Технология CompactPCI

Реализация "горячей замены" в CompactPCI

Технология систем, реализующих режим замены модулей ввода/вывода без выключения питания, особенно актуальна для телекоммуникационных применений и комплексов компьютерной телефонии. Режим "горячей замены" (hot-swap), кроме решения очевидной проблемы замены неисправных модулей, позволяет также осуществить on-line модернизацию системы, включить дополнительные телекоммуникационные каналы, не останавливая при этом предоставление услуг передачи информации по уже работающим каналам. Особую важность реализация hot-swap режима приобретает при создании крупных узлов или шлюзов, где каждый телекоммуникационный модуль обслуживает десятки, а иногда и сотни клиентов. (Например, интерфейсный модуль для 8 каналов Е1, или адаптер для АТМ-телефонии). Режим "горячей замены" специфицирован в рамках открытого стандарта CompactPCI (PICMG 2.1 R1.0 CompactPCI Hot Swap Specification) и имеет несколько вариантов реализации - от базовой (Basic Hot Swap) до наиболее сложной (High Availability), позволяющей достигнуть максимальной степени готовности системы. Термин "99.999" или "пять девяток", применяемый в настоящее время для характеристики степени готовности современных телекоммуникационных систем, означает недоступность системы в течение всего лишь 5 минут в год! Конечно, для достижения таких показателей необходимо использование технологии "горячей замены". Полная спецификация, представляющая терминологию, основные последовательности режимов, описание сигналов и регистров доступны в российском представительстве независимой ассоциации производителей промышленных компьютеров PICMG (информационный сервер - www.compactpci.ru ). Стандарт CompactPCI является в этом смысле единственной магистрально-модульной открытой технологией, в которой специфицированы нечастнофирменные решения, поддерживающие режим "горячей замены".

### Реализация Hot Swap в рамках стандарта CompactPCI

Стандарт CompactPCI базируется на шине PCI, поддерживаемой независимым консорциумом PCI Special Interest Group (PCI SIG www.pcisig.com ). В рамках этого консорциума была разработана технология Hot Plug, которая в настоящее время используется в современных PC совместимых серверах (например, компании Compaq). Технология Hot Plug позволяет заменить модуль ввода/вывода, не выключая систему аппаратно, но с участием оператора для программной деконфигурации/конфигурации заменяемого модуля. Таким образом, технология Hot Plug не предусматривает аппаратно-программных механизмов для "горячей замены" модулей без действий оператора с системной консоли. Технология Hot Swap является развитием режима Hot Plug и позволяет реализовать замену модулей ввода/вывода без вмешательства с консоли. Стандартом предусмотрено 3 варианта реализации "горячей замены" - Basic Hot Swap - базовый, Full Hot Swap - полный и High Availability - системы высокой степени готовности. При наиболее сложной High-Availability-реализации система должна содержать специальный модуль - Hot Swap Controller, функции которого обычно выполняет одноплатный компьютер.

Стандарт CompactPCI предусматривает следующие основные аппаратные элементы технологии Hot Swap:

Разная длина контактов в системных CompactPCI разъемах. При этом "длинные" контакты применяются для подключения сигналов питания. Основная группа сигналов системной шины подключается контактами "нормальной" длины, а "укороченные" контакты служат для предачи специальных сигналов режима Hot Swap.

Специальные системные сигналы BD_SEL# и ENUM# служат для реализации режима взаимодействия включаемой/выключаемой платы и системного программного обеспечения, реализующего Hot Swap сервис.

Элементы передней панели - микропереключатель и светодиод. Микропереключатель срабатывает при вынимании модуля CompactPCI в процессе выключения этого модуля из системы, светодиод служит для индикации завершения программно-аппаратного процесса деконфигурации модуля.

Спецификация регистра Hot Swap. Стандартом предусматриваются биты контроля/управления для специального системного Hot Swap регистра в пространстве конфигурации PCI - устройств.

Интегральная (кремниевая) реализация Hot Swap. Стандарт CompactPCI предусматривает различные уровни поддержки режима "горячей замены" для производителей интерфейсных PCI компонентов.

Процесс Hot Swap включения/выключения модуля может быть разделен на несколько этапов. Стандартом CompactPCI предусмотрены следующие макро-этапы и последовательности:

Процесс физического подключения определяет установку/удаление CompactPCI модуля в работающую систему и разделен на 2 состояния:

P0 - модуль физически отделен от системы;
P1 - модуль установлен в систему, но не подключен к цепям питания и шине PCI.

Процесс аппаратного подключения представляет последовательность состояний электрического включения/отключения CompactPCI модуля:

H0 - модуль не подключен к шине PCI (это состояние эквивалентно P1);
H1 - модуль подключен по цепям питания и инициализирован для подключения к шине PCI;
H2 - модуль полностью электрически подключен и доступен для обменов в конфигурационном пространстве шины PCI.

