如何給PCI卡選用合適的總線控制器

摘要：面對(duì)眾多的、性能各有千秋的同類產(chǎn)品，如何取舍，如何在設(shè)計(jì)中選用合適的器件，往往是設(shè)計(jì)者尤其是新手們躊躇的事情。本文分析在檢測(cè)設(shè)備中設(shè)計(jì)PCI總線接口卡時(shí)如何選擇適合的PCI控制器總是；分別介紹幾種符合PCI2.2協(xié)議的新型PCI總線橋接器：AMCC5920、CY70944PV-AC、PCI9030、PCI9054、PCI9056，同時(shí)給出其結(jié)構(gòu)框圖。在比較它們各自的特性后，提出自己的方案選擇。

關(guān)鍵詞：PCI總線 接口卡 AMCC5920 CY7C9449PV-AC PCI9030 PCI9054 PCI9056

引言

現(xiàn)要研制一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備，采用工控機(jī)結(jié)構(gòu)。需要設(shè)計(jì)一個(gè)將上位機(jī)與DSP、DDS等功能單元（做成擴(kuò)展卡插在擴(kuò)展槽中）連接起來(lái)的模塊單元（即用來(lái)傳輸控制命令、狀態(tài)和信號(hào)數(shù)據(jù)的接口部件）。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)擴(kuò)展接口之前，首先考慮的是采用哪種總線形式。PCI總線是Intel公司推出的一種高性能局部總線，它的主要特點(diǎn)是：①具有地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用的高性能32位或64位的同步總線?？偩€引腳數(shù)目和部件數(shù)量少（對(duì)于總線目標(biāo)設(shè)備只有47根信號(hào)線，對(duì)于主設(shè)備最多只有49根信號(hào)線），降低了成本及布線復(fù)雜度。②PCI局部總線在33MHz總線時(shí)鐘、32位數(shù)據(jù)通路時(shí)，可達(dá)到峰值132Mbit/s的帶寬；在33MHz總線時(shí)鐘，64位數(shù)據(jù)通路時(shí)可達(dá)到峰值264Mbit/s的帶寬；在66MHz主頻時(shí)，對(duì)于32位數(shù)據(jù)通路和64位數(shù)據(jù)通路帶寬的峰值，可分別達(dá)到264Mbit/s或528Mbit/s的帶寬；PCI總線還有線性突發(fā)傳輸功能，保證了滿載的高速傳輸。③PCI總線的設(shè)計(jì)是獨(dú)立于處理器的，可以方便地符合PCI規(guī)范的微機(jī)和工作站系統(tǒng)中進(jìn)行硬件移植，目前已成為嵌入式系統(tǒng)的局部總線之一。④隱蔽的總線仲裁，減小了仲裁開銷。⑤極小的存取延時(shí)，采用總線多主控和異步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移操作。⑥PCI提供的數(shù)據(jù)和地址奇偶校驗(yàn)功能，保證數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性。⑦PCI總線與CPU和時(shí)鐘頻率無(wú)關(guān)，它能支持多個(gè)外設(shè)，設(shè)備間通過(guò)局部總線可以完成數(shù)據(jù)快速傳遞，從而很好地解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問(wèn)題。⑧對(duì)PCI擴(kuò)展卡及元件，能夠自動(dòng)配置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的即插即用。由于使用方便、靈活、產(chǎn)品壽命長(zhǎng)，目前PCI總線產(chǎn)品與其它的總線標(biāo)準(zhǔn)相比具有茂大優(yōu)越性和更為廣闊的應(yīng)用前景。我們決定采用1個(gè)PCI總線的控制器來(lái)完成這個(gè)適配卡的設(shè)計(jì)。通過(guò)這一適配卡的連接，將信號(hào)、數(shù)據(jù)通過(guò)工控機(jī)內(nèi)的總線插槽傳到各個(gè)功能模塊中。

1 芯片選擇

目前，PCI總線接口電路主要有2種選擇：PCI專用芯片組（又稱橋接電路）或PLD。PCI總線協(xié)議較復(fù)雜，設(shè)計(jì)PCI控制接口難度較大，對(duì)于產(chǎn)品不大又有時(shí)限的工程項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，成本較大；而通用的PCI接口芯片功能全而強(qiáng)大（例如FIFO速度快、容量大，可支持DMA方式等），它實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)范所要求的所有硬件接口信號(hào)和配置空間寄存器，能夠減少開發(fā)時(shí)間和成本，并獲得較好的數(shù)據(jù)傳輸性能。所以決定采用已有的橋接電路。PCI總線橋接器又分主控設(shè)備（master）和目標(biāo)設(shè)備（target）兩大類。主控設(shè)備可以控制總線驅(qū)動(dòng)地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)；目標(biāo)設(shè)備不能啟動(dòng)總線操作，只能依賴于主控設(shè)備從其中讀取或向其傳送數(shù)據(jù)。以下針對(duì)當(dāng)前的一些較新推出的產(chǎn)品作一些介紹和比較。

