基于CPCI总线CPU主控模块的设计与实现

在一些特定的条件(如恶劣环境、军事应用环境条件)下应用的计算机比普通商用计算机一般在以下方面有更高、更严的要求：气候、机械和电磁环境适应性好，可靠性、可用性、可维修性好，可操作性、人机交互性能，体积小、重量轻、功耗低，可扩展性、升级方便和使用周期长。有时在一些应用场合还会有一些特定要求，如对用户接口种类和数量的要求等。

在很难找到满足特定要求的商用计算机，即使利用成熟商用计算机进行后天加固也难以满足特定要求的情况下，为此需自行研制满足特定要求的加固计算机。这里介绍加固计算机基于CPCI总线CPU主控模块的设计方案。

Compact PCI(简称CPCI)总线是 “PCI总线工业计算机制造商组织”推出的一种工业计算机总线标准，近年来应用发展最为迅速。它由PC机上的通用总线PCI发展而来，既有PCI总线的高带宽高性能、即插即用、价格低廉等诸多优点，又有无源背板总线VME总线的可靠性。基于CPCI总线的主控模块主要完成通用的计算机主板功能，包括主处理器及相关的支持逻辑、主存储器、PCI总线仲裁器、系统中断控制器、PCI时钟发生器及通用I/0接口(IDE、USB、PS/2键盘鼠标等)功能，还集成了一片PCI-PCI桥PCI2050B，提供7个PCI外设卡的仲裁能力。

1 CPU主控模块原理设计

基于CPCI总线的主控模块设计主要采用2种方法：1)应用器件组进行系统板设计。这种方法的优点是逻辑清晰，在功能不正常时可以更换器件使其正常工作，设计出的系统板抗震动及机械冲击性能更强;其缺点是难度大、开发周期长，随着CPU速度的提高，设计难度更大，并且难以购买到温度宽泛的芯片组。2)采用嵌入式CPU 模块。该模块集成度高、体积小，它集成了计算机几乎所有的功能，用户根据具体任务的要求，只需对其没有的功能在外部进行扩展就可以完成设计。这种方法的优点是设计和生产周期短，调试方便，易于升级，并且已有厂家提供温度宽泛的嵌入式CPU模块，也应用在对环境要求比较苛刻的军用领域。鉴于项目研发周期短，本设计采用第2种方法，基于CPCI总线主控模块采用控创(Kontron)公司的ETX(Embedded Technology eXtended)PM模块，并应用PCI扩展技术完成6U CPCI总线系统板的设计。CPCI主控模块组成框图如图1所示。

1.1 ETX模块

ETX嵌入式计算机模块具有完整的PC功能和高效的CPU性能，是一种高集成度的计算机系统，它采用的是x86 CPU。ETX PM的主频为1.0～1.8 GHz，内存可至1 GB。ETX结构主板主要面向专用计算机系统板的设计者，它的核心理念是“把PC像器件一样设计到客户的目标应用系统中”。在其114mm(长)x95 mm(宽)×16 mm(高)的尺寸上，集成了标准PC所有的功能，同时提供标准PC架构所具有的所有标准接口。

ETX模块上包含了高性能x86系列的CPU器件组、南北桥、显示器件、网络器件、音频控制器、Super I/0控制器等。背面采用高密度的表贴连接器，4x100引脚总线引脚定义PC的标准接口信号以及PCI和ISA信号等。在设计主控模块时，在主控模块上设计对应的4x100引脚插座，扩展的I/0功能可通过总线上的PCI或ISA实现。每个连接器所提供的信号如下：

1)ETX连接器X1：PCI总线(32位)、USB、声卡;2)ETX连接器X2：ISA总线(16位);3)ETX连接器X3：VGA、LCD(LVDS)、COMl、COM2、IrD-A、键盘/鼠标;4)ETX连接器X4：EIDE(×2)、以太网、电源管理等信号。

