基于PEX8111的CompactPCI Express混合桥接板设计

史云辉,王学宝,李 宇

摘 要:介绍基于CompactPCI Express总线的工业控制计算机系统中混合桥接板的设计和实现。该板采用PLX公司的PEX8111芯片实现PCI Express接口,依据规范提出了PCI中HOST端口的详细设计方法,重点介绍采用电路仿真工具进行辅助设计的过程,通过仿真保证了高速串行电路的信号完整性。该模块已经投入使用,模块在应用过程中性能稳定。

关键词:CompactPCI Express;PCI;PEX8111;混合桥接

中图分类号:TP336文献标识码:A

文章编号: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

在过去几年里,由于数据输入/输出的要求不断提高,使用户对数据总线带宽提出更高的要求,由此产生了很多基于高速序列构架的传输标准。包括PCI Express,HyperTransport,InfiniBand,RapidIO和StarFabric等[1]。

2002年第2季度PCISIG组织发布了PCI Express 1.0规范,定位于设计成一种系统互连接口。该组织又于2005年第3季度发布PCI Express规范在工业控制领域的规范PICMG EXP.0 CompactPCI Express Specification R1.0,被称之为CompactPCI Express(在下文中简称为CPCIe)规范[2,3]。

CPCIe系统可以兼容CPCI模块,具体的实现方法是在系统中加入CPCIe到CPCI的桥接模块,该模块被称为混合桥接模块。

进行混合桥接电路的设计主要实现以下内容:

(1) PCI部分接口的设计实现;

(2) PCIe总线接口设计实现。

1 设计原理

如图1所示,该模块由XSJ4连接提供3.3 V电源,在板上使用DC-DC电压转换模块,将3.3 V电压转换为1.5 V电压,提供给PEX8111使用。PEX8111的上行端口(Upstream)为x1的PCI Express接口,下行接口(Downstream)为32位/33 MHz的PCI总线,该PCI接口可以实现PCI总线的Host功能。

图1 混合桥接模块原理框图

2 实现方法

2.1 主要原器件选择

在该设计中采用成熟技术,选用常用、可靠的控制芯片,结合一些常用的外围电路和专用电路实现全部的功能,即选择PEX8111作为接口芯片,利用功能芯片实现硬件逻辑[4]。

PEX8111是PLX公司推出的专门用于PCI Express和PCI总线之间桥接的芯片,它包含1个x1的PCI Express端口和1路32位PCI接口。它的外围电路少,设计简单。

2.2 PCI Express硬件接口实现

每个PCI Express的端口包括两部分信号,端口控制信号和通信信号。端口控制信号包括热插拔控制信号、时钟使能信号、电源使能信号等。通信信号主要由lane信道组成,每个lane信道包含收发差分信号对各一个,每个PCI Express的端口包含的lane信道数是可以伸缩配置的,也就是说包含lane信道的数目是可变的,在该模块中单个端口包含1个lane信道。在lane信道上传输的是高速差分信号,在每个信号差分对上信号的最高的传输速率可以达到2.5 Gb/s。在两个设备之间互连的lane信道需要加入电容隔离直流信号,考虑到传输信号的频率,电容的封装尺寸一般为0402,小的尺寸可以降低电容的串联等效电感,提高电容在高频信号区域的使用性能。

2.3 时钟设计

发送器以2.5 Gb/s的速率定时输出数据。实现该速率的时钟必须精确在中心频率±300 ppm内,它最大允许每1 666个时钟偏离1个时钟。设备获取时钟输入的方式有两种:采用本板时钟和使用外部输入时钟,该设计使用外部时钟。如果使用扩展频谱定时(Spread Spectrum Clocking,SSC)功能,一般都要求链路上的发送器和接收器必须使用同一参考时钟,SSC是一种用于缓慢调制时钟频率的技术,以便降低时钟中心频率处的EMI辐射噪音。有了SSC,辐射的能量就不会产生2.5 GHz的噪音尖峰信号,因为辐射能量被分散到2.5 GHz周围小的频率范围。

本模块需要为外接的PCI设备提供时钟信号,如图2所示。33 MHz晶体作为时钟源,通过零延时缓冲器CY2305输出5路时钟,并分别作为PEX8111和4个外接PCI设备的时钟源。零延时缓冲器是一种可以将一个时钟信号扇出多个时钟信号,并使这些输出之间有零延时和很低偏斜的器件,所以可以认为4个外接PCI设备工作在同一时钟下。