1.1 目標(biāo)設(shè)備

這是一款采用SMARTarget技術(shù)的32位、33MHz的PCI目標(biāo)接口芯片。是目前PLX公司推出的最高級(jí)通用PCI目標(biāo)設(shè)備。它完全符合PCI2.2規(guī)范，并且是業(yè)界提供的第1個(gè)支持CompactPCI、熱交換規(guī)范PICMG2.1的產(chǎn)品。

①特色。32位、33MHz目標(biāo)接口支持上至132MB/s的突發(fā)傳送；局部總線操作速度最高達(dá)60MHz，支持突發(fā)傳送達(dá)240MB/s；PCI目標(biāo)讀預(yù)取、延遲寫模式。PCI突發(fā)傳輸長(zhǎng)度可編程；支持5個(gè)局部地址空間到PCI總線地址空間映射（空間0、1、2、3、4以及1個(gè)擴(kuò)展的ROM）；傳輸?shù)却芷?、總線寬度可編程；提供4個(gè)片選信號(hào)（沒(méi)有譯碼邏輯，局部器件減少）、9個(gè)可編程通用I/O；可編程對(duì)局部總線讀寫門信號(hào)；全面支持PCI2.2規(guī)范中的關(guān)鍵產(chǎn)品數(shù)據(jù)（vital product data），包含一些新的功能結(jié)構(gòu)，為用戶或系統(tǒng)定久的參數(shù)或配置數(shù)據(jù)提供了一個(gè)靈活的存取方式；包含2個(gè)可編程FIFO（PCI目標(biāo)讀FIFO深度為16個(gè)長(zhǎng)字、PCI目標(biāo)寫FIFO深度為32個(gè)長(zhǎng)字）。PCI9030還提供了1個(gè)PCI時(shí)鐘的緩沖輸出，可用來(lái)作為局部總線的輸入時(shí)鐘；封裝為176腳PQFP以及180腳uBGA。

②兼容性。PCI9030的引腳與9050、9052、9054、9080均不兼容，只兼容9050、9052的寄存器，并提供了某些寄存器新的位定義和若干新的寄存器定義；但與9054以及9080的寄存器不兼容。PCI9030可廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)、通信、圖像及海量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中。它易于將已有的其它總線設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到PCI總線的設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)周期，且其豐富的外部接口大節(jié)省了制板空間。

（2）AMCCS5920

AMCCS5920（簡(jiǎn)稱S5920）是AMCC公司新近推出的一種PCI總線目標(biāo)接口芯片，從其功能來(lái)看，可被視作是S5933的子集。與后者相比，S5920減少了總線主控的功能，其它性能相仿，甚至有所增強(qiáng)；而價(jià)格卻降低了很多，因此，在很多無(wú)需進(jìn)行總線主控的場(chǎng)合，采用S5920完成設(shè)計(jì)能取得更高的性能價(jià)格比。其主要性能如下：符合PCI2.2標(biāo)準(zhǔn)；最高傳輸速率132MB/s；可編程的預(yù)取長(zhǎng)度和等待周期；4個(gè)32位讀寫FIFO的直通通道；外加總線可工作于主動(dòng)或被動(dòng)狀態(tài)；支持即插即用；支持串行NVRAM和可選的外部BIOS配置；160腳PQFP封裝。

S5920提供了3個(gè)物理總線接口：PCI總線接口、外加總線接口和外部非易失性存儲(chǔ)器接口。PCI總線接口與主機(jī)板的PCI總線擴(kuò)展槽連接，外加總線接口與外部功能設(shè)備連接，非易失性存儲(chǔ)器接口與配置存儲(chǔ)器連接；符合I2C串行總線標(biāo)準(zhǔn)，配置存儲(chǔ)器通常是串行E2PROM，容量從128字節(jié)到65 526字節(jié)；數(shù)據(jù)傳送在PCI總線與外加總線之間進(jìn)行。與S5933一樣，S5920為設(shè)計(jì)者提供了與PCI總線相邊的靈活易用的方式。通過(guò)S5920，復(fù)雜的PCI總線被轉(zhuǎn)換成易于使用的8/16/32位用戶部，即外加總線。S5920有信箱和直通通道2種傳輸方式，并為2種方式提供了完備的操作寄存器完成各種定義和設(shè)置。

