直接传输，不用进行地址转换。通过PCI透明桥隔离PCI总线，能够扩展PCI总线负载数量，匹配不同的工作频率、总线宽度和电压；
图1 PCI-PCI透明桥
非透明桥（Non-transparent）：如图2所示。通常用于嵌入式智能子系统。它连接两个独立的处理器，从PCI总线一侧的资源和地址对主PCI总线一侧的处理器是不可见的，允许从PCI总线一侧的处理器独立地配置和控制其子系统，主PCI总线和从PCI总线的地址完全独立，时钟也相互隔离，主PCI总线和从PCI总线的地址由非透明桥来进行转换。
图2 PCI-PCI非透明桥
该数据处理机通过专门设计的CPCI机箱底板使其中搭载的通用处理模块具有主从自适应能力，该设计在具有多个CPCI外设的嵌入式平台中具有很大的优越性。针对这种硬件设计，专门设计了具有主从自动切换的驱动软件。
1 系统结构
该数据处理机的组成情况如下：
（1）两个中央处理模块（CPM1、CPM2）；
（2）两个实时控制模块（RCM1、RCM2）。
这些模块通过CPCI底板总线连接数据处理机。每种类型的两个模块互为热备份，两个中央处理模块中有一个为CPCI总线的主控模块，并且可以互相切换。系统中各模块在CPCI总线上的连接图如图3所示。
图3 数据处理机系统结构
缺省状态下，CPM2、RCM2、GPM2作为备份模块工作，CPM1是CPCI总线的主控模块；当CPM1发生故障后，由软件将CPM1从CPCI总线隔离，并将CPM2设置为CPCI总线的主控模块，由CPM2接替CPM1继续工作。
数据处理机各模块之间通过CPCI总线进行通信。模块间的通信通过PCI6466非透明桥的共享内存方式实现，通过配置PCI6466非透明桥，映射CPCI总线主控模块的某一段内存空间到其他的所有从模块的PCI空间上，使所有的模块都可以通过该内存空间来交换数据。
2 管理软件的设计
该数据处理机的管理软件主要完成CPCI总线的初始化、各模块数据通信、故障监控及主控模块。
2.1 CPCI总线初始化
CPCI总线的初始化包括PCI6466透明桥及非透明桥的枚举及其总线配置。
2.1.1 透明桥及非透明桥的枚举
数据处理机加电后，由各通用处理模块进行PCI6466透明桥及非透明桥的枚举，各通用处理模块应通过枚举可识别到的PCI6466桥如表1所示：
表1 数据处理机PCI6466桥列表
通用处理模块PCI6466桥
CPM1第一PCI总线上的PCI6466透明桥（1个），第二PCI总线上的PCI6466非透明桥（3个）。
CPM2PCI6466非透明桥（1个）。
RCM1PCI6466非透明桥（1个）。
RCM2PCI6466非透明桥（1个）。
PCI6466桥枚举结束后，由各通用处理模块对其总线进行配置。
2.1.2 透明桥的配置
每个PCI-PCI桥与两条PCI局部总线连接，这两个总线称为它的第一总线和第二总线。
（1）向下：当一个请求被启动，并通过一个或者多个PCI-PCI桥向从处理器方向传送，就称此请求为向下传送；
（2）向上：当一个请求被启动，并通过一个或者多个PCI-PCI桥向主处理器方向传送，就称此请求为向上传送；
（3）第一总线：位于PCI-PCI桥上侧的PCI局部总线；
（4）第二总线：位于PCI-PCI桥下侧的PCI局部总线；
（5）下级总线：位于PCI-PCI桥的下侧，编号最高的PCI局部总线。
数据处理机主控模块PCI-PCI桥的结构如图4所示。
图4 主控模块PCI-PCI桥的结构
在数据处理机中，透明桥位于其主控模块中。对于CPCI总线主控模块来说，该系统中具有两条PCI总线，总线0和总线1，总线0是直接驻留在主/PCI桥另一侧的PCI局部总线，总线编号永远为0，总线1是总线0的下级总线，位于PCI-PCI透明桥的下侧。规范规定，每个PCI-PCI桥必须在其配置空间内预定义的位置实现三个总线编号寄存器，这三个总线编号寄存器是：第一总线编号寄存器、第二总线编号寄存器和下级总线编号寄存器。
综合数据处理机中CPCI总线主控模块对PCI6466透明桥的配置过程如下：
（1）配置PCI6466透明桥的总线编号寄存器，分别配置该PCI-PCI透明桥的第一总线编号、第二总线编号和下级总线编号，以便在有PCI总线交易发生时PCI-PCI桥能够确定是否将该交易传送到下级总线；
（2）配置PCI6466透明桥的可预取存储器范围寄存器和基地址寄存器。这两个寄存器定义了第二PCI总线上设备的哪些空间的存储访问请求被传送到第一PCI总线上；
（3）配置PCI6466透明桥的命令寄存器，以便使能总线的存储空间和总线主控功能。
配置完成后，就可以在CPCI主控模块的主PCI桥一侧的CPU发送1类配置命令来配置和控制PCI-PCI透明桥下面的设备，即第二总线上的设备，在数据处理机中，这些设备就是其他通用处理模块中的非透明桥。
2.1.3 非透明桥的配置
在数据处理机中，配置非透明桥的目的是各通用处理模块之间的数据共享。主控模块通过PCI-PCI透明桥共享自己的一块RAM空间，其他所有的通用处理模块都映射自己的某一IO存储空间到主控模块的RAM空间，即可实现主控模块和其他通用处理模块彼此之间通过该RAM空间的数据共享。
PCI6466透明桥的在数据流的方向上分为上行和下行，即向上数据流和向下数据流。在该数据处理机中，从模块需要通过PCI6466非透明桥访问主控模块为其共享的RAM空间，因此数据流为向下数据流，所以我们在配置PCI6466的寄存器时仅需配置下行相关寄存器即可。
