PCI桥在Compact PCI 系统中的应用

Compact PCI现状及优势 Compact PCI总线是基于PCI电气规范开发的高性能工业总线，现在正逐步广泛应用于工控系统、通讯和网络等行业，Compact PCI已成为PICMG(由采用PCI技术来支持嵌入式应用的公司组成的行业标准组织)支持的一项开放标准。Compact PCI标准将外设组件互连(PCI)标准特性与支持嵌入式应用的坚固机械外形完美结合在一起，其性能特征是专门针对工业环境而量身定制的。简单地说，Compact PCI总线 = PCI总线的电气规范 + 标准针孔连接器（IEC-1076-4-101） + 欧洲卡规范（IEC297/IEEE 1011.1）。 Compact PCI基于PICMG2.0规范，其电气特性与PCI总线相同，因此用户的软件和普通PC机兼容，现有的PCI外围卡也可以很容易地移植到Compact PCI平台上。Compact PCI使用2mm高密度针孔总线连接器，和使用金手指连接器的PCI卡相比，具有连接可靠、完全气密的特点，模块的抗震性和抗腐蚀性高。此外，Compact PCI模块采用经过20余年现场使用考验的欧规卡（Eurocard）结构，采用垂直安装、前抽取结构，提高了模块的散热性、抗震性和易维护性。在电信和工业自动化领域，由于Compact PCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，加上工控机设计者一般都掌握基于PC的嵌入式软硬件设计技术，而且基于Microsoft的软件和开发工具通用性强、使用者众多，所以，Compact PCI总线工控机得以迅速打入。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言，由于总体成本高、技术开发难度大、模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，Compact PCI总线工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用。相反，电信（Telecommunication和Computer Telephony）行业要求制造商提供开放式架构和快速投放市场产品，而产品快速投放市场的能力主要取决于软件而不是硬件。在这方面，由于Compact PCI总线工控机采用PC技术，具有丰富而廉价的软件资源，其操作系统WINDOWS NT理想开发平台，加上热插拔和热切换能力，恰好与电信要求相一致，因此被广泛应用。 PCI桥接器的简单介绍 当今的工业控制技术中PCI总线渐渐地取代了ISA总线，成为主流总线形式，它有很多优点，比如即插即用(Plug and Play)、中断共享等。PCI总线具有严格的标准和规范，这就保证了它具有良好的兼容性，符合PCI规范的扩展卡可插入任何PCI系统可靠地工作；PCI总线可以提供高数据传送速率（132MB/s）或(264Mb／s)；PCI总线与CPU无关，与时钟频率亦无关，可适用于各种平台，支持多处 理器和并发工作；PCI总线还具有良好的扩展性，通过PCI-PCI桥路，可进行多级扩展。PCI 总线的自动配置功能使其应用更为简单、方便，由于该总线标准为元件和插件分配了相应的 配置寄存器，对于某个系统只要有嵌入的自动配置软件，就可以在系统加电时自动配置PCI 总线上的设备，为用户提供了极大的方便。PCI总线是目前PC机上最先进、最通用的一种总线。 PCI-PCI 桥是特殊的 PCI 设备，它把系统中的 PCI 总线粘和在一起。简单系统中只有一个 PCI 总线，当然单个 PCI 总线可以支持的 PCI 设备的数量有电气限制。在传统的工业计算机中，一般只有4槽PCI设备，更多的是ISA设备，随着PCI总线成为主流趋势，系统中要求有更多的PCI插槽，以满足工业控制的需求，这时我们可以使用 PCI-PCI 桥来增加更多的 PCI 总线使系统支持更多的 PCI 设备。这对于高性能的Compact PCI系统尤其重要。 Compact PCI系统中PCI-PCI桥接电路的应用 在Compact PCI规范PICMG2.0中，Compact PCI系统被限制在小于等于8槽，也就是说只能扩展出7个外围的PCI槽。为了实现这7个PCI槽，Compact PCI的主机模块上就需要使用到PCI-PCI桥接器，由一级PCI总线扩展出二级PCI总线，这里我们采用的芯片是Ti的PCI2050桥接器，原理框图如图1。 此例中桥接芯片PCI2050就是连接HOST CPU一级PCI总线与二级PCI总线的纽带，由这个桥接器扩展出了第二级PCI总线，通过系统的底板将扩展的PCI总线信号从由主机模块上的J1、J2，分配到各个扩展槽的P1、P2。在Compact PCI系统底板上，除系统槽外，另外七槽的信号必须按照以下规则设计：REQ#（6,5,4,3,2,1,0）；GNT#（6,5,4,3,2,1,0）；Slot（1,2,3,4,5,6,7）的Clock分别接CLK（A,B,C,D,E,F,G），IDSEL分别接AD（31,30,29,28,27,26,25），中断信号INT（A,B,C,D）的绕行方式根据PCI桥接器的规范循环绕接。 当系统中7个PCI槽仍不能满足需求时，那么可以采取下面的两种方式进行进一步的扩展： 1）主机模块上采用双PCI-PCI桥芯片设计，芯片仍选用PCI2050桥接器，遵循PICMG2.7的双系统规范，一片桥芯片经J1、J2扩展出1-7槽，另一片经J4、J5扩展出9-15槽，如图2示。此时该主机模块只能采用前出线形式。 图2 :采用双桥接芯片PC12050的主机摸块 2）主机模块上采用单PCI-PCI桥芯片设计，扩展1-7槽，另设计一模块，插入1-7槽之一，由其再扩展出9-15槽。这种方式实际上是在主板的桥接电路之外又设计了一桥接器模块，将其插入第二级PCI总线中任一槽位，由它再扩展出第三级PCI总线。框图见图3。 通过以上方式利用PCI-PCI桥接电路连接多个PCI段，使Compact PCI系统扩展到数十个插槽，提供了满足工业环境应用要求的高性能的核心系统。 图3:第二个桥接器插入第二级PCI总线的任一槽,扩展出第三级PCI总线 以上简单介绍了Compact PCI系统中主机模块扩展PCI总线的几种方法，可以看出PCI-PCI桥接器在其中起到了重要的桥梁作用。Compact PCI不仅弥补了传统总线标准的不足，而且还为系统设计人员带来了高性能、高可用性的专有体系结构和经济的多级PCI总线。另外，Compact PCI所具备的热插拔、冗余及其很强的电磁兼容性使其在众多的领域都将会有更广阔的前景。