1、CompactPCI總線核心技術

    1997年8月，PICMG發(fā)布了*個CompactPCI技術標準PICMG 2.0 Rev. 1.0，CompactPCI Specification。1997年9月發(fā)布了PICMG 2.0 Rev. 2.1。1999年10月發(fā)布了PICMG 2.0 Revision 3.0。PICMG 2.0 R3.0是CompactPCI總線的核心標準，也是CompactPCI技術的精髓。它由三項技術綜合而成：

    ·PCI局部總線的電氣特性（PCI Local Bus Specification, PCISIG）。

    ·工業(yè)級歐洲卡封裝結構和規(guī)格（IEC 60297-3 and –4, Eurocard Specification; IEEE 1101.11, IEEE Standard for Additional Mechanical Specifications for Microcomputers Using IEEE 1101.1 Equipment Practice）。

    ·IEC 2mm高密度針孔連接器（IEC-61076-4-101, Specification for 2mm Connector Systems）。

    PICMG 2.0 Revision 3.0規(guī)定了背板上各插槽之間，系統(tǒng)槽與背板，I/O模板與背板之間嚴格的互連關系；定義了背板、模板和前后面板的結構和尺寸；定義P1支持32位PCI操作，P1和P2支持64位PCI操作，P3、P4和P5留給用戶使用或作為總線擴展用。規(guī)范還為33MHz和66MHz工作頻率的Clock信號分布，定義了嚴格的設計規(guī)則。規(guī)范還定義了系統(tǒng)管理總線，并為背板上每個插槽定義了*對應的物理地址。CompactPCI系統(tǒng)由金屬外殼和前、后面板組成的整體導電以及ESD電路設計，使得CompactPCI具有電磁輻射屏蔽和靜電釋放能力，表現(xiàn)出良好的電磁兼容性。

2、CompactPCI總線熱插拔技術

    可維護性是嵌入式計算機非常重要的特性。此外，面向特定應用的系統(tǒng)（如電信設備、電力保護設備、車載控制系統(tǒng)和軍事系統(tǒng)等）還需要熱插拔（Hot Swapping）功能和容錯（Fault Tolerance）設計。

    CompactPCI（以下簡稱CPCI）技術規(guī)范使得流行的PCI總線兼容架構可以用歐洲卡規(guī)格實現(xiàn)。這種模塊化的CPCI模板可以靈活組合成適合各種不同工業(yè)現(xiàn)場應用的系統(tǒng)。為了提高CPCI系統(tǒng)的可維護性，需要在CPCI產(chǎn)品上增加熱插拔功能，使得CPCI模板可以在不需要關斷電源情況下，插入或拔出正在運行的系統(tǒng)，而不影響或破壞系統(tǒng)的正常工作，從而為高可用性（High Availability）設計奠定基礎。為此PICMG成立了熱插拔工作組，并于1998年8月發(fā)布了熱插拔標準PICMG 2.1 R1.0, CompactPCI Hot Swap Specification。隨后于2001年1月推出了修訂版本PICMG 2.1 R2.0。2002年5月發(fā)布了熱插拔基礎軟件規(guī)范PICMG 2.12 R2.0，Hot Swap Infrastructure Interface Specification。

    PICMG 2.1 R2.0標準定義了三種不同的熱插拔模型：

    ·基本熱插拔模型?；灸Ｐ鸵苍试S在系統(tǒng)運行過程中拔出或插入CPCI模板，但必須由訓練有素的操作員通過人機接口向操作系統(tǒng)發(fā)出控制命令才能實現(xiàn)，軟件連接不能自動進行。