Процесс программного подключения определяет фазы работы программного обеспечения в течение процедуры Hot-Swap:

S0 - модуль программно не подключен, регистры конфигурационного пространства доступны, но не инициализированы (это состояние эквивалентно H2);
S1 - модуль программно инициализирован, сконфигурированы регистры PCI пространства, прерывания;
S2 - загружено системное программное обеспечение - драйверы и пр., модуль готов к работе под управлением операционной системы;
S3 - с модулем работают операционная система и приложения.

В процессе включения/выключения модуля последовательно выполняются все состояния от P0 до S3.

Поддержка режима "горячей замены" в рамках стандарта CompactPCI предусматривает реализацию модулей, платформ и систем. Под платформой подразумевается комплект из объединительной магистрали и шасси. Конечно, в рамках стандарта возможна реализация модулей и систем, которые не поддерживают режим Hot Swap. В таблице 6 приведены типы реализуемых в рамках стандарта CompactPCI систем Hot Swap. Указанный в таблице термин автоматического подключения означает выполнение вышеописанных последовательностей реализации процесса "горячей замены".

Таблица 6. Типы Hot Swap систем в стандарте CompactPCI.
Тип системы | Аппаратное подключение | Программное подключение
--- | --- | ---
Basic Hot Swap | Автоматическое | Под управлением оператора
Full Hot Swap | Автоматическое | Автоматическое
High Availability | Автоматическое, под программным контролем | Автоматическое

Наиболее сложным вариантом применения технологии Hot Swap в рамках стандарта CompactPCI являются системы повышенной степени готовности (High Availability Systems). Известны так называемые отказоустойчивые системы (Fault Tolerant), в которых повышение уровня надежности достигается в общем случае за счет дублирования всех или почти всех компонентов и модулей. Такой подход обеспечивает высокий уровень надежности при существенном увеличении стоимости системы. При этом Fault Tolerant системы часто оказываются недоступными по ценовым характеристикам для широкого применения в телекоммуникационных применениях и на рынке промышленных компьютеров. Технология построения High Availability систем позволяет уменьшить стоимость отказоустойчивой системы за счет применения принципов "горячей замены". Стратегия построения High Availability систем основана на уменьшении степени дублирования системы и значительном уменьшении времени обслуживания в случае замены неисправных компонентов. При этом следует отметить, что High Availability системы не являются полностью отказоустойчивыми, к ним применим именно термин систем повышенной степени готовности.

В системах High Availability необходимо использование специального модуля-контроллера (Hot Swap Controller), который обеспечивает управление подключением каждого из модулей ввода/вывода. Функционально такой контроллер может быть интегрирован в одноплатный системный компьютер или исполнен в виде отдельного блока. Набор системных сигналов, используемых в базовых Hot Swap конфигурациях, расширен. Добавлены специальные линии HEALTHY# и PCI_RST#, которые радиально подключают модули ввода/вывода. Модуль контроллера предполагает управление процессом Hot Swap раздельно для каждого CompactPCI модуля ввода/вывода. Таким образом, главным отличием High Availability систем является расширенный программный контроль над процессом аппаратного подключения с применением специальных добавочных сигналов. Централизованное управление каждым из слотов осуществляется по выделенным линиям контроллером Hot Swap Controller. Все сигналы и последовательности описаны в спецификации PICMG 2.1 R1.0 CompactPCI Hot Swap Specification.

Для систем компьютерной телефонии особенна важна реализация модели High Availability систем. Основными моментами для любой системы, реализующей телефонный сервис, является локализация отказавших модулей и компонентов, а также быстрое восстановление работоспособности системы. При этом "быстрое восстановление" для систем, обслуживающих оплачиваемый телефонный трафик, подразумевает время простоя на уровне секунд или десятков секунд. Именно поэтому в современных телекоммуникационных системах и комплексах компьютерной телефонии появился термин "пять девяток" или степень доступности 99.999%. Как уже упоминалось, такая степень готовности определяет усредненное время недоступности системы на уровне 315 секунд в год. Именно такие характеристики требуются для систем компьютерной телефонии, работающих в режиме обслуживания достаточно большого количества клиентов. В настоящее время многие производители базовых CompactPCI системных комплексов для компьютерной телефонии выпускают конфигурации, поддерживающие как базовые модели режима "горячей замены", так и реализующие полную спецификацию High Availability.

### Программные модели для режима Hot Swap

Системная программная поддержка может быть реализована в виде двух моделей - общего назначения и специального назначения.

Системная поддержка общего назначения позволяет работать любым модулям (поддерживающим Hot Swap спецификацию) с любыми типами пользовательских приложений. Такая поддержка должна быть полностью интегрирована в операционную систему. Реализация таких программных механизмов наиболее предпочтительна с точки зрения пользователей, с другой стороны, такая обобщенная модель сложна в реализации.

