CPCI總線在數(shù)字化電臺中的設(shè)計(圖)
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CPCI總線架構(gòu)
CPCI規(guī)范是由PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group，PCI工業(yè)計算機制造商聯(lián)盟）制定的一種新的開放工業(yè)計算機標(biāo)準(zhǔn)，用于工業(yè)和嵌入式應(yīng)用。它定義了更加堅固耐用的PCI版本，在電氣、邏輯和軟件功能等方面，與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。
CPCI全稱Compact PCI，簡單的說就是PCI specification（PCI電氣規(guī)范）加上rugged Eurocard packaging（歐式卡）結(jié)構(gòu)。CPCI模塊以插卡的方式安裝在機箱內(nèi)的支架上，并采用垂直方向通風(fēng)散熱，具有更好的散熱性和抗震動性。這樣，在CPCI系統(tǒng)中就可采用在臺式機中廣泛使用的高性能PCI技術(shù)，降低了新技術(shù)的使用成本，系統(tǒng)的整體性能得以提升。而且，基于PCI技術(shù)的豐富軟件工具，也使得用戶在使用中更加便捷。同時，歐式卡結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高。另外采用IEEE 1101.11后端輸出方式，使得對系統(tǒng)的維護(hù)更加方便快捷，大大縮短了系統(tǒng)的平均維護(hù)時間。
CPCI系統(tǒng)背板和CPCI板卡采用的是標(biāo)準(zhǔn)2mm高密度氣密性針孔連接器，板卡的尺寸分3U（100mm×160mm）和6U（160mm×233mm）兩種，3U的系統(tǒng)只提供32位/64位的PCI系統(tǒng)總線，6U的系統(tǒng)除了提供32位/64位的PCI系統(tǒng)總線外，還有多達(dá)315線的用戶定義輸入/輸出線，非常適用于數(shù)字化短波電臺的模塊化設(shè)計應(yīng)用。CPCI總線具有極高的性能，其主要特點是：
（1）具有地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用的高性能32位或64位的同步總線。總線引腳數(shù)目和部件數(shù)量少（對于總線目標(biāo)設(shè)備只有47根信號線，對于主設(shè)備最多只有49根信號線），降低了成本及布線復(fù)雜度。
（2）CPCI局部總線在33MHz總線時鐘、32位數(shù)據(jù)通路時，可達(dá)到峰值132Mb/s的帶寬；在33MHz總線時鐘，64位數(shù)據(jù)通路時可達(dá)到峰值264Mb/s的帶寬；在66MHz主頻時，對于32位數(shù)據(jù)通路和64位數(shù)據(jù)通路帶寬的峰值，可分別達(dá)到264Mb/s或528Mb/s的帶寬；CPCI總線還有線性突發(fā)傳輸功能，保證了滿載的高速傳輸。
（3）隱蔽的總線仲裁，減小了仲裁開銷。
（4）極小的存取延時，采用總線多主控和異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作。
（5）CPCI提供的數(shù)據(jù)和地址奇偶校驗功能，保證數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性。
（6）CPCI總線與CPU和時鐘頻率無關(guān)，它能支持多個外設(shè)，設(shè)備間通過局部總線可以完成數(shù)據(jù)快速傳遞，從而很好地解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。
（7）對CPCI擴展卡及元件，能夠自動配置，實現(xiàn)設(shè)備的即插即用。
