ETX 模塊在CPCI 總線CPU 卡上的應(yīng)用
文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者：呂茜 人氣： 發(fā)表時間：2011年10月07日
0 引言
在一些特定的條件(如惡劣環(huán)境、軍事應(yīng)用環(huán)境條件) 下應(yīng)用的計算機(jī)比普通商用計算機(jī)一般在以下幾個方面有更高、更嚴(yán)的要求：氣候、機(jī)械和電磁環(huán)境適應(yīng)性好，可靠性、可用性、可維修性好，可操作性、人機(jī)交互性能，體積小、重量輕、功耗低，可擴(kuò)展性、升級方便和使用周期長。
在一些應(yīng)用場合，還會有一些特定要求，例如：某些裝載平臺，如車載、機(jī)載平臺，對安裝空間(體積、外形)等通常會提出相應(yīng)的要求，還會提出前方維修的要求；某些應(yīng)用需求中，用戶接口種類和數(shù)量多，一般的商用計算機(jī)不能滿足要求。
目前在大多數(shù)情況下，選用適當(dāng)?shù)某墒斓闹髁魃逃糜嬎銠C(jī)進(jìn)行后天加固，采用相應(yīng)的加固措施提高機(jī)械環(huán)境、氣候環(huán)境和電磁環(huán)境的適應(yīng)性，以適應(yīng)惡劣環(huán)境、軍用環(huán)境等特定環(huán)境的應(yīng)用。在本人承擔(dān)的XX 項目地面系統(tǒng)中有一種車載計算機(jī)，由于車載平臺空間限制，要求車載計算機(jī)采用3U卡，而且用戶要求的接口的種類和數(shù)量比一般商用計算機(jī)多得多，目前國內(nèi)外市場上難以找到現(xiàn)成的CPU 卡商用產(chǎn)品，為此不得不自行研制這種板卡。車載計算機(jī)的其它部件則盡量采用商用現(xiàn)成產(chǎn)品，進(jìn)行后天加固。
1 CPU 卡的設(shè)計方案
1.1 基于ETX 模塊
通常CPU 卡設(shè)計采用分立的中央處理器芯片和配套的芯片組，研制成本較高，研制周期較長。本項目研制的車載計算機(jī)研制費用較少、研制周期緊，采用基于ETX 模塊的CPU卡設(shè)計方案可以較好地解決這一難題。ETX 的模塊可看成是一個集成了CPU、PCI 總線、ISA總線以及標(biāo)準(zhǔn)PC/IO功能的特殊芯片，ETX 模塊具有高性能、低功耗、小尺寸、一個PC 完全兼容便于升級、抗振性好、有不同檔次的CPU 可選取等特點，采用ETX 模塊可以簡化CPU 卡設(shè)計、節(jié)省研制經(jīng)費，縮短研制周期。
ETX(embedded technology extended)是由著名的德國嵌入式工業(yè)PC產(chǎn)品供應(yīng)商JUMPTEC集團(tuán)率先定義并在業(yè)界得到推廣的一種嵌入式PC 標(biāo)準(zhǔn)，ETX 模塊產(chǎn)品必須結(jié)合用戶的PCB 基板一起使用。所有ETX 模塊均通過背面的標(biāo)準(zhǔn)ETX －BUS (4× 100pin) 與用戶設(shè)計的PCB 基板相連接。ETX － BUS定義了標(biāo)準(zhǔn)的PCI、ISA 總線信號、USB、聲卡、VGA、LCD、Video、COM1、COM2、LPT、FLOPPY、IRDA、Mouse/Keyboard、IDE1、IDE2、Ethernet 等信號。
1.2 CPU 卡基本結(jié)構(gòu)
CPU 卡的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，可分為ETX 模塊、橋芯片、總線接口、I/O 接口等。
1.3 設(shè)計要求
(1)基于ETX 模塊的CPCI 總線CPU卡設(shè)計關(guān)鍵在與自行開發(fā)ETX-CPCI 運載板，在運載板上將ETX模塊提供的PCI 總線轉(zhuǎn)換成CPCI 總線，同時將盡可能多的接口通過CPCI 的J2轉(zhuǎn)接到后走線板上，保留前面板VGA、PS/2、LAN、USB 接口，以便于調(diào)試。一個IDE 接口以44pin 的形式保留在CPU 卡上，根據(jù)系統(tǒng)配置要求連接電子盤。另一個IDE 接口通過J2 轉(zhuǎn)接到后走線板上，連接光驅(qū)等外設(shè)。
