基于PCIE／104总线的高速数据接口设计

摘要：PC／104作为一种工业嵌入式的总线标准，由于其小尺寸结构、低功耗，以及软件通用性而被广泛用于航空航天、工业控制等领域。这里主要介绍了下一代总线技术PCIE总线在PC／104标准下的应用。阐述了数据接口卡的系统组成和各单元的功能，以及驱动在linux操作系统下的实现原理。自行设计并实现了板卡原理图和PCB，同时简述了高速PCB仿真方面的知识，并针对PCIE差分线进行了版级仿真。最后利用PLX公司提供的开发套件在Linux操作系统下完成了板卡驱动的开发和调试。
关键词：PCIe总线；PC／104；嵌入式；PCB仿真

0 引言
    PCIE总线是由Intel公司提出用来取代现行PCI总线的下一代总线技术，被公认为未来总线的发展方向，目前已经成功应用在了商业机上。相对于目前流行的PCI总线，它具有如下特点：
    采用了串行点对点模式，数据总线从并行走回向串行无疑是一个趋势，如现在流行的SATA总线、PCIE总线和rapidIO总线都是串行总线。现在串行总线在速度上的优势可以说是毋庸置疑的。PCIE总线在每个方向上都有X1，X2，X4，X8，X16或X32个信号对，用户可根据不同的需求采用不同的配置。同时串行信号还具有管教更少，便于调试的优点。
    PCIE采用了基于数据包的协议来编码事物，而不是PCI体系结构的总线周期。数据包被串行发送和接受，并被字节拆分来通过物理链路。链路上实现的通道越多，数据包发送的数据越快，链路的带宽也越宽。同时PCIE还定义了各种类型的数据包，如存储器读／写请求、I／O读／写请求、配置读／写请求、消息请求和完成数据包等。
    PC／104标准是一种嵌入式的总线标准，具有功耗低，尺寸小，堆栈式结构的特点。随着目前各种应用数据传输量的增大，现行的PCI总线在带宽方面已经略显疲态，而新近瑞士逻辑提出的PC／104 Express标准，使得PCIE总线技术被成功地应用在了PC／104标准的板卡上。本文采用了PLX公司的PEX8311桥接芯片，完成了PCIE到局部总线接口的转换，应用PLX公司提供的开发工具在Linux操作系统下实现了板卡的驱动应用。在软硬件两方面进行了设计，完成了PCIE／104板卡的功能，升级了系统的总线。

1 PCIE／104高速信号接口卡的系统
    PCIE／104高速信号接口卡的系统设计方案如图1所示。

    外部传感器采集到的数据通过LVDS，RS 422等电平方式，以固定的不同串口波特率传到FPGA内部集成的各自对应的双口RAM中。当写入了固定字节后，设定标志位stage为1，同时发出中断信号LINT#给PEX8311。PEX8311产生了assert_INT1信息，并通过PCIE接口发给上位机。上位机保存好现在的任务后，通过PCIE开始发出存储器读命令给PEX8311。PEX8311获得命令后，向FPGA发出本地总线申请信号，FPGA作为本地端的控制器将本地总线控制权交给PEX8311。PEX8311开始读数据，首先要进行的是读取标志位，在读取了标志位后，上位机就知道是哪几路串口信号需要读入。然后，把标志位清掉，这样相当于清掉了中断信号。接着，中断服务程序在进入到各个串口的RAM中，来读取相应的数据。在多路串口信号传输过来时，针对该系统，采用的是优先满足高速串口的原则，也就是采用高速串口的标志位作为中断信号，每次产生中断后查询其他标志位。数据到上位机后待处理。该系统目前实现的是两路串口，而多路串口原理相同。 [p]
1．1 硬件总体概述
    主要包括以下几部分，PEX8311桥接芯片负责完成本地总线和PCIE总线的相互装换；FPGA选用了spartan-3an 1400K。这里在内部实现了3个模块，首先完成双口RAM模块；其次完成了多路串口数据的接受与协调模块；最后还要实现PEX8311芯片本地端控制器模块。
1．1．1 PEX8311芯片介绍
    PEX8311是PLX Technology公司推出的一款专用于将DSP，FPGA等处理器总线接口升级为PCIE的桥接器件。利用PEX8311灵活的局部总线可以方便地连接多种存储器、缓存器及。FPGA，DSP等逻辑芯片，使复杂的PCI-E接口设计简单化。PEX8311兼容PCI Express 1．0标准，其本地总线和寄存器与PCI9056兼容，能够提供完整的本地总线到PCI-E的接口，包括地址转换、包生成与解码、信号中断支持及并／串转换等。
PEX8311的特点如下：
    (1)集成了单通道、全双工2．5 Gb／s传输的PCI Express端口；
    (2)可配置局部总线宽度，支持8位、16位和32位的总线方式；
    (3)支持单路和多路总线操作模式；
    (4)高性能的DMA数据传输，支持数据块模式、集散模式、循环队列管理模式和命令模式；
    (5)支持端点和根复合体模式；
    (6)芯片小型封装，适合紧凑的电路板设计；
    (7)芯片低功耗设计；
    (8)3．3 V的I／O并兼容5 V系统；
    (9)启动配置的串行E2PROM支持(SPI和Microwire接口)；
    (10)有8 KB的通配共享RAM。
    PEX8311的内部结构如图2所示。

