基于PI7C9X130的PCIE轉(zhuǎn)PCI電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林凡淼，雷淑嵐，陸曉峰，張 恒

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)(PCIE)是外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(PCI)的一種，且具有帶寬大、速度快、成本低等特點(diǎn)，因此越來越多的設(shè)備將PCI接口轉(zhuǎn)換成PCIE接口來使用[1]，但目前有的服務(wù)器主機(jī)上沒有設(shè)計(jì)PCI槽位，導(dǎo)致越來越多的PCI設(shè)備無用武之地。鑒于這種大量PCI設(shè)備因接口問題而無法使用的情況，眾多學(xué)者研究了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)及應(yīng)用，如單純的PCI交換技術(shù)[2]、基于PCI和PCIE的XMC/PMC載板設(shè)計(jì)[3]、PCIE總線及其交換技術(shù)[4]以及雙向PCI-PCIE橋接電路的驗(yàn)證技術(shù)[5]等，使PCIE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PCI進(jìn)行通信，可以在很大程度上節(jié)省投入的時(shí)間和成本，避免因接口不對(duì)而無法通信的局面，因此研究PCIE轉(zhuǎn)PCI總線高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)是很有必要的。

文獻(xiàn)[6-7]均為PCIE轉(zhuǎn)PCI總線的擴(kuò)展槽，主要針對(duì)服務(wù)器主機(jī)機(jī)箱空間限制及PCI插槽數(shù)量問題做的一種線纜擴(kuò)展裝置，該裝置無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和交互及對(duì)PCI卡槽工作模式的設(shè)置，并且只局限在機(jī)箱主板內(nèi)而無法應(yīng)用在其他場(chǎng)合。本文以PI7C9X130芯片為核心，選擇合適的通用器件來搭建外圍電路，設(shè)計(jì)PCIE轉(zhuǎn)PCI電路系統(tǒng)及簡(jiǎn)單有效的測(cè)試方法，配置完成后只需上電即可直接運(yùn)行，滿足數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2 交換電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)功能及測(cè)試要求，整個(gè)電路系統(tǒng)在一塊PCB板卡上實(shí)現(xiàn)，包括CPU、PCIE及PCI接口(上下游)模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊、CPLD模塊、基本模式配置模塊、EEPROM模塊等，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電路系統(tǒng)架構(gòu)

上游為PCIE X4金手指(定義為P3)，下游為2個(gè)PCI卡槽(定義為P1和P2)，通過基本模式配置電路對(duì)CPU相關(guān)管腳進(jìn)行配置，使CPU正常工作，給下游PCI卡槽提供數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸。下游的2個(gè)卡槽共享時(shí)鐘和數(shù)據(jù)且工作在相同的頻率，通過中斷及設(shè)備識(shí)別號(hào)(IDSEL)信號(hào)來區(qū)分。時(shí)鐘分2種方式給入CPU，一種由金手指(P3)直接給入，此方式稱為內(nèi)部時(shí)鐘輸入且頻率由CPU引腳配置；一種由33 MHz晶振通過CPLD配置時(shí)鐘管理芯片后給入，此方式稱為外部時(shí)鐘輸入，可輸出不同的時(shí)鐘頻率。電源模塊為整個(gè)電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定且干凈的電源輸入，保證整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定且高效。本文重點(diǎn)介紹幾個(gè)重要模塊的設(shè)計(jì)，模塊之間相互配合，使得PCIE轉(zhuǎn)PCI的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳遞高速、高效且穩(wěn)定。

2.1 PI7C9X130簡(jiǎn)介

本文采用Pericom公司的橋芯片PI7C9X130作為核心處理單元，該芯片具有高集成度、低功耗、小體積、低成本和外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)交換器等設(shè)備，擁有眾多工作模式及參數(shù)選擇，因此配置比較靈活方便。該橋芯片可支持下游最多7路PCI端口(本文只需2個(gè))且相互獨(dú)立，因此十分符合本文的設(shè)計(jì)架構(gòu)。其主要特征如下：

(1)支持PCIE-to-PCI橋規(guī)范1.0版本，PCIE基本規(guī)范1.1版本以及X4鏈接寬度(速率2.5 Gbit/s)，最大有效載荷512 Byte；

(2)支持PCI總線標(biāo)準(zhǔn)3.0版本，PCI-to-PCI橋體系結(jié)構(gòu)規(guī)范1.2版本，PCI-X補(bǔ)充協(xié)議2.0a，PCI熱插拔規(guī)范1.1版本，PCI中斷模式；