(2)充分考慮將來擴(kuò)展和用戶需求變更的需要，CPU 卡設(shè)計應(yīng)將盡可能多的接口引到后走線板上，已便將來根據(jù)用戶需求重新更改后走線板設(shè)計即可。
(3)元器件布局和布線要充分考慮信號轉(zhuǎn)接的可靠性和抗干擾能力。電路布局時應(yīng)盡量考慮電源和地的劃分。在8 層PCB 板中，有單獨的電源層和地層。由于存在多種電源，例如3.3V、5V、12V，布局時應(yīng)盡量把相同電源的器件放在一起，以便于電源層不同電源之間的劃分。同時地層也要劃分。例如芯片169 000 的下方不能有電地層，以免引入干擾。每個芯片都要加去耦電容，最大限度的降低干擾。
(4)I/O接口和模塊的電氣連接采用插拔方式，以利于升級和便于維修。
2 CPU 卡部件設(shè)計
2.1 ETX 接口連接器和接口信號說明
ETX 用4 個100pin 型號為FX8-S100 的連接器傳輸各種信號，如圖2 和圖3 所示。
FX8-S100 型連接器為表貼焊接器件，不占用印制板其它走線層空間。引出針腳100 個，兩相鄰針腳間距0.25 mm。ETX 提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI 總線信號組和標(biāo)準(zhǔn)的ISA 總線信號組。ETX 提供的通用接口包括：兩對USB 串行數(shù)據(jù)線用于標(biāo)準(zhǔn)的USB接口；兩個IDE接口；一個并口，可復(fù)用為軟驅(qū)接口；PS/2 標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)接口；兩個串行口；以太網(wǎng)接口信號；聲卡接口信號；顯卡接口。
(1)連接器X1 用于傳輸PCI總線信號、USB信號及聲卡信號；
(2)連接器X2 用于傳輸ISA 總線信號；
(3)連接器X3 用于傳輸VGA、LCD、Video、COM1、LPT/Foppy、IrDA 及Mouse/Keyboard 信號；
(4)連接器X4 用于傳輸IDE1、IDE2、Ethernet 及特性信號。根據(jù)以上所述，將本次設(shè)計計劃分為：橋芯片及總線接口、I/O 接口(IDE、VGA 接口、串口、鍵盤鼠標(biāo)接口、USB 接口、網(wǎng)口、并口、軟驅(qū)接口)、后走線板和后走線接口P2 等及部分。
2.2 總線橋芯片及總線接口
ETX 模塊提供的總線接口是PCI 總線，PCI 總線和CPCI總線在電氣上的不同主要在于CPCI 總線支持熱插拔。但是CPCI 總線CPU 卡的熱插拔的實現(xiàn)不僅在硬件上還需要作大量的工作，軟件上也需要進(jìn)行大量的工作，在本次設(shè)計中暫不考慮CPU 卡熱插拔的應(yīng)用。ETX 模塊提供的PCI 總線接口只支持4 各PCI 外設(shè)槽位，在一般的CPCI 系統(tǒng)中，也要有至少6個CPCI 插槽。因此在本次設(shè)計中必須加入總線橋接芯片。
PCI-PCI 橋的作用是協(xié)調(diào)兩條PCI 局部總線之間的交通。它的作用是監(jiān)視在這兩條PCI 局部總線上啟動的所有交易，并決定是否將交易傳送到另一條PCI 局部總線。當(dāng)橋確定一條總線上的交易需要傳送到另一條總線上時，橋必須充當(dāng)啟動交易的總線目標(biāo)，以及交易的目標(biāo)總線的主設(shè)備。對于交易的主設(shè)備(以及交易的目標(biāo))來說，橋駐留于交易的起始總線和目標(biāo)之間，這一事實是不可見的。
除了確定在一條總線上啟動的交易是否需要被傳送到另一條總線，橋還具有以下功能：
(1)橋監(jiān)視第二總線上的SERR#，如果采樣有效，再將其傳送到第一總線的SERR#；
