基于CPCI總線CPU主控模塊的設計與實現(xiàn)
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在很難找到滿足特定要求的商用計算機，即使利用成熟商用計算機進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算機。這里介紹加固計算機基于CPCI總線CPU主控模塊的設計方案。
Compact PCI(簡稱CPCI)總線是“PCI總線工業(yè)計算機制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機總線標準，近年來應用發(fā)展最為迅速。它由PC機上的通用總線PCI發(fā)展而來，既有PCI總線的高帶寬高性能、即插即用、價格低廉等諸多優(yōu)點，又有無源背板總線VME總線的可靠性。基于CPCI總線的主控模塊主要完成通用的計算機主板功能，包括主處理器及相關的支持邏輯、主存儲器、PCI總線仲裁器、系統(tǒng)中斷控制器、PCI時鐘發(fā)生器及通用I／0接口(IDE、USB、PS／2鍵盤鼠標等)功能，還集成了一片PCI-PCI橋PCI2050B，提供7個PCI外設卡的仲裁能力。
1 CPU主控模塊原理設計
基于CPCI總線的主控模塊設計主要采用2種方法：1)應用器件組進行系統(tǒng)板設計。這種方法的優(yōu)點是邏輯清晰，在功能不正常時可以更換器件使其正常工作，設計出的系統(tǒng)板抗震動及機械沖擊性能更強；其缺點是難度大、開發(fā)周期長，隨著CPU速度的提高，設計難度更大，并且難以購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，它集成了計算機幾乎所有的功能，用戶根據(jù)具體任務的要求，只需對其沒有的功能在外部進行擴展就可以完成設計。這種方法的優(yōu)點是設計和生產(chǎn)周期短，調試方便，易于升級，并且已有廠家提供溫度寬泛的嵌入式CPU模塊，也應用在對環(huán)境要求比較苛刻的軍用領域。鑒于項目研發(fā)周期短，本設計采用第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，并應用PCI擴展技術完成6U CPCI總線系統(tǒng)板的設計。CPCI主控模塊組成框圖如圖1所示。
1．1 ETX模塊
ETX嵌入式計算機模塊具有完整的PC功能和高效的CPU性能，是一種高集成度的計算機系統(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結構主板主要面向專用計算機系統(tǒng)板的設計者，它的核心理念是“把PC像器件一樣設計到客戶的目標應用系統(tǒng)中”。在其114mm(長)x95 mm(寬)×16 mm(高)的尺寸上，集成了標準PC所有的功能，同時提供標準PC架構所具有的所有標準接口。
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的標準接口信號以及PCI和ISA信號等。在設計主控模塊時，在主控模塊上設計對應的4x100引腳插座，擴展的I／0功能可通過總線上的PCI或ISA實現(xiàn)。每個連接器所提供的信號如下：
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；4)ETX連接器X4：EIDE(×2)、以太網(wǎng)、電源管理等信號。
ETX：PM模塊向外只提供4個PCICLK和4對REQ#／GNT#信號，因此它只能驅動4個PCI功能設備，若要滿足CPCI總線主控模塊驅動7個擴展插槽的要求，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PCI-PCI總線橋來實現(xiàn)總線擴展。PCI-PCI總線橋作為上一級總線的一個負載，而向下可以驅動一個總線段。ETX PM模塊可以在-40～85℃的條件下工作，而且ETX系列產(chǎn)品有較長的生命周期，可互換。
1．2 PCI橋的設計
在本方案主控模塊的設計中，選用Tl(Texas Instruments)公司的工業(yè)級PCI-PCI橋器件PCI2050BI，它在2個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個設備，除了為每個設備提供內(nèi)部仲裁，也可由系統(tǒng)提供外部仲裁。PCI2050BI提供lO個設備時鐘輸出。使用PCI2050BI生行PCI-PCI總線橋擴展，其設計框圖如圖2所示。
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