CompactPCI Express 混合橋接板設(shè)計(jì)

　　0 引 言

　　在過去幾年里，由于數(shù)據(jù)輸入／輸出的要求不斷提高，使用戶對(duì)數(shù)據(jù)總線帶寬提出更高的要求，由此產(chǎn)生了很多基于高速序列構(gòu)架的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。包括PCI Ex-press，HyperTransport，InfiniBand，RapidIO和Star-Fabric等。

　　2002年第2季度PCISIG組織發(fā)布了PCI Express1．0規(guī)范，定位于設(shè)計(jì)成一種系統(tǒng)互連接口。該組織又于2005年第3季度發(fā)布PCI Express規(guī)范在工業(yè)控制領(lǐng)域的規(guī)范PICMG EXP．0 CompactPCI Express Specification R1．0，被稱之為CompactPCI Express(在下文中簡稱為CPCIe)規(guī)范。

　　CPCIe系統(tǒng)可以兼容CPCI模塊，具體的實(shí)現(xiàn)方法是在系統(tǒng)中加入CPCIe到CPCI的橋接模塊，該模塊被稱為混合橋接模塊。

　　進(jìn)行混合橋接電路的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：

(1)PCI部分接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；
(2)PCIe總線接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　1 設(shè)計(jì)原理

　　如圖1所示，該模塊由XSJ4連接提供3．3 V電源，在板上使用DC-DC電壓轉(zhuǎn)換模塊，將3．3 V電壓轉(zhuǎn)換為1．5 V電壓，提供給PEX8111使用。PEX8111的上行端口(Upstream)為x1的PCI Express接口，下行接口(Downstream)為32位／33 MHz的PCI總線，該P(yáng)CI接口可以實(shí)現(xiàn)PCI總線的Host功能。

　　2 實(shí)現(xiàn)方法

　　2．1 主要原器件選擇

　　在該設(shè)計(jì)中采用成熟技術(shù)，選用常用、可靠的控制芯片，結(jié)合一些常用的外圍電路和專用電路實(shí)現(xiàn)全部的功能，即選擇PEX8111作為接口芯片，利用功能芯片實(shí)現(xiàn)硬件邏輯。

　　PEX8111是PLX公司推出的專門用于PCI Ex-press和PCI總線之間橋接的芯片，它包含1個(gè)x1的PCI Express端口和1路32位PCI接口。它的外圍電路少，設(shè)計(jì)簡單。

　　2．2 PCI Express硬件接口實(shí)現(xiàn)

　　每個(gè)PCI Express的端口包括兩部分信號(hào)，端口控制信號(hào)和通信信號(hào)。端口控制信號(hào)包括熱插拔控制信號(hào)、時(shí)鐘使能信號(hào)、電源使能信號(hào)等。通信信號(hào)主要由lane 信道組成，每個(gè)lane信道包含收發(fā)差分信號(hào)對(duì)各一個(gè)，每個(gè)PCI Express的端口包含的lane信道數(shù)是可以伸縮配置的，也就是說包含lane信道的數(shù)目是可變的，在該模塊中單個(gè)端口包含1個(gè)lane信道。在 lane信道上傳輸?shù)氖歉咚俨罘中盘?hào)，在每個(gè)信號(hào)差分對(duì)上信號(hào)的最高的傳輸速率可以達(dá)到2．5 Gb／s。在兩個(gè)設(shè)備之間互連的lane信道需要加入電容隔離直流信號(hào)，考慮到傳輸信號(hào)的頻率，電容的封裝尺寸一般為0402，小的尺寸可以降低電容的串聯(lián)等效電感，提高電容在高頻信號(hào)區(qū)域的使用性能。

　　2．3 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

　　發(fā)送器以2．5 Gb／s的速率定時(shí)輸出數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)該速率的時(shí)鐘必須精確在中心頻率±300 ppm內(nèi)，它最大允許每1 666個(gè)時(shí)鐘偏離1個(gè)時(shí)鐘。設(shè)備獲取時(shí)鐘輸入的方式有兩種：采用本板時(shí)鐘和使用外部輸入時(shí)鐘，該設(shè)計(jì)使用外部時(shí)鐘。如果使用擴(kuò)展頻譜定時(shí)(Spread Spectrum Clocking，SSC)功能，一般都要求鏈路上的發(fā)送器和接收器必須使用同一參考時(shí)鐘，SSC是一種用于緩慢調(diào)制時(shí)鐘頻率的技術(shù)，以便降低時(shí)鐘中心頻率處的EMI輻射噪音。有了SSC，輻射的能量就不會(huì)產(chǎn)生2．5 GHz的噪音尖峰信號(hào)，因?yàn)檩椛淠芰勘环稚⒌?．5 GHz周圍小的頻率范圍。

　　本模塊需要為外接的PCI設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)，如圖2所示。33 MHz晶體作為時(shí)鐘源，通過零延時(shí)緩沖器CY2305輸出5路時(shí)鐘，并分別作為PEX8111和4個(gè)外接PCI設(shè)備的時(shí)鐘源。零延時(shí)緩沖器是一種可以將一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)扇出多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，并使這些輸出之間有零延時(shí)和很低偏斜的器件，所以可以認(rèn)為4個(gè)外接PCI設(shè)備工作在同一時(shí)鐘下。

　　2．4 PCI接口設(shè)計(jì)