(2)橋監(jiān)視第二總線上的RST#，如果采樣有效，再將其傳送到第一總線的RST#；
(3)橋可能具有包含其設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)備ROM，這種情況下，橋必須識別并允許對ROM 存儲器的訪問；
(4) 橋可能具有一組設(shè)備制定的I/O 或存儲器映射I/O 寄存器，這些寄存器控制橋的功能，這種情況下，橋必須識別并允許對這些寄存器的訪問；
(5)橋可能具有一個存儲器緩沖區(qū)，在這種情況下，橋必須識別并允許對這些寄存器的訪問。
在橋接芯片的選擇過程中，發(fā)現(xiàn)有一款TI 公司生產(chǎn)的PCI2050 芯片，兼容CPCIHot Swap 協(xié)議，該協(xié)議定義了在不影響系統(tǒng)運行的條件下插入和拔出擴(kuò)展卡的過程，即支持?jǐn)U展板卡的熱插拔，并有一個交換二極管指示。選擇這款芯片就為系統(tǒng)中其它擴(kuò)展卡實現(xiàn)熱插拔準(zhǔn)備了先天的硬件條件。
PCI2050 為PCI 總線提供了高性能的PCI-PCI 連接。數(shù)據(jù)交換在主控PCI 總線和目標(biāo)PCI 總線橋接。器件允許兩端的總線同時發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸。兩路橋傳輸各自獨立，都支持猝發(fā)模式增大數(shù)據(jù)吞吐量。PCI2050 支持一個運行速度高達(dá)33MHz的32 位擴(kuò)展接口，并分別最多對4 個和9 個次級主機(jī)提供兩層內(nèi)部仲裁。它還同Intel21150ab/ac 和2115bcPCI-PCI 橋芯片引腳兼容，可以方便更換橋芯片，而不用更改原設(shè)計。該產(chǎn)品有多種節(jié)省空間的封裝形式可以選擇，其中包括208 腳QFP封裝和209 腳MicroStar BGATM 封裝。本次設(shè)計屬于首次接觸橋接芯片，為了便于調(diào)試我們選擇208 腳QFP的封裝形式。
根據(jù)PCI2050 資料顯示各部分腳功能的分類(PRIMARYPCI、SECONDARY － PCI、POWER、GND、CLOCKS、JTAG、ARBITER)，將PCI2050 原理圖原件庫畫成如圖4 所示。
橋芯片的PRIMAR-PCI 主要與ETX 模塊提供的PCI 接口信號連接。橋芯片的SECONDARY-PCI 接口部分主要與CPU卡上的CPCI 接口相連。但要注意CPCI 總線的控制信號都要有上拉電阻，這是為了保證它們在沒有設(shè)備驅(qū)動總線的情況下仍有穩(wěn)定的值。此類信號有FRAME#、TEDY#、ERDY#、ERQ64#和ACK64#。點到點和32 位共享信號不需要上拉電阻，總線的?？考纯杀ＷC它們的穩(wěn)定。
2.3 I/O 接口
2.3.1 IDE 接口
集成驅(qū)動器電路(IDE)是一個一般性術(shù)語，適用于任何具有集成(內(nèi)置) 磁盤控制器的驅(qū)動器。其實IDE 接口的官方名稱是ATA(AT 嵌入式接口)，它也是一個ANSI 標(biāo)準(zhǔn)，從更精確的角度來講，它是由幾種不同版本的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)化而來。不管怎么看，IDE 一般來說能適用于任何有內(nèi)置控制器的磁盤驅(qū)動器。
IDE 設(shè)備一般包括硬盤、光驅(qū)等。因為本次設(shè)計的CPU卡主要應(yīng)用于抗惡劣環(huán)境計算機(jī)中，所以系統(tǒng)引導(dǎo)要選用電子盤。電子盤的工作溫度和抗振性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通硬盤，但電子盤價格相對昂貴，大容量的電子盤也很難采購。因此系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)盤還要使用硬盤，通過加熱的方法可以使硬盤在系統(tǒng)啟動一定時間后正常工作。由于加熱電路的設(shè)計不在本文討論范圍內(nèi)，這里就不詳細(xì)敘述加熱電路的設(shè)計方法了。