從結(jié)構(gòu)上看，CPCI總線的特點表明它是一種理想的系統(tǒng)交換平臺的載體，能提供高傳輸帶寬，同時能夠保證數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性；能夠支持多外設(shè)，很好地適應(yīng)了系統(tǒng)可擴展性的要求；采用的是PCI總線操作規(guī)程，很好地適應(yīng)了一般的PCI擴展元件，降低了開發(fā)難度；獨特的引腳及外圍電路設(shè)計集連接緊密牢固、抗干擾、易更換、熱插拔等優(yōu)點于一身。背板是CPCI總線架構(gòu)的基礎(chǔ)，它為CPCI總線交換提供物理連接、電路保證。CPCI背板有8個插槽，其中一個為系統(tǒng)板插槽（system slot），其他7個為外設(shè)板插槽（peripheral slot），像這樣一個系統(tǒng)插槽外帶7個外設(shè)插槽的單元稱為一個CPCI段（CPCI segment）。系統(tǒng)插槽提供總線仲裁、時鐘分配和整個CPCI段的重新啟動等功能，系統(tǒng)插槽要通過管理每塊外設(shè)插槽上板卡的IDSEL信號來完成整個系統(tǒng)的初始化；外設(shè)插槽上可以安放簡單的接口板、智能從屬裝置（intelligence slave）或PCI總線控制裝置（PCI master）。
CPCI總線接口設(shè)計
為了提高數(shù)字化短波電臺的數(shù)據(jù)處理能力，可以為其配置ETX嵌入式計算機模塊。雖然ETX嵌入式計算機模塊定義了符合PCI規(guī)范的CPCI總線，但由于如上所述的電氣負(fù)載的原因，對于PCI/CPCI總線而言，如果總線上連接過多的電氣負(fù)載或設(shè)備，總線將不能正常工作。在不擴充總線的情況下，標(biāo)準(zhǔn)PCI總線的驅(qū)動能力是驅(qū)動4個PCI插槽，而CPCI控制器模塊要求驅(qū)動7個儀器模塊。因此，即使采用PCI插卡到CPCI插座的物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換后，嵌入式計算機模塊的PCI總線主橋路仍然不能直接驅(qū)動CPCI總線。所以在設(shè)計數(shù)字化短波電臺的CPCI總線時，需要在ETX嵌入式計算機的CPCI總線和CPCI機箱底板的CPCI總線之間引入了PCI-PCI橋接設(shè)備。
1 橋接芯片的選擇
PCI橋接芯片盡管可以使用FPGA通過硬件編程語言來實現(xiàn)，但由于PCI總線規(guī)范自身的復(fù)雜性，要想在短期內(nèi)做到性能優(yōu)化和操作穩(wěn)定，難度很大。而現(xiàn)在市場上有許多廠家提供了很多成熟的產(chǎn)品，根據(jù)系統(tǒng)集成的特性，我們選擇TI公司的PCI-to-PCI橋接芯片PCI2050。
PCI2050屬于透明PCI-to-PCI橋，提供了兩條PCI總線間的高性能連接，實現(xiàn)一條PCI總線的主設(shè)備和另外一條PCI總線的從設(shè)備間的傳輸，兼容Intel 21150。PCI2050橋符合PCI局部總線規(guī)范2.2，并可用于PCI總線的擴展，提供支持9個設(shè)備的可編程2優(yōu)先級總線仲裁器；一次側(cè)和二次側(cè)都支持33MHz時鐘、32位擴展信號。PCI2050提供CPCI熱插拔能力，可完美解決多功能CPCI卡和單功能CPCI的熱插拔問題。PCI2050橋符合PCI-to-PCI Bridge Specification1.1，符合PCI電源管理規(guī)范1.0/1.1。
2 電源和地的連接
PCI2050使用的核心工作電壓為+3.3V，CPCI標(biāo)準(zhǔn)機箱的底板上通過J1連接器提供滿足要求的+3.3V電壓，在使用時無須DC/DC轉(zhuǎn)換。但根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計規(guī)范，在PCI2050的電源引腳附近需要設(shè)置旁路電容。所以在印制電路板布線時，在PCI2050的所有電源引腳附近需要設(shè)置一個0.1μF的陶瓷電容器作為旁路電容。
