如何給PCI卡選用合適的總線控制器

摘要：面對眾多的、性能各有千秋的同類產(chǎn)品，如何取舍，如何在設計中選用合適的器件，往往是設計者尤其是新手們躊躇的事情。本文分析在檢測設備中設計PCI總線接口卡時如何選擇適合的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，同時給出其結構框圖。在比較它們各自的特性后，提出自己的方案選擇。

關鍵詞：PCI總線 接口卡 AMCC5920 CY7C9449PV-AC PCI9030 PCI9054 PCI9056

引言

現(xiàn)要研制一臺檢測設備，采用工控機結構。需要設計一個將上位機與DSP、DDS等功能單元（做成擴展卡插在擴展槽中）連接起來的模塊單元（即用來傳輸控制命令、狀態(tài)和信號數(shù)據(jù)的接口部件）。在設計計算機擴展接口之前，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，它的主要特點是：①具有地址數(shù)據(jù)多路復用的高性能32位或64位的同步總線?？偩€引腳數(shù)目和部件數(shù)量少（對于總線目標設備只有47根信號線，對于主設備最多只有49根信號線），降低了成本及布線復雜度。②PCI局部總線在33MHz總線時鐘、32位數(shù)據(jù)通路時，可達到峰值132Mbit/s的帶寬；在33MHz總線時鐘，64位數(shù)據(jù)通路時可達到峰值264Mbit/s的帶寬；在66MHz主頻時，對于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總線的設計是獨立于處理器的，可以方便地符合PCI規(guī)范的微機和工作站系統(tǒng)中進行硬件移植，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，采用總線多主控和異步數(shù)據(jù)轉移操作。⑥PCI提供的數(shù)據(jù)和地址奇偶校驗功能，保證數(shù)據(jù)完整性和準確性。⑦PCI總線與CPU和時鐘頻率無關，它能支持多個外設，設備間通過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問題。⑧對PCI擴展卡及元件，能夠自動配置，實現(xiàn)設備的即插即用。由于使用方便、靈活、產(chǎn)品壽命長，目前PCI總線產(chǎn)品與其它的總線標準相比具有茂大優(yōu)越性和更為廣闊的應用前景。我們決定采用1個PCI總線的控制器來完成這個適配卡的設計。通過這一適配卡的連接，將信號、數(shù)據(jù)通過工控機內的總線插槽傳到各個功能模塊中。

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)議較復雜，設計PCI控制接口難度較大，對于產(chǎn)品不大又有時限的工程項目來說，成本較大；而通用的PCI接口芯片功能全而強大（例如FIFO速度快、容量大，可支持DMA方式等），它實現(xiàn)PCI規(guī)范所要求的所有硬件接口信號和配置空間寄存器，能夠減少開發(fā)時間和成本，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備（master）和目標設備（target）兩大類。主控設備可以控制總線驅動地址、數(shù)據(jù)和控制信號；目標設備不能啟動總線操作，只能依賴于主控設備從其中讀取或向其傳送數(shù)據(jù)。以下針對當前的一些較新推出的產(chǎn)品作一些介紹和比較。

1.1 目標設備

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

①特色。32位、33MHz目標接口支持上至132MB/s的突發(fā)傳送；局部總線操作速度最高達60MHz，支持突發(fā)傳送達240MB/s；PCI目標讀預取、延遲寫模式。PCI突發(fā)傳輸長度可編程；支持5個局部地址空間到PCI總線地址空間映射（空間0、1、2、3、4以及1個擴展的ROM）；傳輸?shù)却芷?、總線寬度可編程；提供4個片選信號（沒有譯碼邏輯，局部器件減少）、9個可編程通用I/O；可編程對局部總線讀寫門信號；全面支持PCI2.2規(guī)范中的關鍵產(chǎn)品數(shù)據(jù)（vital product data），包含一些新的功能結構，為用戶或系統(tǒng)定久的參數(shù)或配置數(shù)據(jù)提供了一個靈活的存取方式；包含2個可編程FIFO（PCI目標讀FIFO深度為16個長字、PCI目標寫FIFO深度為32個長字）。PCI9030還提供了1個PCI時鐘的緩沖輸出，可用來作為局部總線的輸入時鐘；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可廣泛應用于網(wǎng)絡、通信、圖像及海量存儲設計中。它易于將已有的其它總線設計轉換到PCI總線的設計，縮短了設計周期，且其豐富的外部接口大節(jié)省了制板空間。

（2）AMCCS5920

AMCCS5920（簡稱S5920）是AMCC公司新近推出的一種PCI總線目標接口芯片，從其功能來看，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；而價格卻降低了很多，因此，在很多無需進行總線主控的場合，采用S5920完成設計能取得更高的性能價格比。其主要性能如下：符合PCI2.2標準；最高傳輸速率132MB/s；可編程的預取長度和等待周期；4個32位讀寫FIFO的直通通道；外加總線可工作于主動或被動狀態(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器接口。PCI總線接口與主機板的PCI總線擴展槽連接，外加總線接口與外部功能設備連接，非易失性存儲器接口與配置存儲器連接；符合I2C串行總線標準，配置存儲器通常是串行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行。與S5933一樣，S5920為設計者提供了與PCI總線相邊的靈活易用的方式。通過S5920，復雜的PCI總線被轉換成易于使用的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置。