ETX模塊提供2 個IDE 通道(PRAMARY IDE 和SECONDARYIDE)，每個通道可以連接2 個IDE 設(shè)備。普通IDE 設(shè)備的接口一般為40pin 的信號接端口，IDE 設(shè)備的供電由另外一個單獨的電源接口提供。電子盤的IDE 接口一般為44pin，前40pin 與普通IDE 設(shè)備接口的定義一致，最后4pin 為電子盤的供電接口，電子盤只使用5V 電。所以在本次設(shè)計中將PRIMARYIDE 一44pin 的接口形式置于CPU卡上，用于連接電子盤作為系統(tǒng)盤使用。SECONDARY IDE 通過后走線板接口P2到后走線板上，用于連接普通硬盤或光驅(qū)。
當(dāng)IDE 設(shè)備處于活動狀態(tài)(如讀寫操作)時，圖中DASP信號為低電平。所以可以將該信號串連一個發(fā)光二極管接到電源上，用于指示IDE 設(shè)備的活動狀態(tài)，即通常所說的硬盤燈。硬盤燈接口的電路原理圖如圖5 所示。
2.3.2 VGA 接口
視頻圖形陣列(VGA)由IBM 在1987 年提出，它是模擬式系統(tǒng)。模擬顯示和數(shù)字顯示相似，使用RGB 電子槍來形成各種顏色，但模擬系統(tǒng)中的各種顏色可以在不同的強(qiáng)度級別上顯示，比如VGA 采用64 個級別來顯示顏色。這種多變性一共產(chǎn)生262 144 種顏色(643)，其中256 中顏色可以同時顯示。對于實際的計算機(jī)圖形，顏色級別通常要比高分辨率更重要，因為顏色更加豐富的圖像在人眼里才是更真實的。所以VGA的模擬圖像技術(shù)提高了系統(tǒng)表示顏色的能力。
本次設(shè)計中考慮到調(diào)試的方便，在CPU 卡的前邊緣設(shè)計一個標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口，用BD15 孔型連接器將VGA信號引出。同時考慮到此CPU卡一般將應(yīng)用在武器系統(tǒng)特定的后出線結(jié)構(gòu)形式的機(jī)箱中，所以又將VGA信號引到后走線板接口P2 上。
2.3.3 鍵盤鼠標(biāo)接口
為了方便調(diào)試，在CPU卡的前邊緣設(shè)計一個標(biāo)準(zhǔn)PS/2 接口，用PS/2 插座將鍵盤鼠標(biāo)信號引出。同時考慮到此CPU 卡一般將應(yīng)用于武器系統(tǒng)特定的后出線結(jié)構(gòu)形式機(jī)箱中，所以又將鍵盤鼠標(biāo)信號引到后走線板接口P2 上。
PS/2 接口信號中的5V和GND不能直接接到CPU卡上的5V 和GND 上，必須經(jīng)過濾波和隔離后方可連接。否則很容易將鍵盤鼠標(biāo)這種輸入設(shè)備工作時造成的雜波引入到CPU卡上。
2.3.4 串口
ETX 模塊提供的串口信號符合的是TTL 信號。而我們通用的串口信號一般遵循的是RS-232 標(biāo)準(zhǔn)。
RS-232 標(biāo)準(zhǔn)(協(xié)議) 的全稱是EIA-RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)，EIARS-232C 標(biāo)準(zhǔn)最初是為遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備ETD(dataterminal equipment) 與數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE (data communicationequipment)而定制的。因此這個標(biāo)準(zhǔn)的制定，并未考慮計算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。