    ·*熱插拔模型。*模式下的軟件連接是自動完成的，不需要人的干預。*熱插拔模型應該是經(jīng)濟型工業(yè)計算機主要發(fā)展的目標。

    ·高可用性模型。高可用性要求系統(tǒng)始終處于運行狀態(tài)，幾乎*。

    為了控制拔出或插入模板的電氣和軟件連接過程，CPCI的連接器插針采用長、中、短三層結構。長針為模板提供預充電電源，中針連接工作電源和CPCI信號，短針為BD_SEL#和IDSEL#信號，用于啟動板上電源控制并通知該系統(tǒng)模板所處的狀態(tài)。標準規(guī)定CPCI 熱插拔控制電路要設計在模板上，而不是在無源背板上，以縮短更換故障部件的時間。這導致了相同功能的CPCI模板將以兩種形式存在，一種是普通模板，一種是支持熱插拔的模板。實踐證明，CPCI熱插拔設計75%的工作量是軟件設計，而硬件設計只占25%。

    為了支持Hot Swap, PICMG 2.1 R2.0定義了三種獨立于硬件的硬件抽象層接口：Hot Swap System Driver、Hot Swap Service和High Availability Service，但對程序具體如何編制并沒有明確規(guī)定。值得注意的是，2003年初在美國拉斯維加斯舉行的摩托羅拉計算機事業(yè)部（MCG）年會上，很多軟件操作系統(tǒng)公司都展示了支持CPCI熱插拔標準的產(chǎn)品，如Lynx的LynxOS、Microware的OS-9、Enea的OSE、Wind River的VxWorks、Integrated Systems的pSOS等。當然，zui引人注目的要數(shù)GoAhead的SelfReliant和 Jungo的Go-HotSwap軟件，因為它們是獨立于操作系統(tǒng)的。雖然如此，由于缺少Windows通用操作系統(tǒng)的支持，在一定程度上延緩了CPCI熱插拔技術的推廣速度。隨著微軟支持“熱插拔”的嵌入式Windows XP操作系統(tǒng)的推出，相信解決這個問題的日子不遠了。

3、CompactPCI總線的冗余設計、故障切換和故障管理

    高可用性技術的目標就是通過硬件和軟件設計，使系統(tǒng)的宕機時間（Downtime）為zui小。今天，大多數(shù)電信設備供應商都將高可用性作為一個主要的技術指標。電信設備要求系統(tǒng)每年的連續(xù)運行時間為99.999%，即每年宕機時間不超過5分15秒鐘。根據(jù)可用性的計算公式 Availability = MTBF / ( MTBF + MTTR )，給出下表。

系統(tǒng)可用性示意表

    從技術的角度來看，PICMG發(fā)布的熱插拔規(guī)范只是“預警”機制，也就是當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過一種方式通知操作員按照規(guī)定的程序，在不關機的條件下更換故障模板，使系統(tǒng)繼續(xù)運行。當然，在一定時間內(nèi)，故障模板上的功能是不能工作的。但高可用性系統(tǒng)必須具有故障自動檢測、診斷和排除故障能力，保證系統(tǒng)所有功能都正常連續(xù)運行。這就需要冗余設計（Redundancy）、自動故障切換（Failover）以及進行故障管理（Fault Management）。

    冗余設計的目的是為了消除單點故障（Single Point of Failure）。單點故障是指“由于系統(tǒng)中一個部件出現(xiàn)故障而將導致整個系統(tǒng)大部分失效或*失效的故障”。這是高可用性系統(tǒng)所不允許的。冗余設計分為系統(tǒng)槽冗余、I/O冗余和整機冗余。

