基于CPCI總線(xiàn)CPU主控模塊的設計與實(shí)現
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在很難找到滿(mǎn)足特定要求的商用計算機，即使利用成熟商用計算機進(jìn)行后天加固也難以滿(mǎn)足特定要求的情況下，為此需自行研制滿(mǎn)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(xiàn)CPU主控模塊的設計方案。
Compact PCI(簡(jiǎn)稱(chēng)CPCI)總線(xiàn)是“PCI總線(xiàn)工業(yè)計算機制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機總線(xiàn)標準，近年來(lái)應用發(fā)展最為迅速。它由PC機上的通用總線(xiàn)PCI發(fā)展而來(lái)，既有PCI總線(xiàn)的高帶寬高性能、即插即用、價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，又有無(wú)源背板總線(xiàn)VME總線(xiàn)的可靠性?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/CPCI">CPCI總線(xiàn)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(guān)的支持邏輯、主存儲器、PCI總線(xiàn)仲裁器、系統中斷控制器、PCI時(shí)鐘發(fā)生器及通用I／0接口(IDE、USB、PS／2鍵盤(pán)鼠標等)功能，還集成了一片PCI-PCI橋PCI2050B，提供7個(gè)PCI外設卡的仲裁能力。
1 CPU主控模塊原理設計
基于CPCI總線(xiàn)的主控模塊設計主要采用2種方法：1)應用器件組進(jìn)行系統板設計。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是邏輯清晰，在功能不正常時(shí)可以更換器件使其正常工作，設計出的系統板抗震動(dòng)及機械沖擊性能更強；其缺點(diǎn)是難度大、開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，隨著(zhù)CPU速度的提高，設計難度更大，并且難以購買(mǎi)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(hù)根據具體任務(wù)的要求，只需對其沒(méi)有的功能在外部進(jìn)行擴展就可以完成設計。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設計和生產(chǎn)周期短，調試方便，易于升級，并且已有廠(chǎng)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(lǐng)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(xiàn)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(shù)完成6U CPCI總線(xiàn)系統板的設計。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，它采用的是x86 CPU。ETX PM的主頻為1．0～1．8 GHz，內存可至1 GB。ETX結構主板主要面向專(zhuān)用計算機系統板的設計者，它的核心理念是“把PC像器件一樣設計到客戶(hù)的目標應用系統中”。在其114mm(長(cháng))x95 mm(寬)×16 mm(高)的尺寸上，集成了標準PC所有的功能，同時(shí)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(luò )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(xiàn)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(shí)，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(guò)總線(xiàn)上的PCI或ISA實(shí)現。每個(gè)連接器所提供的信號如下：
1)ETX連接器X1：PCI總線(xiàn)(32位)、USB、聲卡；2)ETX連接器X2：ISA總線(xiàn)(16位)；3)ETX連接器X3：VGA、LCD(LVDS)、COMl、COM2、IrD-A、鍵盤(pán)／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(gè)PCICLK和4對REQ#／GNT#信號，因此它只能驅動(dòng)4個(gè)PCI功能設備，若要滿(mǎn)足CPCI總線(xiàn)主控模塊驅動(dòng)7個(gè)擴展插槽的要求，可以通過(guò)在ETX PM模塊和CPCI系統總線(xiàn)連接器之間增加一個(gè)PCI-PCI總線(xiàn)橋來(lái)實(shí)現總線(xiàn)擴展。PCI-PCI總線(xiàn)橋作為上一級總線(xiàn)的一個(gè)負載，而向下可以驅動(dòng)一個(gè)總線(xiàn)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(cháng)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(gè)32位最高工作頻率66 MHz的PCI總線(xiàn)之間提供橋連接。該橋支持突發(fā)模式(burst mode transfers)，極大增加了數據的吞吐量，橋的總線(xiàn)數據路徑(bustraffic paths)獨立工作。橋的主、從PCI總線(xiàn)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(gè)設備，除了為每個(gè)設備提供內部仲裁，也可由系統提供外部仲裁。PCI2050BI提供lO個(gè)設備時(shí)鐘輸出。使用PCI2050BI生行PCI-PCI總線(xiàn)橋擴展，其設計框圖如圖2所示。
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