《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CPCI總線CPU主控模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
摘要: 在一些特定的條件(如惡劣環(huán)境、軍事應(yīng)用環(huán)境條件)下應(yīng)用的計(jì)算機(jī)比普通商用計(jì)算機(jī)一般在以下方面有更高、更嚴(yán)的要求:氣候、機(jī)械和電磁環(huán)境適應(yīng)性好,可靠性、可用性、可維修性好,可操作性、人機(jī)交互性能,體積小、重量輕、功耗低,可擴(kuò)展性、升級(jí)方便和使用周期長(zhǎng)。有時(shí)在一些應(yīng)用場(chǎng)合還會(huì)有一些特定要求,如對(duì)用戶接口種類和數(shù)量的要求等。
Abstract:
Key words :

  在一些特定的條件(如惡劣環(huán)境、軍事應(yīng)用環(huán)境條件)下應(yīng)用的計(jì)算機(jī)比普通商用計(jì)算機(jī)一般在以下方面有更高、更嚴(yán)的要求:氣候、機(jī)械和電磁環(huán)境適應(yīng)性好,可靠性、可用性、可維修性好,可操作性、人機(jī)交互性能,體積小、重量輕、功耗低,可擴(kuò)展性、升級(jí)方便和使用周期長(zhǎng)。有時(shí)在一些應(yīng)用場(chǎng)合還會(huì)有一些特定要求,如對(duì)用戶接口種類和數(shù)量的要求等。

  在很難找到滿足特定要求的商用計(jì)算機(jī),即使利用成熟商用計(jì)算機(jī)進(jìn)行后天加固也難以滿足特定要求的情況下,為此需自行研制滿足特定要求的加固計(jì)算機(jī)。這里介紹加固計(jì)算機(jī)基于CPCI總線CPU主控模塊的設(shè)計(jì)方案。

  Compact PCI(簡(jiǎn)稱CPCI)總線是“PCI總線工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商組織”推出的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn),近年來應(yīng)用發(fā)展最為迅速。它由PC機(jī)上的通用總線PCI發(fā)展而來,既有PCI總線的高帶寬高性能、即插即用、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn),又有無源背板總線VME總線的可靠性?;?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/CPCI總線" title="CPCI總線" target="_blank">CPCI總線的主控模塊主要完成通用的計(jì)算機(jī)主板功能,包括主處理器及相關(guān)的支持邏輯、主存儲(chǔ)器、PCI總線仲裁器、系統(tǒng)中斷控制器、PCI時(shí)鐘發(fā)生器及通用I/0接口(IDE、USB、PS/2鍵盤鼠標(biāo)等)功能,還集成了一片PCI-PCI橋PCI2050B,提供7個(gè)PCI外設(shè)卡的仲裁能力。

  1 CPU主控模塊原理設(shè)計(jì)

  基于CPCI總線的主控模塊設(shè)計(jì)主要采用2種方法:1)應(yīng)用器件組進(jìn)行系統(tǒng)板設(shè)計(jì)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是邏輯清晰,在功能不正常時(shí)可以更換器件使其正常工作,設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)板抗震動(dòng)及機(jī)械沖擊性能更強(qiáng);其缺點(diǎn)是難度大、開發(fā)周期長(zhǎng),隨著CPU速度的提高,設(shè)計(jì)難度更大,并且難以購(gòu)買到溫度寬泛的芯片組。2)采用嵌入式CPU模塊。該模塊集成度高、體積小,它集成了計(jì)算機(jī)幾乎所有的功能,用戶根據(jù)具體任務(wù)的要求,只需對(duì)其沒有的功能在外部進(jìn)行擴(kuò)展就可以完成設(shè)計(jì)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期短,調(diào)試方便,易于升級(jí),并且已有廠家提供溫度寬泛的嵌入式CPU模塊,也應(yīng)用在對(duì)環(huán)境要求比較苛刻的軍用領(lǐng)域。鑒于項(xiàng)目研發(fā)周期短,本設(shè)計(jì)采用第2種方法,基于CPCI總線主控模塊采用控創(chuàng)(Kontron)公司的ETX(Embedded Technology eXtended)PM模塊,并應(yīng)用PCI擴(kuò)展技術(shù)完成6U CPCI總線系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)。CPCI主控模塊組成框圖如圖1所示。