(3)支持正向或反向、透明橋或非透明橋、內(nèi)部仲裁或外部仲裁、時(shí)鐘頻率配置等工作模式；

(4)具有I2C、SM總線、JTAG等接口；

(5)典型功耗僅為1.5 W，且具有輔助電源系統(tǒng)，可有效保護(hù)芯片避免電流的沖擊影響；

(6)7個(gè)通用輸入/輸出引腳。

PI7C9X130配置寄存器完全與現(xiàn)有的PCI橋軟件及防火墻兼容，在原始操作中不需要對(duì)PCI橋軟件及防火墻進(jìn)行更改操作，因此減輕了工作量，應(yīng)用起來更加方便、快捷。

2.2 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

上游的PCIE端只需接金手指的時(shí)鐘差分對(duì)(REFCLKP/REFCLKN)即可，下游的PCI卡槽端時(shí)鐘來源是通過CPU時(shí)鐘輸入引腳CLKIN/M66EN(T6)來實(shí)現(xiàn)，分為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘，不同的模式(PCI/PCI-X)使用不同的時(shí)鐘來源。若要運(yùn)行在PCI模式則使用內(nèi)部時(shí)鐘頻率，通過CLKIN/M66EN(T6)、PCIXCAP(A4)和SEL100(E14)這3個(gè)引腳的配置來確定時(shí)鐘頻率并輸出至下游卡槽，通過配置可運(yùn)行在25～66 MHz不等。

若要運(yùn)行在PCI-X模式則使用外部時(shí)鐘電路，通過電路產(chǎn)生的時(shí)鐘接入CLKIN/M66EN(T6)即可，且輸出時(shí)鐘CLKOUT[0:6]中的某一根必須反饋到CPU的FBCLKIN(B4)引腳。時(shí)鐘電路采用33 MHz有源晶振接入ICS公司的可編程時(shí)鐘管理芯片ICS307-02，通過CPLD對(duì)其配置可輸出需要的時(shí)鐘頻率。該芯片通過時(shí)序來控制輸出頻率，最高可達(dá)200 MHz且在10 ms內(nèi)鎖定，工作高效穩(wěn)定，滿足電路功能需求。

為方便切換，相關(guān)引腳的高低電平配置利用撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。下游2個(gè)卡槽的時(shí)鐘線即CLKOUT0和CLKOUT1需等長(zhǎng)且各串聯(lián)1個(gè)22Ω電阻來保證信號(hào)質(zhì)量。

2.3 上下游接口模塊設(shè)計(jì)

上游的PCIE接口與CPU的連接有4對(duì)差分輸入信號(hào)、4對(duì)差分輸出信號(hào)、1對(duì)差分時(shí)鐘信號(hào)和1個(gè)復(fù)位信號(hào)，按照定義正確連接即可，在金手指的接收端和差分時(shí)鐘信號(hào)上必須放上隔離直流的電容(0.1μF，封裝0402)。SMBus接口和EEPROM接口通過0Ω電阻選焊的方式實(shí)現(xiàn)。

PRSNT1#、PRSNT2#和PRSNT3#是PCIE卡實(shí)現(xiàn)熱插拔機(jī)制的邊帶信號(hào)，因上游金手指寬度為X4，因此需將PRSNT1#和PRSNT3#短路連接，PRSNT2#可選擇懸空，這3個(gè)信號(hào)的金手指長(zhǎng)度要比其他信號(hào)的金手指長(zhǎng)度短一點(diǎn)，以便區(qū)分于其他重要信號(hào)。

下游的PCI接口與CPU的連接有64 bit數(shù)據(jù)線、控制線、中斷等，2個(gè)卡槽除了設(shè)備識(shí)別號(hào)(IDSEL)、仲裁號(hào)(REQ#)、總線使用權(quán)(GNT#)及時(shí)鐘線外均相同。2個(gè)卡槽的熱插拔機(jī)制邊帶信號(hào)均作上拉處理。

JTAG為可選信號(hào)，本文采用上游的JTAG信號(hào)預(yù)留接口而下游的JTAG信號(hào)均作上拉處理。為保證信號(hào)完整性和信號(hào)質(zhì)量，上下游總線均需符合標(biāo)準(zhǔn)的高速總線硬件設(shè)計(jì)規(guī)范，因此上游的發(fā)送端和接收端數(shù)據(jù)線阻抗控制在（85±8.5）Ω且等長(zhǎng)，時(shí)鐘阻抗控制在（100±10）Ω，下游的數(shù)據(jù)線阻抗控制在（65±6.5）Ω且等長(zhǎng)。