PCI2050在兩側(cè)總線方向都支持+5V和+3.3V信號環(huán)境，它們的選擇是通過對P_VCC和S_VCC引腳施加不同的電壓來實現(xiàn)的，詳細(xì)的選擇方式如表1所示。
由于PCI總線為高速總線，為了避免電源和地的干擾，在印制板布線時采取單獨的電源層和地層布線。但因為在設(shè)計過程中使用了+5V和+3.3V兩種電源，所以在同一電源層上又為+5V和+3.3V兩部分分開鋪銅。
3 PCI總線一次側(cè)的連接
數(shù)字化短波電臺的嵌入式計算機模塊提供了符合PCI總線規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)PCI信號接口，這些信號與PCI2050的第一級總線側(cè)的信號定義完全兼容，在設(shè)計時可以將嵌入式計算機的PCI信號輸出直接連接到PCI2050一次側(cè)的相應(yīng)引腳。在初始化配置空間讀寫時，PCI2050作為上一級PCI總線的操作對象，提供了IDSEL引腳進(jìn)行器件選擇，按照PCI2050使用手冊，該引腳可以連接到高24位PCI總線中的任意一根。同時，為了減低地址線的容性負(fù)載，需要在該信號連線上串接一個1kΩ的電阻。
在CPCI總線設(shè)計中，將PCI2050的IDSEL引腳通過1kΩ電阻連接到了AD19引腳。同樣，PCI2050在二級總線側(cè)可以支持9個PCI器件，對于每個二級總線側(cè)的PCI器件的IDSEL引腳，也可以經(jīng)過1kΩ電阻連接到PCI2050的S_AD31-S_AD16引腳中的任意一根。
4 PCI總線二次側(cè)的連接
PCI總線信號經(jīng)過橋接，在PCI2050的二級總線側(cè)提供了標(biāo)準(zhǔn)的次級PCI總線接口信號，它們符合PCI總線規(guī)范的定義，同CPCI底板上的相應(yīng)信號的定義也是相同的。但根據(jù)CPCI規(guī)范和PCI2050手冊的要求，這些信號線需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理后才能與相應(yīng)的CPCI J1、J2連接器的對應(yīng)信號連接。
① 根據(jù)CPCI規(guī)范的要求，為了減小單板上的CPCI總線的信號線分支（stub）對總線的影響，必須對總線信號進(jìn)行串聯(lián)電阻匹配。PCB的布線特征阻抗應(yīng)設(shè)計為65Ω±10%，匹配電阻阻值為10Ω。需要加串聯(lián)匹配電阻的信號包括：AD0～AD31、C/BE0#～C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#以及INTA#、INTB#、INTC#、INTD#。而且，從接插件J1或J2到PCI2050相應(yīng)管腳，總的信號線長度要小于63.5mm（2.5英寸）。其中，從接插件插針到串聯(lián)電阻的PCB連線長度小于15.2mm（0.6英寸）。所以，對上述信號在實際中使用10Ω排阻作為端接終端電阻進(jìn)行串聯(lián)的匹配。
② 在CPCI總線的設(shè)計中，對于GNT#0～GNT#6、REQ#0～REQ#6和二級時鐘輸出SCLKOUT0～SCLKOUT6等引腳根據(jù)CPCI規(guī)范對系統(tǒng)卡的要求，也需要加上相應(yīng)的10Ω端接終端電阻。
③ 根據(jù)規(guī)范要求，對CPCI總線接口來說，對系統(tǒng)卡的一些PCI信號輸出需要進(jìn)行上拉，且上拉電阻必須被放置在端接終端電阻靠近CPCI J1、J2連接器的一側(cè)上?？梢栽谠O(shè)計時對PCI2050的二級總線側(cè)的相應(yīng)信號通過8.2kΩ電阻上拉。需要上拉的電阻包括：FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#、INTA#、INTB#、INTC#、INTD#、GNT#0～GNT#9、REQ#0～REQ#9等。