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1．1．2 PCIE／104总线标准介绍
    PC／104是最早由瑞士逻辑提出的一种工业总线标准，它由最早的PC／104总线发展到PC／104+总线，直到目前的PC／104 Express，分别对应ISA总线、PCI总线和PCIE总线。由于它是一种堆栈型的嵌入式总线，所以将PCIE总线应用在这个标准上与普通的PCIE金手指有一些不同。为了满足PC／104的嵌入式堆栈结构，使其能够实现从板子上、下都可以连接，必须采用PCIE Switch芯片，这里使用的是PERICOM公司
制造的PI2PCIE2412款Switch芯片。电路原理图如图3所示。

    图3中接受、发送和差分时钟这3对差分信号线通过转接芯片变成了6对差分信号线。由主机板卡发出选择信号(cpu_dir)，分别控制设备板卡是在主机板卡的上面还是下面。同时采用MAX6306芯片来链接PEX8311的复位端和PCIE接插件的复位端，同时实现了手动复位和LOCAL端的复位。
1．1．3 PEX8311的外围电路配置与LOCAL端接口的控制
    PEX8311有几个类别的模式选择，分别是根联合体模式(Rootcomplex)与终端模式(Endpoint)，根据需要这里选择了终端模式。此外PEX 8311还区分C模式，J模式，M模式。这三种模式解释如下：C模式的地址线与数据线是分开的，J模式下地址线与数据线是复用的，而M模式是针对了Motor的本地端CPU设置的。三种模式通过模式选择管脚选择，这里选择C模式作为工作模式。PEX8311有1．5 V，2．5 V，3．3 V三种电源供电以及一个模拟电源1．5VPLL。在配置寄存器方面，PEX8311有两个配置寄存器，分别是采用Spi-Compatible接口的PCIE配置寄存器和采用了Micro-Wire-Compatibel接口的本地配置寄存器。采用了Spartan-3an 1400 k来提供控制接口与高速缓存，选择这款FPGA主要因为它是有内部FLASH，不用再加外部的E2PROM。
    由于PC／104是一种嵌入式的板卡，体积比较小，所以用这款FPGA是可以节省板上的空间。FPGA内部程序的编写是关键之一。这里采用Verilog，实现对PEX8311的控制，当上位机响应了中断后，对PEX8311发出读数信号。PEX8311通过LHOLD申请控制本地总线，待收到FPGA发出的LHOLDA响应信号后获得本地总线的控制权，并立即启动4 B突发模式。FPGA在收到有效的LW／R读信号和ADS地址选通信号后，发出Ready本地准备好应答信号。PEX8311开始从双口中读取数据，传输最后一个数据时，PEX8311发出BLAST信号，双口RAM使得读使能和输出使能无效。
1．2 系统软件部分的实现
    该系统的软件部分是在Linux下实现的，在Linux中所有的设备都被看成文件来对待。在Linux内核中，设备驱动作为文件系统的一个模块存在。它向下负责与硬件系统的交互，向上通过一个通用的接口挂接到文件系统上面。从而和系统的内核链接起来。设备驱动为应用程序屏蔽了很多细节。使得应用程序对外设的操作就和操作普通的文件是一个样子的。利用PLX公司提供的开发工具，驱动的开发是比较方便的，本文系统中主要用到的是要编写一个中断服务程序：系统在收到中断，保存现场。进入中断服务程序。首选读取标志位，再马上清中断，之后读取响应RAM中的数据。最后恢复现场，完成操作。

2 系统PCB设计和高速信号的完整性分析
    由于PCIE的传输速率较高，单向速率达到2．5 Gb／s。所以对板子的布线有严格的要求。叠层这里选用了8层PUCB板，有4个电源层，使得每个信号都能够屏蔽在电源层与地层中间。从而减少了信号的电磁辐射。对于PCIE的差分线部分：微带线要求差分线宽5 mil，间距小于12 mil，差分线间距离大于20 mil，同时与地层间距为3．5～5．5 mil。带状线要求线宽4 mil，间距小于11 mil，间距大于20 mil。且对于收发差分线，差分线长差距不能大于5 mil。这些都是为了能达到PCIE规范的要求，即单端阻抗55 Ω，差分阻抗100 Ω(偏差10％)而设置的。 [p]
    经过ploar软件计算，将以上的数据输入进去，再加入PCB厂家提供的介电常数等参数，最后得出的阻抗完全满足设计需求。多层板的高速信号设计很有必要进行信号完整性仿真，应用厂家提供的IBIS模型，采用Hyperlynx对板子进行了本地端和时钟端的信号完整性仿真。并根据仿真对布线提供了约束条件。而针对PCIE的高速差分端总线，因为在高速信号仿真方面IBIS模型还不够精确，所以，PLX公司对其两对收发端口提供SPice模型，如图4所示。

    将上诉模型导入HSpice中，同时引入PCIESwitch芯片给出的IBIS模型与板子上面的差分线trace的rglc模型。输出端的仿真效果图如下，可以看出差分信号的幅值是可以满足PCIE规范的电气要求的。

3 结语
    PC／104作为一种嵌入式总线标准已经被很多控制系统所采用，而PCIE／104接口的提出将未来最为流行的串行差分总线结构，引入到了这种嵌入式总线标准，从而为各种高速、高带宽的嵌入式系统提供了选择。目前该系统由于采用了PCIE总线，相比采用PLX9054实现的PCI接口具有明显的优势。