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CPCI總線(xiàn)簡(jiǎn)介 CPCI總線(xiàn)是一個(gè)開(kāi)放式、國際性技術(shù)標準，由PCI總線(xiàn)工業(yè)計算機制造商組織PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturer Group）負責制定和支持。CPCI總線(xiàn)具有嚴格的標準和規范，保證其具有良好的兼容性，支持多種處理器和操作系統，符合CPCI規范的擴展卡可插入任何CPCI系統并可靠地工作。CPCI標準將外設組件互連（PCI）標準特性與支持嵌入式應用的堅固機械外形完美結合在一起，其性能特征是專(zhuān)門(mén)針對工業(yè)環(huán)境而量身定制的。簡(jiǎn)單的說(shuō)：CPCI總線(xiàn)=PCI總線(xiàn)的電氣規范+標準針孔連接器+歐洲卡規范。CPCI基于ICMG2.0規范，其電氣特性與PCI總線(xiàn)相同，因此用戶(hù)的軟件和普通PC機兼容，現有的PCI外圍卡也可以很容易地移植到CPCI平臺上。CPCI使用高密度針孔總線(xiàn)連接器，和使用金手指連接器的PCI卡相比，具有連接更可靠，完全氣密的特點(diǎn)，模塊的抗震性和抗腐蝕性高。CPCI還支持熱插拔，即可在不關(guān)機狀態(tài)下插入或取出板卡。熱插拔的優(yōu)點(diǎn)在于能增強系統性能或診斷系統故障而無(wú)需關(guān)閉系統，這對很多應用來(lái)說(shuō)十分重要。 另外，CPCI在32位/33MHz系統中能夠提供132MB/s的背板傳輸能力，在64位/66MHz系統配置情況下的性能為528 MB/s。在對帶寬要求高的場(chǎng)合CPCI具有很強的優(yōu)勢。 除了上述所有的優(yōu)點(diǎn)，CPCI還具有非技術(shù)性的優(yōu)勢，即經(jīng)濟實(shí)用、可快速推向市場(chǎng)以及高可靠性。所以，在當今的工控、通信、軍事等諸多要求高可靠性領(lǐng)域中CPCI總線(xiàn)已經(jīng)取代了ISA、STD等其它總線(xiàn)，成為主流總線(xiàn)形式。 CPCI系統硬件方案概述 CPCI系統由機箱、電源、總線(xiàn)背板和功能單元組成。一般而言，CPCI機箱內部就帶有電源和總線(xiàn)背板，其中CPCI總線(xiàn)背板如圖1所示。 CPCI系統最多能加載的CPCI功能單元數取決于機箱所能提供的槽數n：一個(gè)CPCI系統由1個(gè)系統槽和(n-1)個(gè)外圍槽組成。在CPCI系統中，系統槽為系統提供仲裁、時(shí)鐘、中斷和復位功能，這些信號對總線(xiàn)上所有的功能單元起作用。 在這個(gè)CPCI系統中，我們研制的實(shí)際上是一塊功能單元板，其硬件框圖如圖2所示。 由于數字信號處理部分計算量大，且實(shí)時(shí)要求高，我們采用了FPGA和DSP協(xié)同處理數據的方案。在數字信號處理時(shí)，低層的信號預處理算法處理的數據量大，對處理的速度要求高，但運算結構相對簡(jiǎn)單，因而適于用FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現，相比之下，高層處理算法所處理的數據量相對較小，但算法的控制結構復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP芯片來(lái)實(shí)現。 CPCI總線(xiàn)控制以及通信協(xié)議十分復雜，一般需要選用專(zhuān)門(mén)的處理芯片。我們這里選用了PLX公司的PCI9054芯片，而電源管理選用了凌力爾特公司的LTC4240芯片。 CPCI總線(xiàn)接口設計 PCI總線(xiàn)接口的實(shí)現 設計PCI接口的實(shí)現通常有兩種方法：一種是用可編程器件FPGA或CPLD，另一種是用專(zhuān)用PCI接口芯片。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)：利用可編程器件自行設計PCI接口邏輯，可以根據具體的應用需要，優(yōu)化接口邏輯，靈活性是該方法最大的特點(diǎn)，且接口邏輯也可獲得較高的性能。但是由于PCI協(xié)議比較復雜，在具體的實(shí)現中也相當困難，并且各種邏輯關(guān)系驗證起來(lái)也很麻煩，有時(shí)會(huì )得不償失，把簡(jiǎn)單的設計變得復雜化了；而利用專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現PCI總線(xiàn)接口是一種能夠解決設計難點(diǎn)的有效方法。