ETX：PM模块向外只提供4个PCICLK和4对REQ#/GNT#信号，因此它只能驱动4个PCI功能设备，若要满足CPCI总线主控模块驱动7个扩展插槽的要求，可以通过在ETX PM模块和CPCI系统总线连接器之间增加一个PCI-PCI总线桥来实现总线扩展。PCI-PCI总线桥作为上一级总线的一个负载，而向下可以驱动一个总线段。ETX PM模块可以在-40～85℃的条件下工作，而且ETX系列产品有较长的生命周期，可互换。

1.2 PCI桥的设计

在本方案主控模块的设计中，选用Tl(Texas Instruments)公司的工业级PCI-PCI桥器件PCI2050BI，它在2个32位最高工作频率66 MHz的PCI总线之间提供桥连接。该桥支持突发模式(burst mode transfers)，极大增加了数据的吞吐量，桥的总线数据路径(bustraffic paths)独立工作。桥的主、从PCI总线分别可以工作在3.3 V或者5 V的工作环境下，桥的核心逻辑工作在3.3 V以减少功耗。PCI2050BI可以带9个设备，除了为每个设备提供内部仲裁，也可由系统提供外部仲裁。PCI2050BI提供lO个设备时钟输出。使用PCI2050BI生行PCI-PCI总线桥扩展，其设计框图如图2所示。

本系统设计主要包括：

1)PCI2050BI有2个独立的时钟域，主接口受主侧输入时钟P_CLK的控制，从接口受从侧输入时钟S_CLK的控制。这2个时钟可以相互独立，但必须保持同步，P_CLK与S_CLK的最大延时不得超过7 ns，S_CLK不能超前P_CLK;

2)PCI2050BI的从侧输出时钟，每个时钟只能驱动1个负载;

3)PCI2050BI的从侧有10个时钟输出S_CLK[9：0]，其中的9个可以供给扩展的PCI槽，另一个S_CLK0UT9信号必须反馈给从总线的输入时钟S_CLK;

4)为了减小时钟的信号反射，输出到扩展槽的9个CLK必须在始端加串联电阻匹配，匹配电阻阻值与电路板特征阻抗大小有关.对65 Ω的传输线，选用50 ΩQ串联匹配电阻;

5)CPCI主控模块上的PCI从总线控制信号必须进行上拉，保证在没有设备使用时能保持稳定。这些信号包括：FRAME#，IRDY#，TRDY#，STOP#，DEVSEL#，PERR#，SERR#，L0CK#，INTA#～INTD#。电阻的大小根据设备的负载而定，本设计中电阻值使用典型值8.2 kΩ;

6)为了减少主控模块对底板的影响，除了CLK、REQ#和GNT#信号外，其他PCI信号都要串接10 Ω的终端匹配电阻;

7)要正确设置总线的信号环境。ETX PM的PCI总线信号环境为3.3 V，设计时，将PCI2050BI的P_VCCP连接到3.3 V;S_VCCP联接到背板的VIO上，根据背板VIO电压的设置，可能是3.3 V或5 V，由此完成对信号环境的设置。[!--empirenews.page--]

1.3 IDE接口

在基于CPCI总线的主控模块上，扩展1个32GBr的宽温电子硬盘，采用IDE接口，作为操作系统或应用程序的存储空间。集成驱动器电路 (IDE)适用于任何具有集成(内置)磁盘控制器的驱动器。IDE设备一般包括硬盘、光驱等。因为本设计的CPU主控模块主要应用于恶劣环境下的计算机中，电子盘的工作温度和抗振性要远远好于普通硬盘，所以系统引导时在基于CPCI总线的主控模块上扩展1个32 GB的宽温电子硬盘。ETX模块提供2个IDE通道(PRAMARY IDE和SEC0NDARY IDE)，每个通道可以连接2个IDE设备。普通IDE设备的接口一般为40引脚的信号接端口，IDE设备的供电由另外一个单独的电源接口提供。而电子盘的IDE接口一般为44引脚，前40引脚与普通IDE设备接口的定义一致，最后4引脚为电子盘的供电接口，电子硬盘只使用5 V电源。所以本设计中将PRIMARYIDE-44引脚的接口形式置于CPU主控模块上，用于连接电子硬盘作为系统盘使用。SECONDARY IDE通过后走线板接口P2到后走线板上，用于连接普通硬盘或光驱。

