基于CPCI总线CPU主控模块的设计与实现| 2010-07-20 11:30:47 | 阅读

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。


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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。


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