但是這種芯片必須具有較低的成本和通用性，而不限于插卡一側的特定處理器總線(xiàn)，能夠優(yōu)化數據傳輸，提供配置空間，具備片內FIFO功能（用于突發(fā)性傳輸）等。目前，很多半導體器件公司提供這類(lèi)專(zhuān)用芯片。如PLX開(kāi)發(fā)的PCI9030、PCI9054 和AMCC開(kāi)發(fā)的接口芯片S5933等。 比較以上兩種實(shí)現PCI接口的方案可知，用可編程邏輯器件能夠較靈活地實(shí)現所需要的功能，但為了達到PCI指標的苛刻要求，需要做大量的邏輯驗證和時(shí)序分析工作。采用PCI專(zhuān)用芯片，可以比較容易地實(shí)現PCI接口，大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，當然，由于廠(chǎng)家設計芯片時(shí)對通用性的考慮，在用戶(hù)需要的某個(gè)方面可能不是最好的，但綜合性能方面，采用專(zhuān)用芯片要比用可編程器件設計好得多。 我們最終選用了PLX公司的PCI9054芯片。 P CI9054是PLX公司生產(chǎn)的PCI總線(xiàn)通用接口芯片，采用先進(jìn)的PLX數據管道結構技術(shù)，符合PCIV2.1和V2.2規范。提供了兩個(gè)獨立的可編程DMA控制器。每個(gè)通道均支持塊和分散/集中的DMA方式：在PCI總線(xiàn)端支持32位/33MHz；本地端（local bus）可以編程實(shí)現8、16、32位的數據寬度，傳輸速率最高可達132MB/s。 PCI9054與DSP的接口 PCI9054作為一種橋接芯片在PCI總線(xiàn)和LOCAL總線(xiàn)之間提供傳遞消息，既可以作為兩個(gè)總線(xiàn)的主控設備去控制總線(xiàn)，也可以作為兩個(gè)總線(xiàn)的目標設備去響應總線(xiàn)。其本地總線(xiàn)可工作在M，C，J三種模式：M模式是專(zhuān)為Motorola公司的MCU設計的工作模式。C模式下9054芯片通過(guò)片內邏輯控制將PCI的地址線(xiàn)和數據線(xiàn)分開(kāi)，很方便地為本地工作時(shí)序提供各種工作方式，一般較廣泛應用于系統設計中。J模式是一種沒(méi)有Local Master的工作模式。它的好處是地址數據線(xiàn)沒(méi)有分開(kāi)，嚴格仿效PCI總線(xiàn)的時(shí)序。 由于DSP我們采用了TI公司的C6202，考慮到與DSP的擴展總線(xiàn)進(jìn)行接口，PCI9054的LOCAL總線(xiàn)選用了J模式。其連接如圖3所示。 這種連接方式十分方便，幾乎不需要加多少改動(dòng)，兩塊芯片就能互相通信。其部分引腳的邏輯轉換關(guān)系如圖4所示。 熱插拔電路設計 CPCI總線(xiàn)不同于PCI總線(xiàn)的最大特點(diǎn)是支持熱插拔（Hot Swap）。 熱插拔技術(shù)概述 CPCI熱插拔技術(shù)的基本目的是在系統正常工作的同時(shí)，CPCI總線(xiàn)上插入或拔出插件板，完成故障插件板的更換與計算機系統的重新配置。熱插拔技術(shù)主要分為三種處理過(guò)程： 1）物理連接過(guò)程 熱插入——在工作著(zhù) CPCI總線(xiàn)上加入插件板。 熱拔出—— 在工作著(zhù) CPCI總線(xiàn)上移走插件板。 2）硬件連接過(guò)程 計算機系統在硬件上的電氣連接與斷開(kāi)。 3）軟件連接過(guò)程 計算機系統在軟件上的連接與斷開(kāi)。 這 些連接過(guò)程在系統中雖屬于不同的連接層，但是彼此相互關(guān)聯(lián)。例如：當物理連接不存在時(shí)，硬件連接層就不能產(chǎn)生電氣連接。而插件板從計算機系統的CPCI總線(xiàn)上拔出后，軟件與硬件連接將自動(dòng)斷開(kāi)。 熱插拔芯片介紹 LTC4240熱插拔控制器是凌力爾特公司研制的針對CPCI總線(xiàn)的熱插拔控制器，它使線(xiàn)路板能夠在帶電的CPCI總線(xiàn)插槽中安全地插入或拔出， 能控制全部4個(gè)CPCI電源，它使用兩個(gè)外部N溝道晶體管控制3.3V和5V電源，而±12V電源則由兩個(gè)片上開(kāi)關(guān)管調節。電子斷路器對所有4個(gè)電源進(jìn)行過(guò)流保護，“電源良好”輸出信號表明所有電源電壓都在正常容限之內，另外，LTC4240有 個(gè)內置的I 2 C總線(xiàn)兼容接口，從而可用軟件控制和監視器件功能及電源狀態(tài)。它還使用戶(hù)能夠開(kāi)啟或關(guān)閉器件、置位RESETOUT、開(kāi)啟狀態(tài)LED指示驅動(dòng)器以及不受±12V電源故障的影響。這個(gè)器件還可為I/O引腳提供預充電偏壓．以及通過(guò)將PCI_RST信號和HEALTHY信號整合來(lái)產(chǎn)生LOCAL_PCI_RST信號．并能滿(mǎn)足PCI定時(shí)要求，且不需要外部邏輯電路。其典型應用如圖5所示。