2.4 基本模式配置模塊設(shè)計(jì)

CPU支持多種配置方式，不同的配置方式有其相對(duì)應(yīng)的功能，因此在配置時(shí)要反復(fù)檢查是否正確，本文從CPU模式配置及下游PCI/PCI-X模式及其頻率配置兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。

本文所需的模式是支持I2C、透明橋、內(nèi)部仲裁、正向(PCIE-to-PCI)、支持熱插拔等，因此只需令相關(guān)引腳置高或置低即可，通過撥碼開關(guān)進(jìn)行配置，部分重要信號(hào)取值如表1所示。

下游卡槽所使用的PCI或PCI-X模式也需要配置，CPU的PCIXUP(B3)和PCIXCAP(A4)引腳通過1 kΩ電阻連接并使用56 kΩ電阻上拉，通過電阻和電容的不同組合方式來確定使用的是哪種模式(PCI模式、PCI-X 66 MHz模式、PCI-X 100 MHz或133 MHz模式)。若運(yùn)行在PCI-X 100 MHz或133 MHz模式，則由CPU的SEL100(E14)引腳的高低電平來確定，具體電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

表1 部分信號(hào)取值表

圖2 下游PCI卡槽模式選擇

通過對(duì)CPU的正確配置，整個(gè)電路系統(tǒng)工作正常，為數(shù)據(jù)交換提供了穩(wěn)定環(huán)境。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊分2路電源輸入，一路是5 V穩(wěn)壓電源，該電源接通后經(jīng)過2次LDO芯片[8]將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.8 V供CPLD使用，通過LED燈來判定CPLD是否工作正常，該路電源僅調(diào)試CPLD的功能。另一路為金手指輸入，金手指可提供12 V和3.3 V電源，而下游PCI卡槽需±12 V、3.3 V和5 V，因此3.3 V和12 V由金手指直接獲取，而-12 V則通過電平轉(zhuǎn)換芯片LT1054CDWR將12 V轉(zhuǎn)換得到。CPU有I/O口、內(nèi)核、PLL及模擬和數(shù)字共10種電源，可分為4個(gè)功能模塊。為了有效區(qū)分這4個(gè)功能模塊，采用BGA封裝且有4路輸出的DC-DC電源芯片LTM4644來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換及供給，CPLD控制每路的使能(高電平有效)，每路的輸出電流可達(dá)4 A且轉(zhuǎn)換效率在90%以上，可通過匹配電阻和啟動(dòng)電容來調(diào)節(jié)輸出電壓及上電時(shí)間(本文默認(rèn)0.1μF，上電時(shí)間大約20 ms)，滿足電源功能需求。

由于下游卡槽有3.3 V和5 V兩個(gè)電壓環(huán)境(SVIO)，因此做了可選擇性設(shè)計(jì)即通過0Ω來選擇電壓環(huán)境，這樣可兼容不同電壓環(huán)境的PCI設(shè)備。整個(gè)電源模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示。

通過該電源方案，將CPU及外圍器件的電源根據(jù)模塊不同層層分開，各電源獨(dú)立工作，模擬和數(shù)字互不干擾，可大大降低串?dāng)_的風(fēng)險(xiǎn)，減少各功能模塊的電源壓力，提高工作效率。

圖3 電源模塊設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.6 整板PCB設(shè)計(jì)

將各個(gè)模塊整合在一塊PCB上進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終實(shí)物如圖4所示。在PCB布線方面，從金手指出來的信號(hào)走差分對(duì)接入PI7C9X130的PCIE接口，隔離直流電容要盡量靠近金手指，出來的時(shí)鐘線接入下游的PCI卡槽必須等長(zhǎng)，且盡量敷銅把時(shí)鐘線保護(hù)起來，反饋于FBCLKIN引腳的時(shí)鐘線要比接入下游卡槽的時(shí)鐘線長(zhǎng)大約2.5 mm。

圖4 整板PCB實(shí)物

在板厚和板層方面，由于有金手指，所以采用標(biāo)準(zhǔn)板（厚1.6 mm）。該板有較多的差分對(duì)信號(hào)且PCIE信號(hào)為高速信號(hào)，因此板層不宜較多(本文為10層)，否則會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

在方便調(diào)試方面，在板中一些重要的信號(hào)或引腳上設(shè)置測(cè)試點(diǎn)(尤其是時(shí)鐘和電源)，方便后續(xù)調(diào)試。對(duì)于BGA封裝的元器件盡量多扇出，這樣可以方便飛線進(jìn)行連接。