2.4 PCI接口设计

该PCI接口实现的功能为PCI的HOST功能,包含总线信号和仲裁信号[5,6]。在进行该模块设计时需要注意连接器J1的信号定义与标准的J1接口有一些差别,因为如果将PCI总线信号完整的引出需要两个连接器J1,J2配合使用,但是因为高速连接器XSJ3处于原本J2的位置上,因此在缺少部分信号针的情况下无法实现完整PCI host功能,采取使用了特殊的CPCI J1连接器的方法解决这个问题,这种连接器比普通J1连接器多出15个信号引脚,可以使用这些多余的引脚引出REQn,ACKn信号[7]。

2.5 电源设计

PEX8111芯片需要用到3种电源,其中PCI总线信号为5 V,I/O供电电压为3.3 V,串行收发器的电源电压为1.5 V,所以本模块需要提供5 V,3.3 V和1.5 V三种电压源。

5 V,3.3 V电压由系统提供,1.5 V由3.3 V电压转换获得,选取国家半导体公司的LP2992作为3.3～1.5 V电压转换模块。该模块具有90%以上的转换效率、简单的外围电路、更小的封装、2.5%以下的纹波电压等特点。

2.6 复位设计

复位输入有三个,来自PCIe端的复位,来自PEX8111复位输出,手动复位信号,保证在主机侧出现冷复位和要求本板单独复位的情况下,可以将复位信号向下传递,如图3所示。

图2 PCI时钟信号扩展示意图

图3 复位信号连接图

3 高速电路设计

基于CPCIe总线的电路属于高速电路,在电路设计之初就采用仿真工具进行验证,并根据仿真结果不断调整自己的设计。

对所设计的电路进行仿真是该设计的关键点。PEX8111芯片信号的种类和数目都比较少,在芯片外围没有复杂的逻辑设计,在电路设计上对时钟和电源的要求也比较简单,但是对传输在PCB上高速差分信号的质量有很高的要求,这个要求也是当前所有高速设计面临的共性问题。由于高速PCB设计需要考虑的因素很多,比如介质、平面分割、信号的等长等,传统的设计准则已经不再准确,所以需要依靠仿真工具来提供设计依据。在该设计中采用的仿真工具是Mentor公司Hyperlynx GHz,Hspice仿真模型,由器件的生产厂家提供。

仿真的过程主要包括前仿真和后仿真,以下叙述两种仿真的具体内容。

3.1 阻抗控制

PCI Express规范要求走线阻抗为100 Ω,差分阻抗、单端阻抗为50 Ω。阻抗主要由线宽、线间距、铜皮厚度、介质层厚度、介质材料等决定。特征阻抗的计算界面如图4所示,经计算特征阻抗为94.5 Ω,满足要求。

图4 特征阻抗的计算界面

PCI信号的特征阻抗为75 Ω,为了同时满足PCIe和PCI的阻抗要求,可以采用两种手段,首先可以将两种信号线的宽度设置为不同宽度;其次是将两种信号放置在不同信号平面上。两种方法各有优劣,前者由于制作工艺限制线宽有下限,所以需要将PCIe信号线宽设置得比较宽,不利于走线。后者需要增加信号层,直接增加成本。采取什么方法需要综合考虑。

3.2 后仿真的实现

后仿真主要是在PCB绘制完成后,在前仿真的基础上将PCB相关的数据导入后再进行的仿真。由于PCI部分的信号电路设计已经非常成熟,有大量的经验法则可以借用,并且信号的速度比较慢,因此不对这部分信号进行仿真,只对PCIe差分信号对进行仿真。图5给出导入PCB参数后,接收端眼图的仿真结果。可见,所有时间点上的信号电压均在接收器可以识别的范围之内。

图5 接收端的眼图

4 结 语

随着技术的发展,基于CPCIe总线接口的模块会被越来越多的使用,但是从成本考虑,CPCI接口的模块不会被立即完全的替换,CPCIe模块和CPCI模块在机箱中共存的情况将长期存在,混合桥接模块是将两者联系起来的纽带,它将作为一个重要的插件模块在工业控制计算机系统中广泛应用。

参考文献

[1]Pavi Budruk,Don Anderson,Tom Shanley.PCI Express系统体系结构标准教材[M].田玉敏,译.北京:电子工业出版社,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]陈乃塘.深入探讨PCI Express的系统架构[J].电子测试,2003(11):46-54.

[6]尹勇.PCI总线设备开发宝典[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[7]李贵山,陈金鹏.PCI局部总线及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[8]马卫国,何佩琨.通用高速PCI总线目标模块的设计[J].电子技术应用,1999(25):13-16.

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[10]陈利学,孙彪,赵玉连.微机总线与接口设计[M].成都:电子科技大学出版社,1998.

[11]徐晓东,叶凤歧,李文.下一代总线标准PCI Express[J].内蒙古大学学报,2005,36(3):230-234.