基于CPCI總線CPU主控模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)| 2010-07-20 11:30:47 | 閱讀

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在一些特定的條件(如惡劣環(huán)境、軍事應(yīng)用環(huán)境條件)下應(yīng)用的計(jì)算機(jī)比普通商用計(jì)算機(jī)一般在以下方面有更高、更嚴(yán)的要求：氣候、機(jī)械和電磁環(huán)境適應(yīng)性好，可靠性、可用性、可維修性好，可操作性、人機(jī)交互性能，體積小、重量輕、功耗低，可擴(kuò)展性、升級(jí)方便和使用周期長(zhǎng)。有時(shí)在一些應(yīng)用場(chǎng)合還會(huì)有一些特定要求，如對(duì)用戶接口種類和數(shù)量的要求等。

在很難找到滿足特定要求的商用計(jì)算機(jī)，即使利用成熟商用計(jì)算機(jī)進(jìn)行后天加固也難以滿足特定要求的情況下，為此需自行研制滿足特定要求的加固計(jì)算機(jī)。這里介紹加固計(jì)算機(jī)基于CPCI總線CPU主控模塊的設(shè)計(jì)方案。

Compact PCI(簡(jiǎn)稱CPCI)總線是“PCI總線工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商組織”推出的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，近年來(lái)應(yīng)用發(fā)展最為迅速。它由PC機(jī)上的通用總線PCI發(fā)展而來(lái)，既有PCI總線的高帶寬高性能、即插即用、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，又有無(wú)源背板總線VME總線的可靠性?；贑PCI總線的主控模塊主要完成通用的計(jì)算機(jī)主板功能，包括主處理器及相關(guān)的支持邏輯、主存儲(chǔ)器、PCI總線仲裁器、系統(tǒng)中斷控制器、PCI時(shí)鐘發(fā)生器及通用I／0接口(IDE、USB、PS／2鍵盤鼠標(biāo)等)功能，還集成了一片PCI-PCI橋PCI2050B，提供7個(gè)PCI外設(shè)卡的仲裁能力。

1 CPU主控模塊原理設(shè)計(jì)

基于CPCI總線的主控模塊設(shè)計(jì)主要采用2種方法：1)應(yīng)用器件組進(jìn)行系統(tǒng)板設(shè)計(jì)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是邏輯清晰，在功能不正常時(shí)可以更換器件使其正常工作，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)板抗震動(dòng)及機(jī)械沖擊性能更強(qiáng)；其缺點(diǎn)是難度大、開發(fā)周期長(zhǎng)，隨著CPU速度的提高，設(shè)計(jì)難度更大，并且難以購(gòu)買到溫度寬泛的芯片組。2)采用嵌入式CPU模塊。該模塊集成度高、體積小，它集成了計(jì)算機(jī)幾乎所有的功能，用戶根據(jù)具體任務(wù)的要求，只需對(duì)其沒有的功能在外部進(jìn)行擴(kuò)展就可以完成設(shè)計(jì)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期短，調(diào)試方便，易于升級(jí)，并且已有廠家提供溫度寬泛的嵌入式CPU模塊，也應(yīng)用在對(duì)環(huán)境要求比較苛刻的軍用領(lǐng)域。鑒于項(xiàng)目研發(fā)周期短，本設(shè)計(jì)采用第2種方法，基于CPCI總線主控模塊采用控創(chuàng)(Kontron)公司的ETX(Embedded Technology eXtended)PM模塊，并應(yīng)用PCI擴(kuò)展技術(shù)完成6U CPCI總線系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)。CPCI主控模塊組成框圖如圖1所示。

1．1 ETX模塊

ETX嵌入式計(jì)算機(jī)模塊具有完整的PC功能和高效的CPU性能，是一種高集成度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它采用的是x86 CPU。ETX PM的主頻為1．0～1．8 GHz，內(nèi)存可至1 GB。ETX結(jié)構(gòu)主板主要面向?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)系統(tǒng)板的設(shè)計(jì)者，它的核心理念是“把PC像器件一樣設(shè)計(jì)到客戶的目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)中”。在其114mm(長(zhǎng))x95 mm(寬)×16 mm(高)的尺寸上，集成了標(biāo)準(zhǔn)PC所有的功能，同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)PC架構(gòu)所具有的所有標(biāo)準(zhǔn)接口。

ETX模塊上包含了高性能x86系列的CPU器件組、南北橋、顯示器件、網(wǎng)絡(luò)器件、音頻控制器、Super I／0控制器等。背面采用高密度的表貼連接器，4x100引腳總線引腳定義PC的標(biāo)準(zhǔn)接口信號(hào)以及PCI和ISA信號(hào)等。在設(shè)計(jì)主控模塊時(shí)，在主控模塊上設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的4x100引腳插座，擴(kuò)展的I／0功能可通過總線上的PCI或ISA實(shí)現(xiàn)。每個(gè)連接器所提供的信號(hào)如下：

1)ETX連接器X1：PCI總線(32位)、USB、聲卡；2)ETX連接器X2：ISA總線(16位)；3)ETX連接器X3：VGA、LCD(LVDS)、COMl、COM2、IrD-A、鍵盤／鼠標(biāo)；4)ETX連接器X4：EIDE(×2)、以太網(wǎng)、電源管理等信號(hào)。

ETX：PM模塊向外只提供4個(gè)PCICLK和4對(duì)REQ#／GNT#信號(hào)，因此它只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)PCI功能設(shè)備，若要滿足CPCI總線主控模塊驅(qū)動(dòng)7個(gè)擴(kuò)展插槽的要求，可以通過在ETX PM模塊和CPCI系統(tǒng)總線連接器之間增加一個(gè)PCI-PCI總線橋來(lái)實(shí)現(xiàn)總線擴(kuò)展。PCI-PCI總線橋作為上一級(jí)總線的一個(gè)負(fù)載，而向下可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)總線段。ETX PM模塊可以在-40～85℃的條件下工作，而且ETX系列產(chǎn)品有較長(zhǎng)的生命周期，可互換。

1．2 PCI橋的設(shè)計(jì)

在本方案主控模塊的設(shè)計(jì)中，選用Tl(Texas Instruments)公司的工業(yè)級(jí)PCI-PCI橋器件PCI2050BI，它在2個(gè)32位最高工作頻率66 MHz的PCI總線之間提供橋連接。該橋支持突發(fā)模式(burst mode transfers)，極大增加了數(shù)據(jù)的吞吐量，橋的總線數(shù)據(jù)路徑(bustraffic paths)獨(dú)立工作。橋的主、從PCI總線分別可以工作在3．3 V或者5 V的工作環(huán)境下，橋的核心邏輯工作在3．3 V以減少功耗。PCI2050BI可以帶9個(gè)設(shè)備，除了為每個(gè)設(shè)備提供內(nèi)部仲裁，也可由系統(tǒng)提供外部仲裁。PCI2050BI提供lO個(gè)設(shè)備時(shí)鐘輸出。使用PCI2050BI生行PCI-PCI總線橋擴(kuò)展，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。