1.2 主控設(shè)備

（1）PCI9054

PCI9054是由美國(guó)PLX公司生產(chǎn)的先進(jìn)的PCI I/O加速器，采用了先進(jìn)的PLX數(shù)據(jù)流水線結(jié)構(gòu)技術(shù)，是32位、33MHz的PCI總線主I/O加速器；符合PCI本地總線規(guī)范2.2版，突發(fā)傳輸速率達(dá)到132MB/s，本地總線支持復(fù)用/非復(fù)用的32位地址/數(shù)據(jù)；有M、C、J三種模式；針對(duì)不同的處理器及局總線特性可選，盡量減少中間邏輯；具有可選的串行E2PROM接口，本地總線時(shí)鐘可和PCI時(shí)鐘異步。PC9054內(nèi)部有6種可編程的FIFO，以實(shí)現(xiàn)零等待突發(fā)傳輸及本地總線和PCI總線之間的異步操作；支持主模式、從模式、DMA傳輸方式，因其強(qiáng)大的功能可應(yīng)用于適配卡和嵌入式系統(tǒng)中。PCI 9054是一種性比高的PCI橋路芯片，比PCI9080、PCI9050等性能更優(yōu)越。

（2）PCI9056

具有32位、66MHz的PCI總線以及局部總線操作，是目前最先進(jìn)的32位通用主控芯片；內(nèi)部還是基于原有的9054技術(shù)架構(gòu)。與9054相比，有以下特點(diǎn)：a.含有1個(gè)PCI仲裁器，支持7個(gè)外部主控設(shè)備，針對(duì)Compact PCI（含有7個(gè)插槽）的設(shè)計(jì)是足夠了。B.2個(gè)獨(dú)立的DMA通道：每個(gè)通道含有1個(gè)雙向的深度為64長(zhǎng)字（256字節(jié)）的FIFO。C.差分讀寫數(shù)據(jù)。d.用有效位旗語(yǔ)描述符控制動(dòng)態(tài)DMA振鈴管理。e.增強(qiáng)的M模式功能，能提供PowerQUICC超出原有16字節(jié)長(zhǎng)度限制的突發(fā)傳送。f.對(duì)于主控方式，有2個(gè)獨(dú)立的讀（32長(zhǎng)字）寫（64長(zhǎng)字）FIFO；對(duì)于目標(biāo)模式，也有2個(gè)響應(yīng)同樣深度的FIFO；并有可編程的讀信號(hào)超過(guò)報(bào)告及其恢復(fù)。g.符合PICMG 2.1熱交換技術(shù)規(guī)范，包括電壓偏移容錯(cuò)、預(yù)充電功能與預(yù)置不支持響應(yīng)功能，支持PCI電源管理rl.1，含有D3cold電源事件中斷，符合Windows 98和Windows2000系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，h.可應(yīng)用于嵌入式主機(jī)的復(fù)位和中斷引腳設(shè)置功能。i.JTAG邊界掃描。j.256-FPBGA封裝（17mm17mm，1.0mm），2.5V的CMOS芯核電壓，對(duì)3V和5V的I/O信號(hào)電平容錯(cuò)。

PCI9056與9054的寄存器兼容，易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的平滑轉(zhuǎn)換。

（3）CY7C09449PV

CY7C09449PV-AC是Cypress公司提供的符合PCI2.2總線規(guī)范的功能完善、價(jià)格低廉的雙端口RAM接口芯片。其中一個(gè)端口是PCI接口，適合與PC機(jī)通信；另一個(gè)端本地接口，適合與各類本地CPU通信，其總線通信時(shí)鐘速率可達(dá)50MHz，2個(gè)端口均可以獨(dú)立讀/寫靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM。其主要特點(diǎn)如下：a.完全兼容PCI規(guī)范2.2版;b.128Kbit雙向靜態(tài)SRAM；c.可作為主/從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，支持PCI突發(fā)方式及DMA操作；d.具有I2O（智能輸入/輸出）功能，當(dāng)I/O單元工作時(shí)包含4組32位FIFO、終端寄存器及部分SRAM用于一般存儲(chǔ)目的；e.可作為主橋接口；f.單一3.3V電源供電，對(duì)3V、5V信號(hào)電平容錯(cuò)；g.可通過(guò)I2C總線對(duì)芯片進(jìn)行初始化配置，并把設(shè)置參數(shù)存于非易失性NVRAM；h.由4個(gè)FIFO和1個(gè)中斷寄存器構(gòu)成I2O消息單元；i.可直接與多種處理器連接，減少了邏輯部件;j.局部總線時(shí)鐘可達(dá)50MHz。k.160腳扁平方形塑封。仲裁加上等待的方式，允許兩邊CPU在指令級(jí)共享SRAM，允許兩邊的CPU相互通過(guò)中斷交換信息，還允許通過(guò)狀態(tài)信號(hào)相互同步。該芯片不含有總線仲裁功能（這一功能是標(biāo)準(zhǔn)PC及嵌入式系統(tǒng)所必需的），可以請(qǐng)示獲取PCI總線控制權(quán)。