    系統(tǒng)槽冗余（Redundancy of System Slot, RSS），也稱為CPU板冗余。在傳統(tǒng)CPCI系統(tǒng)中，CPU板冗余主要有兩種方式，即主/主方式（Active/Active）和主/備方式（Active/Standby）。在主/主方式中，將系統(tǒng)分成2個獨立的段（Segment），每段一般6個插槽。每個CPU板管理一個段，兩個CPU同時工作。當一個CPU板出現(xiàn)故障時，這個CPU板被隔離，由另一個CPU接管控制權來同時管理2個段，維持系統(tǒng)的正常運轉。在主/備方式（Active/Standby）中，在某一時間段，系統(tǒng)只有一個CPU工作。當一個CPU出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)馬上切換到備份CPU板，由備份CPU板接管系統(tǒng)的控制權，故障CPU板被迅速隔離。備份CPU板是處于“熱備份”狀態(tài)，還是處于“冷備份”狀態(tài)，需視具體情況而定。當然，冗余設計和多主系統(tǒng)設計是不能等同起來的，多主系統(tǒng)可以實現(xiàn)負載均衡，但CPCI的冗余設計一般還不能。在CPCI系統(tǒng)中，CPU板與段之間的連接和故障切換需要通過PCI-to-PCI橋或Switched PCI Fabric實現(xiàn)。

    I/O冗余（Peripheral Redundancy）。I/O模板的熱插拔功能可以縮短系統(tǒng)的MTTR，但卻不能防止系統(tǒng)出現(xiàn)宕機。為此，需要設計I/O冗余。I/O冗余一般采用主/備機制，當主工作不正常時，在沒有人干預的情況下，自動切換到備份，由備份I/O板作為主I/O板，接替原主I/O板的工作。然后通知系統(tǒng)維護人員，更換故障I/O，將系統(tǒng)恢復到冗余狀態(tài)。

    故障管理。為了將系統(tǒng)的宕機時間降到zui短，系統(tǒng)還必須有完善的故障管理機制。故障管理一般分為5個階段或過程：

    ·故障檢測（Detection）；

    ·故障診斷與定位（Diagnosis & Location）；

    ·故障隔離（Isolation）；

    ·故障切換（Failover）；

    ·故障排除（Repair or Replacing）。

    當然，系統(tǒng)的高可用性硬件設計也只能保證硬件系統(tǒng)連續(xù)工作，但不能保證系統(tǒng)連續(xù)可用，還需要高可用性系統(tǒng)管理軟件的支持。高可用性系統(tǒng)管理軟件一般分三個層次：底層硬件驅動程序，由硬件供應商提供；中間層是軟件中間件（middleware），對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行檢測、實現(xiàn)硬件資源管理與切換，一般由第三方提供；zui上層是系統(tǒng)應用管理軟件，對整個系統(tǒng)進行管理，保證信息的正常流通和信息的完整性，一般由系統(tǒng)設備制造商針對特定應用自行研制。

    需要指出的是，多處理器技術（Multi-Processors, MPS）也是冗余設計中經(jīng)常采用的技術之一，一般分為對稱多處理器（Symmetric Multi-Processor, SMP）系統(tǒng)以及非對稱多處理器（Asymmetric Multi-Processor, AMP）系統(tǒng)兩種。冗余設計也可以采用系統(tǒng)級冗余設計，如雙機冗余和三模冗余（Triple Modular Redundancy, TMR）等。

4、CompactPCI總線的電源冗余和風扇冗余

    為了給CPCI系統(tǒng)提供一種可靠的、方便維護的供電方式，1999年，CompactPCI協(xié)會發(fā)布了電源接口標準PICMG 2.11 R1.0 CompactPCI Power Interface Specification。R1.0為CPCI系統(tǒng)定義了可拔插的、模塊化的電源電氣和機械接口，以及對CPCI平臺系統(tǒng)和電源管理zui少的接口要求，為CPCI熱插拔和HA系統(tǒng)提供1+1冗余、N+1冗余和N+N冗余電源設計提供了標準依據(jù)。冗余電源的設計的核心是均流（Current Sharing）或負載均衡（Load Balancing）設計、故障切換和熱插拔。

    為了給CPCI系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的制冷能力，高可用性CPCI系統(tǒng)要求風扇冗余設計。風扇冗余一般采用N+M方式（如N=2，M=4）和Active/Active機制工作，并可以熱插拔更換。任何一組都要有為系統(tǒng)提供足夠制冷的能力。