1.2 主控設備

（1）PCI9054

PCI9054是由美國PLX公司生產(chǎn)的先進的PCI I/O加速器，采用了先進的PLX數(shù)據(jù)流水線結構技術，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)傳輸速率達到132MB/s，本地總線支持復用/非復用的32位地址/數(shù)據(jù)；有M、C、J三種模式；針對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，本地總線時鐘可和PCI時鐘異步。PC9054內部有6種可編程的FIFO，以實現(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，因其強大的功能可應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，是目前最先進的32位通用主控芯片；內部還是基于原有的9054技術架構。與9054相比，有以下特點：a.含有1個PCI仲裁器，支持7個外部主控設備，針對Compact PCI（含有7個插槽）的設計是足夠了。B.2個獨立的DMA通道：每個通道含有1個雙向的深度為64長字（256字節(jié)）的FIFO。C.差分讀寫數(shù)據(jù)。d.用有效位旗語描述符控制動態(tài)DMA振鈴管理。e.增強的M模式功能，能提供PowerQUICC超出原有16字節(jié)長度限制的突發(fā)傳送。f.對于主控方式，有2個獨立的讀（32長字）寫（64長字）FIFO；對于目標模式，也有2個響應同樣深度的FIFO；并有可編程的讀信號超過報告及其恢復。g.符合PICMG 2.1熱交換技術規(guī)范，包括電壓偏移容錯、預充電功能與預置不支持響應功能，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)設計的需求，h.可應用于嵌入式主機的復位和中斷引腳設置功能。i.JTAG邊界掃描。j.256-FPBGA封裝（17mm17mm，1.0mm），2.5V的CMOS芯核電壓，對3V和5V的I/O信號電平容錯。

PCI9056與9054的寄存器兼容，易于實現(xiàn)設計的平滑轉換。

（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、價格低廉的雙端口RAM接口芯片。其中一個端口是PCI接口，適合與PC機通信；另一個端本地接口，適合與各類本地CPU通信，其總線通信時鐘速率可達50MHz，2個端口均可以獨立讀/寫靜態(tài)存儲器SRAM。其主要特點如下：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/從設備進行數(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I/O單元工作時包含4組32位FIFO、終端寄存器及部分SRAM用于一般存儲目的；e.可作為主橋接口；f.單一3.3V電源供電，對3V、5V信號電平容錯；g.可通過I2C總線對芯片進行初始化配置，并把設置參數(shù)存于非易失性NVRAM；h.由4個FIFO和1個中斷寄存器構成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.局部總線時鐘可達50MHz。k.160腳扁平方形塑封。仲裁加上等待的方式，允許兩邊CPU在指令級共享SRAM，允許兩邊的CPU相互通過中斷交換信息，還允許通過狀態(tài)信號相互同步。該芯片不含有總線仲裁功能（這一功能是標準PC及嵌入式系統(tǒng)所必需的），可以請示獲取PCI總線控制權。

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等芯片已在市場上廣泛應用，它們的優(yōu)越性主要是實現(xiàn)了PCI目標設備的功能，并提供了與ISA總線信號兼容或時序相似的本地總線信號，是從ISA到PCI總線平臺平滑過渡的最佳選擇；但它們都不支持PCI2.2協(xié)議，無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)展方向來說，3.3V低電壓的信號環(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，與主機交換信息的方式不同，不能同時共享CY7C09449PV-AC的右邊接口，因此不選用；③信號產(chǎn)生模塊中的DSP在需要的時候，也會發(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設備是將根據(jù)設定的參數(shù)而產(chǎn)生的仿真的回波信號數(shù)據(jù)流，當每次收到啟動脈沖時，將預存數(shù)據(jù)傳入處理模塊中，同時DSP預備產(chǎn)生下一次所需的回波信號，這樣對數(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)界設計適配器選用的主流芯片。PCI9054以其強大的功能和簡單的用戶接口，為PCI總線接口的開發(fā)提供了一種簡潔的方法，設計者只需設計本地總線接口控制電路，即可實現(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，將來很容易將設計性能提升到64位或64MHz操作，目前已將PCI9054用于實際設計中。

圖1～圖5是所介紹的PCI總線接口卡的設計方案圖及各個芯片的內部結構圖。

結束語

每當要開始一個工程項目設計時，首先要搞清楚的是該項目所要完成的性能指標，然后再確定具體的實施方案。在成本預算允許的情況下，當然要選用當前最先進的芯片，同時也要考慮到采用這種產(chǎn)品的設計在未來的可擴展性、易維護性、升級成本等；另一方面也不能盲目采用所謂“高性能”產(chǎn)品。“高性能”產(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，或者設計指標本就不高，這樣選用的“高性能”芯片只會造成資源浪費，也許隨之來還有應用的復雜性?？傊诳紤]同類產(chǎn)品的選用時，要以盡量提高產(chǎn)品的性價比為宗旨。在這方面，PLX為了使產(chǎn)品開發(fā)風險降到最低并降低成本，提供了支持PCI9054的軟件開發(fā)套件（SDK）和參考設計套件（RDK），這些套件可讓設計者快速地將設計推向生產(chǎn)線。當然，產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度、價格、供貨期等這些也都是需要考慮的方面，同時參考一些成熟的產(chǎn)品設計，也能提供一定的參考作用。