2 PCB布局

2.1 元器件封装选择

本设计中所有电子元器件都采用表贴元件，电阻、电容大部分采用0603的封装，并且大量使用电阻排。由于只在表面焊接，不需要钻孔，体积小、功耗小、节省了印制板空间，简化了整版的布局和走线。

2.2 PCB层数选择

本次设计选择制作8层的PCB板。CPCI板卡的总线标准连接器引脚间距为2.0 mm，焊盘孔径为0.6 mm，焊盘直径为1.1 mm，所以两焊盘之间走线空间仅为0.9 mm，线宽为6 mil，线间距6 mil的线单层只能走2根，而CPCI总线连接器单排有5个引脚，即必须走5根线，所以信号层不能少于3层。对于主控模块其主要供电为3.3 V和5 V两种。为了保证信号层和电源层的对称性，同时考虑到此板的复杂性和信号的完整性，将信号层设计为4层，地平面和电平面分别设计为2层。印制板最终的层分布设计依次为：顶层信号层、地层l、内信号层1、3.3 V电层、地层2、内信号层2、5 V电层、底层信号层。

2.3 PCB布线

在CPCI主控模块的设计和布线过程中，严格遵循PCI2.1规范和PICMG2.0R3.0规范，使用符合IEC-1076国际标准的高精度、屏蔽型、针孔式的CPCI连接器。主控模块上的5个CPCI连接器J1，J2，J3，J4，J5中，J1，J2连接器用来连接PCI总线信号，而 J3，J4，J5连接器用来扩展系统板的IO信号。设计完成的主控模块可以驱动7个CPCI扩展插槽。

在进行CPCI主控模块PCB布局和布线设计时，其设计要点如下：

1)ETX模块的PCICLK到PCI2050BI主总线的时钟P_CLK信号传输线长度必须为8.7±0.1 inch;

2)为减小CPCI底板总线上时钟之间的偏移(skew)，必须将PCI2050BI从总线的S_CLKOUT9信号必须反馈给从总线的S_CLK，PCI2050BI供给扩展槽的9根时钟线(9个S_CLKOUT)与S_CLK必须等长;

3)对PCI2050BI的每个电源引脚提供1个0.1μF的高速去耦电容，并且在布线时尽量靠近PCI2050BI的电源引脚;

4)在主控模块布线时，让PCI2050B尽量靠近Jl和J2连接器，使PCI总线信号到连接器距离尽量的短;

5)根据CPCI规范，PCI总线信号线的10 Ω终端匹配电阻应该设置在信号的连接器引脚的15.2 mm之内，这些总线信号包括 AD0～AD31，C/BE0#～C/BE3#，PAR，FRAME#，IRDY#，TRDY#，STOP#，L0CK#，IDSEL，DEVSEL#，PERR#，SERR# 和RST#;

6)网口信号和USB信号属于差分信号，在印制板上走线时要应用差分线，对于网口信号TX+和TX-，RX+和RX-要使用差分线对，对于USB信号USB+和USB-要使用差分线对;

7)IDE信号线要尽量等长，以保证传输质量;

8)PCI信号线都要进行阻抗控制，阻抗为65Ω±10%。

3 结束语

CPCI总线是高速同步共享总线，而ETX模块具有强大的性能、高可靠性、灵活的结构、优良的可扩展性以及尺寸小巧等特点，它为6U的基于CPCI总线的主控模块的快速自行研制提供了解决方案。通过深入分析CPCI总线特性，深刻理解高频数字电路设计方法，已成功研制出基于CPCI总线主控模块。经综合测试和实际应用验证表明，该模块已达到了系统要求的性能指标，系统工作稳定，各接口应用正常。