5、CompactPCI完善的系統(tǒng)管理架構

    2000年2月，PICMG發(fā)布了具有重要意義的系統(tǒng)管理標準PICMG 2.9 R1.0，CompactPCI System Management Specification。標準為CPCI系統(tǒng)定義了基于IPMI接口規(guī)范的IPMB總線及其管理總線網(wǎng)絡?；閭浞莸膬蓚€的系統(tǒng)管理控制器模板（獨立于主CPU），實時采集和查詢系統(tǒng)所有部件的事件日志（Event Log），向系統(tǒng)管理員報告引起系統(tǒng)服務中斷的異常事件，以便及時采取預防措施，防止系統(tǒng)崩潰。系統(tǒng)所有部件（包括CPU模板、I/O模板、包交換模板、無源背板、故障切換電路、機箱、電源、冗余磁盤陣列、風扇、網(wǎng)絡以及環(huán)境條件等）的監(jiān)視和管理都統(tǒng)一由管理軟件和系統(tǒng)管理控制器通過IPMI接口和IPMB網(wǎng)絡實現(xiàn)。

6、脫穎而出的CompactPCI交換式以太網(wǎng)背板技術

    CPCI總線zui初只是單一的總線標準。但當1997年PICMG將H.110 ephony Bus增加到CPCI背板上時，激發(fā)了人們的創(chuàng)新靈感，去探索“將行業(yè)專業(yè)總線移植到CPCI背板上，使單一的PCI數(shù)據(jù)傳輸總線演變成控制總線”的可能。事實上，這一方面反映了“主流電信設備供應商希望用CPCI架構滿足一些應用的要求”，另一方面也說明人們已經(jīng)開始尋求打破CPCI總線插槽數(shù)量限制和高速數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的手段。為此，PICMG協(xié)會成立了由Performance Technologies牽頭、50多家公司參加的PICMG 2.16工作組，目標就是將交換式以太網(wǎng)機制（Switched Ethernet Fabric）增加到CPCI架構中。經(jīng)過幾年卓有成效的工作，PICMG于2001年9月發(fā)布了以太網(wǎng)包交換背板標準PICMG 2.16, CompactPCI Packet Switching Backplane Specification。

    PICMG 2.16的發(fā)布說明了什么問題？首先，它代表了人們追求不斷提升信息交流速度的愿望，打破了并行總線對傳輸速度的物理限制。其次，它也預示著CPCI架構的板級互連方式從一點對多點的并行總線步入到了點對點的串行總線互連時代。第三，它也表明人們在尋求提升系統(tǒng)性能的途徑時，傾向和選擇已經(jīng)成熟的交換機制（Switched Fabric）技術，如Switched Ethernet、Switched Starfabric以及Switched Infiniband技術等，而且有些已經(jīng)形成了產(chǎn)品。因為冗余設計簡單、故障容易隔離、更換方便，因此基于交換機制的架構更適合設計高可用性系統(tǒng)。

    PICMG 2.16主要是面向電信應用而設計的。PICMG 2.16使用雙冗余的星型網(wǎng)絡結構，通過以太網(wǎng)交換板實現(xiàn)了節(jié)點間的點到點互連，消除了單點故障，可以提供大約40倍PCI總線的傳輸性能以及高度的可靠性和靈活性?；赑ICMG 2.16可以構成刀片式服務器集群，電信設備商或服務商可以用來研制下一帶網(wǎng)絡系統(tǒng)（NGN）產(chǎn)品，如 2.5G和3G無線設備、VoIP媒體網(wǎng)關、軟交換（SoftSwitch）設備、信令網(wǎng)關、IP DSLAM、語音/視頻/數(shù)據(jù)服務器以及呼叫中心服務器等。所有這些設備都需要高可用性、高密度、高可靠性和高數(shù)據(jù)吞吐量，這正是PICMG 2.16所具備的特征。