CY7C09449PV-AC可以直接與許多處理器連接，省卻了粘著邏輯部件，可以采用總線。

2 選用分析

在眾多通用的PCI接口芯片中，最后選用了PCI9054。原因如下：①目前AMCC公司的S5920、PLX公司的PCI9052/50等芯片已在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用，它們的優(yōu)越性主要是實(shí)現(xiàn)了PCI目標(biāo)設(shè)備的功能，并提供了與ISA總線信號(hào)兼容或時(shí)序相似的本地總線信號(hào)，是從ISA到PCI總線平臺(tái)平滑過(guò)渡的最佳選擇；但它們都不支持PCI2.2協(xié)議，無(wú)論是操作速度還是傳輸帶寬在性能上已屬落后，而且從DSP和適配卡的發(fā)展方向來(lái)說(shuō)，3.3V低電壓的信號(hào)環(huán)境是更主流的選擇。②如果只是與局總處理器相連，采用CY7C09449PV-AC將是上佳之先；但由于本系統(tǒng)各功能模塊作用不同，與主機(jī)交換信息的方式不同，不能同時(shí)共享CY7C09449PV-AC的右邊接口，因此不選用；③信號(hào)產(chǎn)生模塊中的DSP在需要的時(shí)候，也會(huì)發(fā)起傳輸，所以，決定采用主/從控制器更好些。我們所研制的這套檢測(cè)設(shè)備是將根據(jù)設(shè)定的參數(shù)而產(chǎn)生的仿真的回波信號(hào)數(shù)據(jù)流，當(dāng)每次收到啟動(dòng)脈沖時(shí)，將預(yù)存數(shù)據(jù)傳入處理模塊中，同時(shí)DSP預(yù)備產(chǎn)生下一次所需的回波信號(hào)，這樣對(duì)數(shù)據(jù)流的速度要求就不是很高，所以選擇了PCI9054。PCI9054也是目前業(yè)界設(shè)計(jì)適配器選用的主流芯片。PCI9054以其強(qiáng)大的功能和簡(jiǎn)單的用戶接口，為PCI總線接口的開發(fā)提供了一種簡(jiǎn)潔的方法，設(shè)計(jì)者只需設(shè)計(jì)本地總線接口控制電路，即可實(shí)現(xiàn)與PCI總線的高速數(shù)據(jù)傳輸。而且由于PCI9056、PCI9656與它的兼容性較好，將來(lái)很容易將設(shè)計(jì)性能提升到64位或64MHz操作，目前已將PCI9054用于實(shí)際設(shè)計(jì)中。

圖1～圖5是所介紹的PCI總線接口卡的設(shè)計(jì)方案圖及各個(gè)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

結(jié)束語(yǔ)

每當(dāng)要開始一個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，首先要搞清楚的是該項(xiàng)目所要完成的性能指標(biāo)，然后再確定具體的實(shí)施方案。在成本預(yù)算允許的情況下，當(dāng)然要選用當(dāng)前最先進(jìn)的芯片，同時(shí)也要考慮到采用這種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在未來(lái)的可擴(kuò)展性、易維護(hù)性、升級(jí)成本等；另一方面也不能盲目采用所謂“高性能”產(chǎn)品?！案咝阅堋碑a(chǎn)品往往集成了很多功能，而且“高性能”的體現(xiàn)還要整體系統(tǒng)性能的配套提高，或者設(shè)計(jì)指標(biāo)本就不高，這樣選用的“高性能”芯片只會(huì)造成資源浪費(fèi)，也許隨之來(lái)還有應(yīng)用的復(fù)雜性?？傊诳紤]同類產(chǎn)品的選用時(shí)，要以盡量提高產(chǎn)品的性價(jià)比為宗旨。在這方面，PLX為了使產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)降到最低并降低成本，提供了支持PCI9054的軟件開發(fā)套件（SDK）和參考設(shè)計(jì)套件（RDK），這些套件可讓設(shè)計(jì)者快速地將設(shè)計(jì)推向生產(chǎn)線。當(dāng)然，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度、價(jià)格、供貨期等這些也都是需要考慮的方面，同時(shí)參考一些成熟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也能提供一定的參考作用。