但如果想要應(yīng)用于計算機(jī)(更準(zhǔn)確的說，是計算機(jī)接口)與終端或外設(shè)之間的近端連接。顯然，這個標(biāo)準(zhǔn)的有些規(guī)定和計算機(jī)系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。另外，EIA-RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)中所提到的“發(fā)送”和“接收”，站在DTE立場上，而不是站在DCE 的立場來定義的。由于在計算機(jī)系統(tǒng)中，往往是CPU 和I/O 設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收。EIA-RS-232C 對電氣特性、邏輯電平的各種信號線功能規(guī)定如下：
(1)在TxD 和RxD 上：
邏輯1(MARK)為-3v~-15v
邏輯0(SPACE)為+3v~+15v
(5)在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD 等控制線上：信號有效(接通，ON 狀態(tài)，正電壓)為+3v~+15信號無效(斷開，OFF 狀態(tài)，負(fù)電壓)為-3v~-15vEIA-RS-232C 使用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了使TTL 器件能夠同通用的串口設(shè)備連接，必須在EIA-RS-232C 與TTL 電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路。目前較為廣泛的使用的方法是應(yīng)用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如UAM211E、SN75150 芯片可完成TTL 電平到EIA 電平的轉(zhuǎn)換。
以UAM211E芯片為例，UAM211E 的引腳5、6、7、8、19、20、22、26接入TTL輸入。引腳1、2、3、4、9、18、23、27輸出端接EIA-RS-232C。ETX 模塊提供的是TTL 信號，而EIA-RS-232C 信號要求EIA 高電壓。因此，RS-232 所有的輸出、輸入信號都要經(jīng)過UAM211E，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才能送到連接器上或從連接器送進(jìn)來。
2.3.5 網(wǎng)口
ETX 模塊提供一個10BASE-T/100BASE-T 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，需要連接一個匝數(shù)比為1：1 的變壓器，起到保護(hù)作用。
2.3.6 USB 接口
USB(通用串行總線)是一種外部設(shè)備總線標(biāo)準(zhǔn)，它的設(shè)計為PC 的外部連接設(shè)備帶來了即插即用功能。USB 的出現(xiàn)不再需要專用的端口，也減少了專用的I/O 接口的使用，大大節(jié)約了像IRQ 這樣重要資源，所有連接到USB 端口設(shè)備只需要一個IRQ 即可。所以現(xiàn)在的CPU 卡設(shè)計中USB 接口是一個不可缺少的接口。
USB 接口電路中一般使用一個過流保護(hù)裝置，來防止外部USB 設(shè)備或電纜損壞時引起的系統(tǒng)故障或崩潰。USB 接口支持熱插拔，這是USB 接口最大的一個優(yōu)點。一般要在USB接口的電源處放置一個較大容值的電容，以吸收外部USB 設(shè)備熱插拔時所引起的電流瞬時的浪涌。
3 CPCI 板卡的PCB 設(shè)計
3.1 元器件封裝的選擇
本次設(shè)計中所有電子元器件都采用了表貼元件，電阻、電容大部分采用了0603 的封裝，并且大量使用了電阻排。由于只在表面焊接，不需要鉆孔，體積小、功耗小、節(jié)省了印制板空間，簡化了整版的布局和走線。