非透明桥的配置需要桥两侧的处理器共同完成，即非透明桥的从端由主控模块来完成配置，非透明桥的主端由其他通用处理模块来完成配置。下面分别说明非透明桥的从端和主端的配置过程。
非透明桥从端配置：
由于PCI6466非透明桥在主控模块的总线1上，因此主控模块CPU要完成非透明桥从端的配置需要通过发送1类配置来实现。PCI规范中定义的1类配置访问的配置地址的访问格式如图5所示。
图5 PCI 1类配置访问的格式
其中AD[1：：0]=01表示该配置为1类配置，用于将一个配置请求传递到另一条PCI局部总线上，AD[23：：16]表示这个1类配置访问需要传递到哪条PCI总线上，对于CPCI主控模块来说，第二总线的总线编号为1，因此在主控模块CPU在配置每个从模块的非透明桥时，发出的配置周期的配置地址中，AD[23：：16]=00000001。
主控模块配置PCI6466非透明桥时需要配置的寄存器有：下行数据映射后基址寄存器、下行数据映射窗口大小寄存器和命令寄存器。其中下行数据映射后基址寄存器和下行数据映射窗口大小寄存器共同定义了主控模块给各个从模块共享的RAM空间基址和大小。在本系统中定义主控模块的从0xF000000地址开始的8Mbytes空间共享给从模块访问因此下行数据映射窗口基址寄存器配置为共享RAM区的起始地址0xF000000。
非透明桥主端配置：
对于CPCI总线的从模块来说，PCI6466非透明桥位于其第一PCI总线上，因此可直接通过主PCI桥对其进行配置。从模块需要配置的寄存器有：下行数据访问基址寄存器和命令寄存器，其中下行数据访问基址寄存器配置了从模块用于访问主控模块为其共享的RAM空间的IO地址空间。
至此，非透明桥已配置完成，非透明桥的主端和从端均可读写主端共享的RAM空间，以达到数据交换的目的。
2.2 模块间通信
模块间通信通过CPCI总线的共享存储空间完成。系统管理软件主要负责空间的配置、通信通道的配置、数据的读写控制及备份模块的通信控制。
系统管理软件根据用户的通信通道配置在共享存储空间中为每一个通用处理模块分配通信通道所使用的共享存储空间，保证各通信通道所占用的存储空间互相隔离。
系统管理软件设计了对共享存储空间的互斥机制，保证通信的收发双方对共享存储空间读写操作的互斥性。
系统管理软件还负责互为备份的两个模块的通信控制，为每个通用处理模块设置工作状态标志，处理故障或者备份状态的通用处理模块则不允许其进行通信操作。
2.3 故障监控
在整个处理机运行过程中，系统管理软件将实时监控各通用处理模块的运行状态，监控手段包括周期自检测结果、心跳消息等，并根据监控结果对发生故障的模块实时故障隔离，对备份模块实施切换。
2.4 系统的备份切换
系统的备份切换是综合数据处理机系统管理软件的主要功能，能够基于故障监控结果及时发现发生故障的模块并进行故障的隔离和系统切换，系统的备份切换按照切换方法的不同分为主控模块的切换和非主控模块的切换。
2.4.1 主控模块的自动切换
主控模块的自动切换包括故障模块的总线隔离及备份模块的总线初始化。
CPCI主控模块发生故障时，需要进行两个CPM模块之间的切换，CPM1被从总线隔离，CPM2被设置为CPCI总线的主控模块。
由于CPM2之前作为CPCI总线的从模块运行，因此，在被设置为主控模块后，CPM2需要通过一系列的切换操作以便恢复整个系统的运行，在主控模块切换过程中，数据处理机各通用处理模块的数据交换是禁止的。
新的主控模块需要完成的切换操作包括：
（1）将本模块的PCI6466设置为透明模式；
（2）对本模块PCI6466透明桥进行配置；
（3）对其他CPCI从模块的非透明桥进行配置。
主控模块切换完成后，将以事件形式通知其他通用处理模块。
2.4.2 非主控模块的自动切换
非主控模块的切换在非主控模块发生故障时进行，此时，系统管理软件根据故障监控状态将不允许发生故障的模块输出，并将输出切换至备份模块。
3 结束语
PCI-PCI桥是嵌入式系统中常用的一种总线扩展方法，PLX公司的PCI6466是一种可以工作在透明模式和非透明模式的PCI-PCI桥，本文主要论述了某综合数据处理机中的PCI-PCI透明桥和非透明桥的配置和切换方法，并通过PCI-PCI桥实现了系统各模块间的通信以及热备份，该方案简单易行，对以后的系统设计具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]PCI Local Bus Specification 2.3[S].Portland.PCI Special Interest Group，2001.
[2]王乐，马春江，冯晓东.PCI-to-PCI非透明桥的设计和应用[J].微电子学与计算机，2007（07）：160-163.
[3]张玲，李鹏.一种具有主从自适应功能的CPCI通用处理模块设计[J].现代电子技术，2012（20）：19-24.
[4]PLX Technology.Inc.PCI6466 Data Book[EB].PLX Technology.Inc，1999.http：//.
[5]韩振国，梁小虎.基于CPCI总线的具有热切换能力的数据处理模块的设计与实现[J].航空计算技术，2010（04）：116-117.
[6]周先谱，童朝南.一种基于C-PCI总线的HMCS地址映射机制研究[J].计算机工程与应用，2008（10）：71-74.
作者简介：陈晓磊（1981-），男，陕西西安人，工程师，学士学位，主要研究方向：机载嵌入式操作系统。
作者单位：中国航空计算技术研究所，西安 710065