④ 對于二級時鐘輸出，PCI2050的二次側(cè)有10個時鐘輸出S_CLKOUT[0..9]，這些時鐘輸出可以通過相關(guān)寄存器分別使能。同時，為了保證PCI2050的二級PCI總線時鐘和其他時鐘輸出同步，應(yīng)將S_CLK引腳經(jīng)一個75Ω電阻反饋到S_CLKOUT9引腳，如圖1所示。
圖1 PCI2050的時鐘連接
⑤ PCI2050提供的JTAG邊界掃描接口TDI、TDO、TMS、TCLK、TRST#，這些引腳可以與CPCI規(guī)范定義的J1連接器上的相應(yīng)引腳直接連接。
⑥ 對于二級總線的仲裁，PCI2050提供兩種方式：外部總線仲裁和內(nèi)部總線仲裁。S_CFN#引腳為選擇引腳,當(dāng)S_CFN#引腳為高時，使用外部總線仲裁器。這時，S_REQ#1～S_REQ#8和S_GNT#1～S_GNT#8引腳被置為高阻狀態(tài)，外部仲裁器與PCI2050的連接方式如圖2所示。
圖2 PCI2050與外部仲裁器的連接
在PCI2050的內(nèi)部總線仲裁模式中，S_CFN#引腳為低，PCI2050對外圍卡通過S_REQ#0～S_REQ#8引腳提出的請求進(jìn)行仲裁，然后通過S_GNT#0～S_GNT#8引腳和進(jìn)行響應(yīng)。PCI2050的S_REQ#0～S_REQ#8和S_GNT#0～S_GNT#8引腳分別與CPCI規(guī)范定義的CPCI J1、J2的相應(yīng)引腳經(jīng)過串接端接電阻和上拉后連接。
5 芯片工作模式的選擇
PCI2050可以選擇工作在三種不同的工作模式下：TI CPCI熱插拔模式、TI電源管理模式和與Intel 21150兼容模式。選擇引腳分別為：MS0、MS1，模式選擇定義如表2所示。
TI CPCI熱插拔模式支持CPCI熱插拔，滿足CPCI電源管理接口規(guī)范1.1版本；TI電源管理模式不支持CPCI熱插拔，只滿足CPCI電源管理接口規(guī)范1.1版本；與Intel 21150兼容模式也不支持CPCI熱插拔，且只滿足CPCI電源管理接口規(guī)范1.0版本。根據(jù)CPCI總線應(yīng)用設(shè)計的需要，可以選擇TI CPCI熱插拔工作模式。
當(dāng)PCI2050選擇工作在TI CPCI工作模式下時，為了確保熱插拔邏輯的正常工作，要求必須將PCI2050的HS_SWITCH/GPIO3和HSENUM#引腳上拉。同時，由于沒有使用PCI2050的關(guān)于GPIO的引腳，且因為這些引腳在缺省條件下定義為輸入腳，為了避免誤觸發(fā)，應(yīng)該將這些引腳全部上拉。
6 芯片內(nèi)部寄存器設(shè)置
PCI2050橋接芯片作為一個獨立功能的PCI器件，具有和所有PCI設(shè)備一樣的配置空間，并且作為PCI橋，它遵守PCI-to-PCI橋規(guī)范1.1所定義的PCI配置空間。PCI2050除了具有標(biāo)準(zhǔn)的PCI-to-PCI橋規(guī)范定義的配置空間外，還具有TI特有的寄存器組（40h-FFh）。這些寄存器組包含PCI2050某些特有功能的控制位，在PCI2050的應(yīng)用中起特殊控制作用。但在本設(shè)計中，根據(jù)系統(tǒng)實際應(yīng)用需求，對PCI2050的內(nèi)部寄存器不需要進(jìn)行特別操作，可以使用其缺省值。
結(jié)論
基于PCI2050橋接芯片的CPCI總線設(shè)計在數(shù)字化短波電臺中的應(yīng)用比較穩(wěn)定可靠，為數(shù)字化短波電臺提供了豐富的可插拔插槽。CPCI總線的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范也為數(shù)字化短波電臺的模塊化設(shè)計和功能擴展提供了便利，并且還極大地提高了電臺的可操作性、維修性和保障性，使數(shù)字化短波電臺能更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。
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