CPCI主控模塊組成框圖

  1.1 ETX模塊

  ETX嵌入式計(jì)算機(jī)模塊具有完整的PC功能和高效的CPU性能,是一種高集成度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它采用的是x86 CPU。ETX PM的主頻為1.0~1.8 GHz,內(nèi)存可至1 GB。ETX結(jié)構(gòu)主板主要面向?qū)S糜?jì)算機(jī)系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)者,它的核心理念是“把PC像器件一樣設(shè)計(jì)到客戶的目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)中”。在其114mm(長(zhǎng))x95 mm(寬)×16 mm(高)的尺寸上,集成了標(biāo)準(zhǔn)PC所有的功能,同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)PC架構(gòu)所具有的所有標(biāo)準(zhǔn)接口。

  ETX模塊上包含了高性能x86系列的CPU器件組、南北橋、顯示器件、網(wǎng)絡(luò)器件、音頻控制器、Super I/0控制器等。背面采用高密度的表貼連接器,4x100引腳總線引腳定義PC的標(biāo)準(zhǔn)接口信號(hào)以及PCI和ISA信號(hào)等。在設(shè)計(jì)主控模塊時(shí),在主控模塊上設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的4x100引腳插座,擴(kuò)展的I/0功能可通過總線上的PCI或ISA實(shí)現(xiàn)。每個(gè)連接器所提供的信號(hào)如下:

  1)ETX連接器X1:PCI總線(32位)、USB、聲卡;2)ETX連接器X2:ISA總線(16位);3)ETX連接器X3:VGA、LCD(LVDS)、COMl、COM2、IrD-A、鍵盤/鼠標(biāo);4)ETX連接器X4:EIDE(×2)、以太網(wǎng)、電源管理等信號(hào)。

  ETX:PM模塊向外只提供4個(gè)PCICLK和4對(duì)REQ#/GNT#信號(hào),因此它只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)PCI功能設(shè)備,若要滿足CPCI總線主控模塊驅(qū)動(dòng)7個(gè)擴(kuò)展插槽的要求,可以通過在ETX PM模塊和CPCI系統(tǒng)總線連接器之間增加一個(gè)PCI-PCI總線橋來實(shí)現(xiàn)總線擴(kuò)展。PCI-PCI總線橋作為上一級(jí)總線的一個(gè)負(fù)載,而向下可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)總線段。ETX PM模塊可以在-40~85℃的條件下工作,而且ETX系列產(chǎn)品有較長(zhǎng)的生命周期,可互換。

  1.2 PCI橋的設(shè)計(jì)

  在本方案主控模塊的設(shè)計(jì)中,選用Tl(Texas Instruments)公司的工業(yè)級(jí)PCI-PCI橋器件PCI2050BI,它在2個(gè)32位最高工作頻率66 MHz的PCI總線之間提供橋連接。該橋支持突發(fā)模式(burst mode transfers),極大增加了數(shù)據(jù)的吞吐量,橋的總線數(shù)據(jù)路徑(bustraffic paths)獨(dú)立工作。橋的主、從PCI總線分別可以工作在3.3 V或者5 V的工作環(huán)境下,橋的核心邏輯工作在3.3 V以減少功耗。PCI2050BI可以帶9個(gè)設(shè)備,除了為每個(gè)設(shè)備提供內(nèi)部仲裁,也可由系統(tǒng)提供外部仲裁。PCI2050BI提供lO個(gè)設(shè)備時(shí)鐘輸出。使用PCI2050BI生行PCI-PCI總線橋擴(kuò)展,其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

 

設(shè)計(jì)框圖

  本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括:

  1)PCI2050BI有2個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘域,主接口受主側(cè)輸入時(shí)鐘P_CLK的控制,從接口受從側(cè)輸入時(shí)鐘S_CLK的控制。這2個(gè)時(shí)鐘可以相互獨(dú)立,但必須保持同步,P_CLK與S_CLK的最大延時(shí)不得超過7 ns,S_CLK不能超前P_CLK;