Системная поддержка специального назначения поддерживает режим "горячей замены" для предопределенного набора приложений и модулей. Такая модель не предполагает наличие программных механизмов для Hot Swap, уже встроенных в операционную систему. Как правило, системная поддержка реализуется для систем реального времени.

В настоящее время режим "горячей замены" реализован в рамках операционной системы реального времени LynxOS. По данным компаний-разработчиков операционных систем к концу 3 квартала 1999 года режим Hot Swap будет поддержан в таких системах, как VxWorks, QNX, ISI, Linux. Компания Natural Microsystems совместно с Microsoft проводит бета-тестирование программной поддержки Hot Swap для системы Windows2000 с использованием драйверов и сервисного программного обеспечения для CompactPCI телекоммуникационного интерфейса 4 каналов Е1.

Одним из важных компонентов программного обеспечения являются драйверы Hot Swap модулей. Основные требования к такому драйверу аналогичны требованиям к Hot Plug драйверам - возможность запустить и остановить драйвер в работающей системе, повторение инициализации. Как правило, драйверы обеспечивают поддержку Basic и Full Hot Swap.

Для более быстрого развития программных средств, поддерживающих Hot Swap и High Availability системы, рядом компаний выдвинута инициатива OpenTelecom (www.opentelecom.org). В рамках этой инициативы предполагается открытие исходных текстов системного программного обеспечения для компонентов Hot Swap.

### Примеры модулей и систем

По данным консорциума PICMG на июль номенклатура CompactPCI модулей для телекоммуникационных применений и систем компьютерной телефонии составляет 82 наименования. Большинство из них (64) поддерживает реализацию режима "горячей замены". Поддержка Hot Swap, оговоренная в спецификациях на каждый модуль, означает возможность реализации механизмов "горячей замены", т.е. на модуле имеются все необходимые аппаратные компоненты: микропереключатель и светодиод на передней панели, контакты разной длины в разъеме, интегральная поддержка специальных интерфейсных сигналов. Таким образом, CompactPCI модули удовлетворяют спецификациям PICMG на Hot Swap. При этом реальное применение модулей в режиме Hot Swap, конечно, требует специальной системной поддержки, основные компоненты которой были описаны выше. Такая системная поддержка зависит от операционной системы, под управлением которой предполагается построение комплексов компьютерной телефонии.

В таблице 7 приведена краткая информация по основным компаниям, которые производят CompactPCI модули для систем компьютерной телефонии с поддержкой режима Hot Swap. Более полную информацию и модулях и компаниях можно получить на сайте независимой ассоциации PICMG (www.picmg.org).

Таблица 7. Основные компании - производители CompactPCI телекоммуникационных модулей и интерфейсов для компьютерной телефонии.
Компания | WWW | Модули
--- | --- | ---
Analogic | www.analogic.com | 4 канала Е1, шина H.110
AudioCodes | www.audiocodes.com | 4 канала Е1, аппаратная реализация аудио кодеров G.723.1 G.729A, шина H.110
Blue Wave Systems | www.bluews.com | DSP 6400 MIPS, шина H.110
Dialogic | www.dialogic.com | 4 канала Е1, шина H.110, поддержка архитектуры DM3
Embedded Telephony Solutions | www.etsolution.com | 4 / 8 каналов Е1, шина H.110
InnoMediaLogic | www.iml-cti.com | ATM-TDM , шина H.110
Motorola Computer Group | www.mcg.mot.com | Одноплатные компьютеры, системы High Availability
Natural MicroSystems | www.nmss.com | 4 канала E1, программная поддержка Hot Swap под WindowsNT
Performance Technologies | www.pt.com | 4 канала Е1 , шина H.110
Telesoft | www.telesoft-design.co.uk | 8 каналов Е1, шина H.110, поддержка SS7
VoiceBoard | www.voiceboard.com | 4/8 каналов E1, шина H.110, поддержка SS7
Znyx | www.znyx.com | 4/8 каналов FastEthernet

Следует подчеркнуть, что возможности создания современных систем компьютерной телефонии с использованием CompactPCI спецификации Hot-Swap наиболее адекватны современным требованиям рынка по надежности, масштабируемости, доступности систем. Открытость спецификаций стандарта CompactPCI позволяет использовать при создании систем аппаратуру различных компаний с уверенностью в совместимости технических средств. Анализ рынка и доступные на сегодняшний день технологии позволяют сделать вывод, что современные системы компьютерной телефонии должны использовать принципы hot-swap для обеспечения требуемого уровня надежности.

НАЗАД СОДЕРЖАНИЕ ВПЕРЕД