　　該P(yáng)CI接口實(shí)現(xiàn)的功能為PCI的HOST功能，包含總線信號(hào)和仲裁信號(hào)。在進(jìn)行該模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要注意連接器J1的信號(hào)定義與標(biāo)準(zhǔn)的J1接口有一些差別。因?yàn)槿绻麑CI總線信號(hào)完整的引出需要兩個(gè)連接器J1，J2配合使用，但是因?yàn)楦咚龠B接器XSJ3處于原本J2的位置上，因此在缺少部分信號(hào)針的情況下無法實(shí)現(xiàn)完整PCI host功能，采取使用了特殊的CPCIJ1連接器的方法解決這個(gè)問題，這種連接器比普通J1連接器多出15個(gè)信號(hào)引腳，可以使用這些多余的引腳引出 REQn，ACKn信號(hào)。

　　2．5 電源設(shè)計(jì)

　　PEX8111芯片需要用到3種電源。其中PCI總線信號(hào)為5 V，I／O供電電壓為3．3 V，串行收發(fā)器的電源電壓為1．5 V，所以本模塊需要提供5 V，3．3 V和1．5 V三種電壓源。

　　5 V, 3．3 V電壓由系統(tǒng)提供，1．5 V由3．3 V電壓轉(zhuǎn)換獲得，選取國家半導(dǎo)體公司的LP2992作為3．3～1．5 V電壓轉(zhuǎn)換模塊。該模塊具有90％以上的轉(zhuǎn)換效率、簡單的外圍電路、更小的封裝、2．5％以下的紋波電壓等特點(diǎn)。

　　2．6 復(fù)位設(shè)計(jì)

　　復(fù)位輸入有三個(gè)，來自PCIe端的復(fù)位，來自PEX8111復(fù)位輸出，手動(dòng)復(fù)位信號(hào)，保證在主機(jī)側(cè)出現(xiàn)冷復(fù)位和要求本板單獨(dú)復(fù)位的情況下，可以將復(fù)位信號(hào)向下傳遞，如圖3所示。

　　3 高速電路設(shè)計(jì)

　　基于CPCIe總線的電路屬于高速電路，在電路設(shè)計(jì)之初就采用仿真工具進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)仿真結(jié)果不斷調(diào)整自己的設(shè)計(jì)。

　　對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。PEX8111芯片信號(hào)的種類和數(shù)目都比較少，在芯片外圍沒有復(fù)雜的邏輯設(shè)計(jì)，在電路設(shè)計(jì)上對(duì)時(shí)鐘和電源的要求也比較簡單，但是對(duì)傳輸在PCB上高速差分信號(hào)的質(zhì)量有很高的要求，這個(gè)要求也是當(dāng)前所有高速設(shè)計(jì)面臨的共性問題。由于高速PCB設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，比如介質(zhì)、平面分割、信號(hào)的等長等，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已經(jīng)不再準(zhǔn)確，所以需要依靠仿真工具來提供設(shè)計(jì)依據(jù)。在該設(shè)計(jì)中采用的仿真工具是Mentor公司 Hyperlynx GHz，Hspice仿真模型，由器件的生產(chǎn)廠家提供。

　　仿真的過程主要包括前仿真和后仿真，以下敘述兩種仿真的具體內(nèi)容。

　　3．1 阻抗控制

　　PCI Express規(guī)范要求走線阻抗為100 Ω，差分阻抗、單端阻抗為50 Ω。阻抗主要由線寬、線間距、銅皮厚度、介質(zhì)層厚度、介質(zhì)材料等決定。特征阻抗的計(jì)算界面如圖4所示，經(jīng)計(jì)算特征阻抗為94．5 Ω，滿足要求。

　　PCI信號(hào)的特征阻抗為75 Ω，為了同時(shí)滿足PCIe和PCI的阻抗要求，可以采用兩種手段，首先可以將兩種信號(hào)線的寬度設(shè)置為不同寬度；其次是將兩種信號(hào)放置在不同信號(hào)平面上。兩種方法各有優(yōu)劣，前者由于制作工藝限制線寬有下限，所以需要將PCIe信號(hào)線寬設(shè)置得比較寬，不利于走線。后者需要增加信號(hào)層，直接增加成本。采取什么方法需要綜合考慮。

　　3．2 后仿真的實(shí)現(xiàn)

　　后仿真主要是在PCB繪制完成后，在前仿真的基礎(chǔ)上將PCB相關(guān)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入后再進(jìn)行的仿真。由于PCI部分的信號(hào)電路設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，有大量的經(jīng)驗(yàn)法則可以借用，并且信號(hào)的速度比較慢，因此不對(duì)這部分信號(hào)進(jìn)行仿真，只對(duì)PCIe差分信號(hào)對(duì)進(jìn)行仿真。圖5給出導(dǎo)入PCB參數(shù)后，接收端眼圖的仿真結(jié)果?？梢姡袝r(shí)間點(diǎn)上的信號(hào)電壓均在接收器可以識(shí)別的范圍之內(nèi)。

　　4 結(jié) 語

　　隨著技術(shù)的發(fā)展。基于CPCIe總線接口的模塊會(huì)被越來越多的使用，但是從成本考慮，CPCI接口的模塊不會(huì)被立即完全的替換，CPCIe模塊和CPCI模塊在機(jī)箱中共存的情況將長期存在，混合橋接模塊是將兩者聯(lián)系起來的紐帶，它將作為一個(gè)重要的插件模塊在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。