基于CPCI总线CPU主控模块的设计与实现

作者：时间：2010-07-05 来源：网络收藏

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。
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。