史云輝,王學寶,李 宇

摘 要:介紹基于CompactPCI Express總線的工業(yè)控制計算機系統(tǒng)中混合橋接板的設計和實現。該板采用PLX公司的PEX8111芯片實現PCI Express接口,依據規(guī)范提出了PCI中HOST端口的詳細設計方法,重點介紹采用電路仿真工具進行輔助設計的過程,通過仿真保證了高速串行電路的信號完整性。該模塊已經投入使用,模塊在應用過程中性能穩(wěn)定。

關鍵詞:CompactPCI Express;PCI;PEX8111;混合橋接

中圖分類號:TP336文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-079-03

Design of CompactPCI Express Hyperbridge Board Based on PEX8111

SHI Yunhui,WANG Xuebao,LI Yu

(Jiangsu Automation Research Insititute,China Shipbuilding Industry Corporation,Lianyungang,222006,China)

Abstract:In this paper,the hyperbridge board design and implementation are introduced,which is used in industrial control computer systems based on the CompactPCI Express bus.The board implements PCI Express interface through using PLX′s PEX8111 chip,proposes PCI-HOST port design methods according to specification,focusing on the design process which uses circuit simulation tools,high-speed serial signal integrity is ensured through simulation.The module has been put into using,and performing good in use.

Keywords:CompactPCI Express;PCI;PEX8111;hyperbridge

0 引 言

在過去幾年里,由于數據輸入/輸出的要求不斷提高,使用戶對數據總線帶寬提出更高的要求,由此產生了很多基于高速序列構架的傳輸標準。包括PCI Express,HyperTransport,InfiniBand,RapidIO和StarFabric等[1]。

2002年第2季度PCISIG組織發(fā)布了PCI Express 1.0規(guī)范,定位于設計成一種系統(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[2,3]。

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

進行混合橋接電路的設計主要實現以下內容:

(1) PCI部分接口的設計實現;

(2) PCIe總線接口設計實現。

1 設計原理

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電壓轉換模塊,將3.3 V電壓轉換為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PCI接口可以實現PCI總線的Host功能。

圖1 混合橋接模塊原理框圖

2 實現方法

2.1 主要原器件選擇

在該設計中采用成熟技術,選用常用、可靠的控制芯片,結合一些常用的外圍電路和專用電路實現全部的功能,即選擇PEX8111作為接口芯片,利用功能芯片實現硬件邏輯[4]。

PEX8111是PLX公司推出的專門用于PCI Express和PCI總線之間橋接的芯片,它包含1個x1的PCI Express端口和1路32位PCI接口。它的外圍電路少,設計簡單。

2.2 PCI Express硬件接口實現

每個PCI Express的端口包括兩部分信號,端口控制信號和通信信號。端口控制信號包括熱插拔控制信號、時鐘使能信號、電源使能信號等。通信信號主要由lane信道組成,每個lane信道包含收發(fā)差分信號對各一個,每個PCI Express的端口包含的lane信道數是可以伸縮配置的,也就是說包含lane信道的數目是可變的,在該模塊中單個端口包含1個lane信道。在lane信道上傳輸的是高速差分信號,在每個信號差分對上信號的最高的傳輸速率可以達到2.5 Gb/s。在兩個設備之間互連的lane信道需要加入電容隔離直流信號,考慮到傳輸信號的頻率,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區(qū)域的使用性能。

2.3 時鐘設計

發(fā)送器以2.5 Gb/s的速率定時輸出數據。實現該速率的時鐘必須精確在中心頻率±300 ppm內,它最大允許每1 666個時鐘偏離1個時鐘。設備獲取時鐘輸入的方式有兩種:采用本板時鐘和使用外部輸入時鐘,該設計使用外部時鐘。如果使用擴展頻譜定時(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鐘,SSC是一種用于緩慢調制時鐘頻率的技術,以便降低時鐘中心頻率處的EMI輻射噪音。有了SSC,輻射的能量就不會產生2.5 GHz的噪音尖峰信號,因為輻射能量被分散到2.5 GHz周圍小的頻率范圍。

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

2.4 PCI接口設計

該PCI接口實現的功能為PCI的HOST功能,包含總線信號和仲裁信號[5,6]。在進行該模塊設計時需要注意連接器J1的信號定義與標準的J1接口有一些差別,因為如果將PCI總線信號完整的引出需要兩個連接器J1,J2配合使用,但是因為高速連接器XSJ3處于原本J2的位置上,因此在缺少部分信號針的情況下無法實現完整PCI host功能,采取使用了特殊的CPCI J1連接器的方法解決這個問題,這種連接器比普通J1連接器多出15個信號引腳,可以使用這些多余的引腳引出REQn,ACKn信號[7]。

2.5 電源設計

PEX8111芯片需要用到3種電源,其中PCI總線信號為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電壓轉換獲得,選取國家半導體公司的LP2992作為3.3～1.5 V電壓轉換模塊。該模塊具有90%以上的轉換效率、簡單的外圍電路、更小的封裝、2.5%以下的紋波電壓等特點。

2.6 復位設計

復位輸入有三個,來自PCIe端的復位,來自PEX8111復位輸出,手動復位信號,保證在主機側出現冷復位和要求本板單獨復位的情況下,可以將復位信號向下傳遞,如圖3所示。

圖2 PCI時鐘信號擴展示意圖

圖3 復位信號連接圖

3 高速電路設計

基于CPCIe總線的電路屬于高速電路,在電路設計之初就采用仿真工具進行驗證,并根據仿真結果不斷調整自己的設計。

對所設計的電路進行仿真是該設計的關鍵點。PEX8111芯片信號的種類和數目都比較少,在芯片外圍沒有復雜的邏輯設計,在電路設計上對時鐘和電源的要求也比較簡單,但是對傳輸在PCB上高速差分信號的質量有很高的要求,這個要求也是當前所有高速設計面臨的共性問題。由于高速PCB設計需要考慮的因素很多,比如介質、平面分割、信號的等長等,傳統(tǒng)的設計準則已經不再準確,所以需要依靠仿真工具來提供設計依據。在該設計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、介質層厚度、介質材料等決定。特征阻抗的計算界面如圖4所示,經計算特征阻抗為94.5 Ω,滿足要求。

圖4 特征阻抗的計算界面

PCI信號的特征阻抗為75 Ω,為了同時滿足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線的寬度設置為不同寬度;其次是將兩種信號放置在不同信號平面上。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信號線寬設置得比較寬,不利于走線。后者需要增加信號層,直接增加成本。采取什么方法需要綜合考慮。

3.2 后仿真的實現

后仿真主要是在PCB繪制完成后,在前仿真的基礎上將PCB相關的數據導入后再進行的仿真。由于PCI部分的信號電路設計已經非常成熟,有大量的經驗法則可以借用,并且信號的速度比較慢,因此不對這部分信號進行仿真,只對PCIe差分信號對進行仿真。圖5給出導入PCB參數后,接收端眼圖的仿真結果。可見,所有時間點上的信號電壓均在接收器可以識別的范圍之內。

圖5 接收端的眼圖

4 結 語

隨著技術的發(fā)展,基于CPCIe總線接口的模塊會被越來越多的使用,但是從成本考慮,CPCI接口的模塊不會被立即完全的替換,CPCIe模塊和CPCI模塊在機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,它將作為一個重要的插件模塊在工業(yè)控制計算機系統(tǒng)中廣泛應用。

參考文獻

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