  2)PCI2050BI的從側(cè)輸出時(shí)鐘,每個(gè)時(shí)鐘只能驅(qū)動(dòng)1個(gè)負(fù)載;

  3)PCI2050BI的從側(cè)有10個(gè)時(shí)鐘輸出S_CLK[9:0],其中的9個(gè)可以供給擴(kuò)展的PCI槽,另一個(gè)S_CLK0UT9信號(hào)必須反饋給從總線的輸入時(shí)鐘S_CLK;

  4)為了減小時(shí)鐘的信號(hào)反射,輸出到擴(kuò)展槽的9個(gè)CLK必須在始端加串聯(lián)電阻匹配,匹配電阻阻值與電路板特征阻抗大小有關(guān).對(duì)65 Ω的傳輸線,選用50 ΩQ串聯(lián)匹配電阻;

  5)CPCI主控模塊上的PCI從總線控制信號(hào)必須進(jìn)行上拉,保證在沒有設(shè)備使用時(shí)能保持穩(wěn)定。這些信號(hào)包括:FRAME#,IRDY#,TRDY#,STOP#,DEVSEL#,PERR#,SERR#,L0CK#,INTA#~I(xiàn)NTD#。電阻的大小根據(jù)設(shè)備的負(fù)載而定,本設(shè)計(jì)中電阻值使用典型值8.2 kΩ;

  6)為了減少主控模塊對(duì)底板的影響,除了CLK、REQ#和GNT#信號(hào)外,其他PCI信號(hào)都要串接10 Ω的終端匹配電阻;

  7)要正確設(shè)置總線的信號(hào)環(huán)境。ETX PM的PCI總線信號(hào)環(huán)境為3.3 V,設(shè)計(jì)時(shí),將PCI2050BI的P_VCCP連接到3.3 V;S_VCCP聯(lián)接到背板的VIO上,根據(jù)背板VIO電壓的設(shè)置,可能是3.3 V或5 V,由此完成對(duì)信號(hào)環(huán)境的設(shè)置。

  1.3 IDE接口

  在基于CPCI總線的主控模塊上,擴(kuò)展1個(gè)32GBr的寬溫電子硬盤,采用IDE接口,作為操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序的存儲(chǔ)空間。集成驅(qū)動(dòng)器電路(IDE)適用于任何具有集成(內(nèi)置)磁盤控制器的驅(qū)動(dòng)器。IDE設(shè)備一般包括硬盤、光驅(qū)等。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的CPU主控模塊主要應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的計(jì)算機(jī)中,電子盤的工作溫度和抗振性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通硬盤,所以系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)在基于CPCI總線的主控模塊上擴(kuò)展1個(gè)32 GB的寬溫電子硬盤。ETX模塊提供2個(gè)IDE通道(PRAMARY IDE和SEC0NDARY IDE),每個(gè)通道可以連接2個(gè)IDE設(shè)備。普通IDE設(shè)備的接口一般為40引腳的信號(hào)接端口,IDE設(shè)備的供電由另外一個(gè)單獨(dú)的電源接口提供。而電子盤的IDE接口一般為44引腳,前40引腳與普通IDE設(shè)備接口的定義一致,最后4引腳為電子盤的供電接口,電子硬盤只使用5 V電源。所以本設(shè)計(jì)中將PRIMARYIDE-44引腳的接口形式置于CPU主控模塊上,用于連接電子硬盤作為系統(tǒng)盤使用。SECONDARY IDE通過后走線板接口P2到后走線板上,用于連接普通硬盤或光驅(qū)。

  2 PCB布局

  2.1 元器件封裝選擇

  本設(shè)計(jì)中所有電子元器件都采用表貼元件,電阻、電容大部分采用0603的封裝,并且大量使用電阻排。由于只在表面焊接,不需要鉆孔,體積小、功耗小、節(jié)省了印制板空間,簡(jiǎn)化了整版的布局和走線。