3.2 PCB 層數(shù)的選擇
本次設(shè)計選擇制作8 層的PCB 板。CPCI 板卡的總線標(biāo)準(zhǔn)連接器管腳間距為2.0mm，焊盤孔徑為0.6mm，焊盤直徑為1.1 mm，所以兩焊盤之間走線空間僅為0.9 mm，線寬為6mil，線間距6mil 的線單層只能走2 根，而CPCI 總線連接器單排有5 個管腳，即必須走5 根線，所以說信號層不能少于3 層。對于一塊CPU 卡其主要供電為3.3V 和5V 兩種。為了保證信號層和電源層的對稱性，同時考慮到此板的復(fù)雜性，將信號層設(shè)計為4 層，電地層設(shè)計為4 層。印制板最終的層分布設(shè)計依次為頂層信號層、3.3V 電層、內(nèi)信號層1、地層、地層、內(nèi)信號層2、5V 電層、底信號層，如圖6 所示。
3.3 元器件布局
PCB 設(shè)計最早要做的就是對元器件進(jìn)行封裝，將原理圖中只是功能模塊的連接信息轉(zhuǎn)換為實際的為物理器件的電連接器。設(shè)計中布局是一個重要環(huán)節(jié)。布局結(jié)果的好壞直接影響布線的效果，因此一般來說，合理的布局是PCB設(shè)計成功的第一步。對于本次設(shè)計，首先要考慮的是ETX 模塊的擺放位置，其次是對外接口接插件的位置。
ETX 的外形(90mm× 100mm)決定它將占用3U的CPCI板卡的大部分空間，各接口接插件只能分布在印制板的兩邊緣，如圖7 所示。其它電阻電容因為選擇了表貼元器件高度小于3mm，可以分布在ETX 模塊的下部，而不與ETX 模塊發(fā)生干涉。芯片的封裝較高，一般放在了印制板的背面。芯片和電阻電容等元件的布局主要考慮接下來布線的難易程度，各元器件之間的連線盡量短，兼顧整體的美觀。
3.4 CPCI 總線的PCB 電路設(shè)計
為了實現(xiàn)CPCI 的一系列特點，規(guī)范里有一系列關(guān)于CPCI總線卡的要求；
(1)PCB 特性匹配阻抗為65 ±10%；
(2)每個電源平面都必須對地去耦合，以便合理的處理開關(guān)電流的沖擊，一般每10 個電源管腳要有一個0.1uF的電容；
(3) 總線信號線需要使用10 ±5%的終端匹配電阻，將卡上的端接對CPCI底板的影響減小到最小，電阻應(yīng)該設(shè)置在信號的連接器引腳的15.2mm 之內(nèi)，這些總線信號包括AD0-31，C/BE0-3#，PAR，F(xiàn)RAME#，IRDY#，TRDY#，STOP#，LOCK#，IDSEL，DEVSEL#，PERR#，SERR#和RST#；
(4) CPU 卡上所有總線信號端接長度必須小于或等于1.5inch，這個長度包括連接器引腳經(jīng)終端匹配電阻到橋芯片的引腳長度
3.5 板卡上其它信號線的PCB 設(shè)計
(1) 網(wǎng)口信號和USB 信號，屬于差分信號，在印制板上走線時要應(yīng)用差分線，對于網(wǎng)口信號TX+和TX-、RX+和RX-要使用差分線對，對于USB信號USB+和USB-要使用差分線對；
(2)網(wǎng)絡(luò)接口變壓器芯片下部的電地層要挖去，以免引入干擾；
(3)IDE 信號線要盡量等長，以保證傳輸質(zhì)量。
4 結(jié)束語
ETX 模塊以其強(qiáng)大的性能、高可靠性、靈活的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的可擴(kuò)展性以及尺寸小巧等特點為3U 的CPCI 總線CPU 卡的快速自行研制提供了解決方案。通過深入分析CPCI 總線特性，深刻理解高頻數(shù)字電路設(shè)計方法，已成功研制出基于ETX 模塊的3U 的CPCI 總線CPU 卡。經(jīng)綜合測試和實際應(yīng)用驗證表明，該卡已達(dá)到了系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，各接口應(yīng)用正常。
(文/華北計算技術(shù)研究所，呂茜)