LTC4240工作過(guò)程 1）板卡插入過(guò)程 當板卡插入背板時(shí)，在CPCI接插件的防護地連接上，板卡上可能存在潛在的對地電壓放電。該熱插拔板將首先接觸到背板插件的長(cháng)針（+5V和地），即LTC4240的VCC管腳被加電，將對其后端電路進(jìn)行復位以關(guān)斷VGATE3/5輸出，從而禁止外部MOSFET管工作，并輸出1V參考電壓，此1V參考電壓對還未接觸到背板的I/O管腳加電，同時(shí)PWRGD#的輸出將被置高，接著(zhù)I/O管腳接觸到背板插針上，BD_SEL#管腳被主機置低，以確認板卡已經(jīng)被正確的插入,此時(shí)LTC4240控制的上電順序開(kāi)始。LTC4240通過(guò)控制VGATE3/5的輸出來(lái)打開(kāi)外部的MOSFET功率管。板卡上的電路都保持在復位狀態(tài)，直到5和3V電源電壓穩定，而且內部復位時(shí)間計時(shí)器達到一定時(shí)間時(shí)，復位信號停止，板卡進(jìn)入正常操作過(guò)程。 在 正常工作過(guò)程中，LTC4240將持續監控板卡的后端電壓，一旦電壓超過(guò)關(guān)斷電壓閾值，LTC4240將控制PWRGD#輸出為低，以使主機檢測到該信號并指示板卡電源有問(wèn)題。 2）板卡拔出過(guò)程 板卡拔出時(shí)，首先將BD_SEL#與地斷開(kāi)，LTC4240則立即關(guān)斷VGATE3/5輸出，并改變PWRGD#的狀態(tài)，同時(shí)將LOCAL_PCI_RST#輸出置低，并將總線(xiàn)I/O接口電路置為高阻態(tài)，這時(shí)電源依舊對I/O腳加電，以使總線(xiàn)從激活狀態(tài)平穩轉為非供電狀態(tài)。一旦I/O腳與背板插針斷開(kāi)，板卡上的電路和LTC4240將通過(guò)最后斷開(kāi)的長(cháng)針進(jìn)行最后的放電過(guò)程。 寄存器配置 設計好接口電路后，硬件設計工作還只完成了一半。由于PCI9054是通用PCI接口功能芯片，它的功能還不一定能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，所以還要進(jìn)行功能寄存器設置以使接口電路具有特定的功能。寄存器的配置包括EEPROM初始化、LOCAL功能寄存器和PCI配置寄存器的配置。 1）EEPROM初始化 在計算機的加電自檢期間，PCI總線(xiàn)的RST#信號復位，PCI9054內部寄存器的默認值作為回應。PCI9054輸出本地LRESET#信號并檢測串行EEPROM。如果串行EEPROM中的前33個(gè)比特不全為1，那么PCI9054確定串行EEPROM非空，用戶(hù)可通過(guò)向PCI9054的寄存器CNTRL的29位寫(xiě)1來(lái)加載EEPROM的內容到PCI9054的內部寄存器，配置的信息（設備識別號、供應商代碼號、Local總線(xiàn)三個(gè)空間的大小以及三個(gè)空間的基址等）事先要利用編程器寫(xiě)入配置存儲器中，也可以在主機的專(zhuān)用程序中對EEPROM進(jìn)行配置。 2）PCI配置寄存器的配置 配置PCI配置寄存器比較簡(jiǎn)單。主要是填寫(xiě)生產(chǎn)商ID號、器件ID號、類(lèi)碼子系統ID號和子系統生產(chǎn)商ID號。 3）本地配置寄存器的配置 對 于本地配置寄存器的配置就是對本地地址空間及其本地總線(xiàn)屬性的配置。這些配置要根據實(shí)際開(kāi)發(fā)的硬件板卡的硬件資源進(jìn)行配置。 設備驅動(dòng)程序的設計 在完成上述工作以后，還需在主控板（相當一臺高性能計算機）上完成設備驅動(dòng)程序。其關(guān)鍵是如何完成硬件操作，基本功能是完成設備的初始化、對端口的讀寫(xiě)操作、中斷的設置和響應及中斷的調用，以及對內存的直接讀寫(xiě)。在windows下有很多驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，只需根據硬件的具體情況，很方便就能完成驅動(dòng)程序的編制。 結束語(yǔ) 我們研制的設備實(shí)際上是一個(gè)通用硬件平臺，通過(guò)加載不同軟件，它需要完成很多復雜信號的檢測、解調等功能，由于受到硬件運算速度、存儲量等資源限制，這些信號處理僅靠底層的硬件電路（如DSP、FPGA）將很難滿(mǎn)足要求，這就需要傳給主控板處理；另外，考慮到應用的場(chǎng)合，CPCI總線(xiàn)系統很適合我們的要求，其接口設計就成為十分重要的部分，需要從軟硬件兩個(gè)方面全盤(pán)考慮、精心設計，才能達到預期目標。 |