  2.2 PCB層數(shù)選擇

  本次設(shè)計(jì)選擇制作8層的PCB板。CPCI板卡的總線標(biāo)準(zhǔn)連接器引腳間距為2.0 mm,焊盤孔徑為0.6 mm,焊盤直徑為1.1 mm,所以兩焊盤之間走線空間僅為0.9 mm,線寬為6 mil,線間距6 mil的線單層只能走2根,而CPCI總線連接器單排有5個(gè)引腳,即必須走5根線,所以信號(hào)層不能少于3層。對(duì)于主控模塊其主要供電為3.3 V和5 V兩種。為了保證信號(hào)層和電源層的對(duì)稱性,同時(shí)考慮到此板的復(fù)雜性和信號(hào)的完整性,將信號(hào)層設(shè)計(jì)為4層,地平面和電平面分別設(shè)計(jì)為2層。印制板最終的層分布設(shè)計(jì)依次為:頂層信號(hào)層、地層l、內(nèi)信號(hào)層1、3.3 V電層、地層2、內(nèi)信號(hào)層2、5 V電層、底層信號(hào)層。

  2.3 PCB布線

  在CPCI主控模塊的設(shè)計(jì)和布線過程中,嚴(yán)格遵循PCI2.1規(guī)范和PICMG2.0R3.0規(guī)范,使用符合IEC-1076國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的高精度、屏蔽型、針孔式的CPCI連接器。主控模塊上的5個(gè)CPCI連接器J1,J2,J3,J4,J5中,J1,J2連接器用來連接PCI總線信號(hào),而J3,J4,J5連接器用來擴(kuò)展系統(tǒng)板的IO信號(hào)。設(shè)計(jì)完成的主控模塊可以驅(qū)動(dòng)7個(gè)CPCI擴(kuò)展插槽。

  在進(jìn)行CPCI主控模塊PCB布局和布線設(shè)計(jì)時(shí),其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:

  1)ETX模塊的PCICLK到PCI2050BI主總線的時(shí)鐘P_CLK信號(hào)傳輸線長(zhǎng)度必須為8.7±0.1 inch;

  2)為減小CPCI底板總線上時(shí)鐘之間的偏移(skew),必須將PCI2050BI從總線的S_CLKOUT9信號(hào)必須反饋給從總線的S_CLK,PCI2050BI供給擴(kuò)展槽的9根時(shí)鐘線(9個(gè)S_CLKOUT)與S_CLK必須等長(zhǎng);

 

  3)對(duì)PCI2050BI的每個(gè)電源引腳提供1個(gè)0.1μF的高速去耦電容,并且在布線時(shí)盡量靠近PCI2050BI的電源引腳;

  4)在主控模塊布線時(shí),讓PCI2050B盡量靠近Jl和J2連接器,使PCI總線信號(hào)到連接器距離盡量的短;

  5)根據(jù)CPCI規(guī)范,PCI總線信號(hào)線的10 Ω終端匹配電阻應(yīng)該設(shè)置在信號(hào)的連接器引腳的15.2 mm之內(nèi),這些總線信號(hào)包括AD0~AD31,C/BE0#~C/BE3#,PAR,F(xiàn)RAME#,IRDY#,TRDY#,STOP#,L0CK#,IDSEL,DEVSEL#,PERR#,SERR#和RST#;

  6)網(wǎng)口信號(hào)和USB信號(hào)屬于差分信號(hào),在印制板上走線時(shí)要應(yīng)用差分線,對(duì)于網(wǎng)口信號(hào)TX+和TX-,RX+和RX-要使用差分線對(duì),對(duì)于USB信號(hào)USB+和USB-要使用差分線對(duì);

  7)IDE信號(hào)線要盡量等長(zhǎng),以保證傳輸質(zhì)量;

  8)PCI信號(hào)線都要進(jìn)行阻抗控制,阻抗為65Ω±10%。

  3 結(jié)束語

  CPCI總線是高速同步共享總線,而ETX模塊具有強(qiáng)大的性能、高可靠性、靈活的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的可擴(kuò)展性以及尺寸小巧等特點(diǎn),它為6U的基于CPCI總線的主控模塊的快速自行研制提供了解決方案。通過深入分析CPCI總線特性,深刻理解高頻數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法,已成功研制出基于CPCI總線主控模塊。經(jīng)綜合測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明,該模塊已達(dá)到了系統(tǒng)要求的性能指標(biāo),系統(tǒng)工作穩(wěn)定,各接口應(yīng)用正常。

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