基于PEX8111的CompactPCI Express混合橋接板設(shè)計(jì)

史云輝,王學(xué)寶,李 宇

摘 要:介紹基于CompactPCI Express總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中混合橋接板的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該板采用PLX公司的PEX8111芯片實(shí)現(xiàn)PCI Express接口,依據(jù)規(guī)范提出了PCI中HOST端口的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法,重點(diǎn)介紹采用電路仿真工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的過(guò)程,通過(guò)仿真保證了高速串行電路的信號(hào)完整性。該模塊已經(jīng)投入使用,模塊在應(yīng)用過(guò)程中性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞:CompactPCI Express;PCI;PEX8111;混合橋接

中圖分類號(hào):TP336文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(guò)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 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(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(jiǎn)稱為CPCIe)規(guī)范[2,3]。

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。

圖1 混合橋接模塊原理框圖

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[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(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(jiǎn)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(shuō)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(guò)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)[5,6]。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(wú)法實(shí)現(xiàn)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(gè)問(wèn)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)[7]。

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(guó)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(jiǎn)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(lái)自PCIe端的復(fù)位,來(lái)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。

圖2 PCI時(shí)鐘信號(hào)擴(kuò)展示意圖

圖3 復(fù)位信號(hào)連接圖

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(méi)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(jiǎn)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(wèn)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(zhǎng)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(lái)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(guò)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。

圖4 特征阻抗的計(jì)算界面

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?所有時(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)。

圖5 接收端的眼圖

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展,基于CPCIe總線接口的模塊會(huì)被越來(lái)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(zhǎng)期存在,混合橋接模塊是將兩者聯(lián)系起來(lái)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。

參考文獻(xiàn)

[1]Pavi Budruk,Don Anderson,Tom Shanley.PCI Express系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)教材[M].田玉敏,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]PICMG EXP.0 R1.0 Specificatio[Z].2005.

[3]PCI Express Card Electromechanical Specification Rev 1.0a[Z].2003.

[4]PEX8111 Datasheet[Z].2006.

[5]陳乃塘.深入探討PCI Express的系統(tǒng)架構(gòu)[J].電子測(cè)試,2003(11):46-54.

[6]尹勇.PCI總線設(shè)備開發(fā)寶典[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[7]李貴山,陳金鵬.PCI局部總線及其應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.

[8]馬衛(wèi)國(guó),何佩琨.通用高速PCI總線目標(biāo)模塊的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1999(25):13-16.

[9]Tom Shanley,Don Anderson.PCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M].4版.北京:電子工業(yè)出版社,2000.

[10]陳利學(xué),孫彪,趙玉連.微機(jī)總線與接口設(shè)計(jì)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,1998.

[11]徐曉東,葉鳳歧,李文.下一代總線標(biāo)準(zhǔn)PCI Express[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào),2005,36(3):230-234.