3 電路測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

上游為X4通道的PCIE金手指，用于接入宿主處理器系統(tǒng)(Linux系統(tǒng))的PCIE總線，下游為2個(gè)PCI(64 bit)卡槽，能夠插入任意PCI設(shè)備。將PCB板插入PC機(jī)或其他處理器主板的PCIE插槽上，下游卡槽分別插入一個(gè)PCI千兆網(wǎng)卡(BCM5704)，再將測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)端口與外部測(cè)試電腦的網(wǎng)口通過網(wǎng)線全部接入網(wǎng)絡(luò)交換器，構(gòu)成測(cè)試環(huán)境，如圖5所示。

圖5 板卡測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境搭建完成后，按照如下步驟進(jìn)行測(cè)試：

(1)在宿主處理器系統(tǒng)內(nèi)通過掃描總線上掛載的全部設(shè)備列表，測(cè)試硬件掛載是否成功；

(2)下游卡槽在不同工作模式下通過外部測(cè)試電腦PC2對(duì)宿主處理器系統(tǒng)PC1進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)ping包，統(tǒng)計(jì)ping包的傳輸時(shí)間及丟包率，驗(yàn)證電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)3.1節(jié)的介紹搭建好測(cè)試環(huán)境，在PC1上使用lspci命令掃描設(shè)備，掃描到的設(shè)備如圖6所示，可以看到掃描到橋芯片PI7C9X130及網(wǎng)卡BCM5704。

掛載成功后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)ping包，并通過跳線及撥碼開關(guān)來選擇下游卡槽的不同工作模式，查看其性能指標(biāo)，在這里網(wǎng)絡(luò)ping包的量級(jí)統(tǒng)一使用115200，運(yùn)行30 min后統(tǒng)計(jì)傳輸時(shí)間及丟包率，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖6 設(shè)備掛載

表2 下游卡槽不同工作模式下ping包性能

無論是PCI模式還是PCI-X模式均能上下游ping通，且隨著傳輸速率的增加，傳輸時(shí)間及丟包率均有一定的增加，但均小于10 ms和5×10-4，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。因UDP協(xié)議在高速數(shù)據(jù)傳輸過程中會(huì)有少量丟包的情況，因此該電路系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均在可接受范圍內(nèi)且工作比較穩(wěn)定。P2卡槽的情況與P1類似，不再贅述。將本文與文獻(xiàn)[3]所設(shè)計(jì)的PCIE轉(zhuǎn)PCI橋電路系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比(僅列舉幾個(gè)重要模塊設(shè)計(jì))，如表3所示。

表3 與文獻(xiàn)[3]的電路系統(tǒng)對(duì)比

在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，本文涉及的元器件較少且設(shè)計(jì)更加合理和科學(xué)，采用靈活配置的多種方式可在不同工作環(huán)境下選擇；在結(jié)果方面，文獻(xiàn)[3]采用FPGA模擬數(shù)據(jù)存入，最后用示波器來觀察其輸出波形，本文可在不同模式下進(jìn)行ping包來測(cè)試性能，覆蓋面更廣且更接近實(shí)際應(yīng)用，因此本文設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)具有更好的實(shí)際工程價(jià)值。

綜上所述，該電路系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期功能及穩(wěn)定性指標(biāo)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于PI7C9X130的PCIE轉(zhuǎn)PCI的電路系統(tǒng)且集成于一塊PCB上，通過搭建測(cè)試環(huán)境，根據(jù)測(cè)試步驟進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定。從網(wǎng)絡(luò)ping包的情況來看，UDP協(xié)議在數(shù)據(jù)包較大且高速傳輸下會(huì)存在一定的丟包率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的增加會(huì)有些延遲及丟包率，但滿足傳輸時(shí)間小于10 ms、丟包率小于5×10-4的設(shè)計(jì)指標(biāo)，符合設(shè)計(jì)要求；從設(shè)計(jì)復(fù)雜度和合理性情況看，外圍電路較簡(jiǎn)單，所需器件較少且多處做了可選擇性設(shè)計(jì)，方便按需切換。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)PCIE對(duì)PCI的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換且高效穩(wěn)定，但在較苛刻的工作模式下仍有一定的丟包率，因此可繼續(xù)優(yōu)化電路方案及PCB布局布線，選用性能更優(yōu)的元器件，進(jìn)一步提高可靠性。