德州儀器PCI2250 PCI-to-PCI橋接器：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在當(dāng)今的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PCI（Peripheral Component Interconnect）總線因其高性能和廣泛的兼容性，成為了連接各種外設(shè)的重要接口。而PCI-to-PCI橋接器則在擴(kuò)展PCI總線功能、克服電氣負(fù)載限制等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的PCI2250 PCI-to-PCI橋接器，了解它的特點(diǎn)、功能以及在實(shí)際設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

文件下載：PCI2250PGF.pdf

一、PCI2250概述

PCI2250是一款高性能的PCI-to-PCI橋接器，它為兩個PCI總線之間提供了高效的連接路徑。該橋接器支持兩個32位、33 MHz的PCI總線，并且允許在兩個總線上同時進(jìn)行橋接事務(wù)，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｋ€支持突發(fā)模式傳輸，能夠最大化數(shù)據(jù)吞吐量，同時兩個總線的數(shù)據(jù)流路徑相互獨(dú)立，互不干擾。

特點(diǎn)與優(yōu)勢

1. 廣泛的兼容性：PCI2250不僅符合PCI本地總線規(guī)范，還符合PCI-to-PCI橋接器規(guī)范，能夠與各種PCI設(shè)備無縫集成。它可以通過創(chuàng)建分層總線來克服每個PCI總線最多連接10個設(shè)備以及每個擴(kuò)展槽只能連接一個PCI設(shè)備的電氣負(fù)載限制。
2. 先進(jìn)的仲裁機(jī)制：提供兩級內(nèi)部仲裁，支持多達(dá)四個二級總線主設(shè)備，并可與外部二級PCI總線仲裁器配合使用，確保了總線資源的合理分配和高效利用。
3. 熱插拔支持：具備緊湊PCI（CPCI）熱插拔擴(kuò)展功能，使其成為多功能緊湊PCI卡以及單功能卡實(shí)現(xiàn)熱插拔兼容性的理想解決方案。
4. 靈活的解碼選項(xiàng)：可以在主接口上配置為正向解碼或減法解碼，并提供多種額外的解碼選項(xiàng)，適用于定制PCI應(yīng)用。
5. 低功耗設(shè)計(jì)：采用先進(jìn)的CMOS工藝，核心邏輯供電為3.3 V，在保證高性能的同時，有效降低了系統(tǒng)功耗。

相關(guān)文檔與訂購信息

在進(jìn)行PCI2250的設(shè)計(jì)和應(yīng)用時，我們需要參考一些相關(guān)的文檔，如Advanced Configuration and Power Interface（ACPI）Revision 1.0、PCI Local Bus Specification Revision 2.2等。訂購信息方面，PCI2250有兩種封裝可供選擇：160引腳的QFP（PCM）和176引腳的薄QFP（PGF），電壓支持3.3 V，I/O具有5 - V容限。

二、引腳描述

PCI2250的引腳分為多個類別，包括主PCI系統(tǒng)、二級PCI系統(tǒng)、電源供應(yīng)和雜項(xiàng)引腳等。每個引腳都有其特定的功能和作用，下面我們來詳細(xì)了解一下。

主PCI系統(tǒng)引腳

主PCI系統(tǒng)引腳包括時鐘（P_CLK）、復(fù)位（P_RST）、地址和數(shù)據(jù)總線（P_AD）、命令和字節(jié)使能（P_C/BE）等。這些引腳為PCI總線提供了基本的時序和控制信號，確保了主PCI總線上的事務(wù)能夠正常進(jìn)行。例如，P_CLK為所有主PCI總線上的事務(wù)提供時序，所有主PCI信號都在P_CLK的上升沿進(jìn)行采樣。

二級PCI系統(tǒng)引腳

二級PCI系統(tǒng)引腳與主PCI系統(tǒng)引腳類似，但功能上是針對二級PCI總線的。其中，S_CLKOUT[0:4]為二級PCI總線提供時鐘輸出，確保二級總線上的設(shè)備能夠同步工作。此外，還有一些引腳用于仲裁、設(shè)備選擇和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

電源供應(yīng)和雜項(xiàng)引腳

電源供應(yīng)引腳包括GND和Vcc，分別提供接地和核心邏輯電源。雜項(xiàng)引腳如GOZ、NO/HSLED等，用于特定的功能控制，如NAND樹使能和熱插拔LED指示等。

三、功能與協(xié)議描述

系統(tǒng)架構(gòu)

PCI2250的系統(tǒng)架構(gòu)基于兩個獨(dú)立的PCI總線，通過內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)與主機(jī)軟件的交互。這些內(nèi)部寄存器提供了標(biāo)準(zhǔn)的PCI狀態(tài)和控制功能，同時還包含了許多TI特定的擴(kuò)展寄存器，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

PCI命令響應(yīng)

PCI2250作為PCI目標(biāo)設(shè)備，根據(jù)地址階段的解碼和內(nèi)部寄存器設(shè)置，對PCI總線周期做出響應(yīng)。它可以識別多種有效的PCI總線周期，如I/O讀寫、內(nèi)存讀寫等，并根據(jù)不同的命令進(jìn)行相應(yīng)的處理。需要注意的是，PCI2250不會對中斷確認(rèn)、特殊周期、雙地址周期或保留命令做出響應(yīng)。

配置周期處理

PCI本地總線規(guī)范定義了兩種類型的PCI配置讀寫周期：類型0和類型1。PCI2250會根據(jù)不同的類型進(jìn)行不同的解碼和處理。類型0配置周期用于主總線上的設(shè)備，而類型1配置周期用于下級總線上的設(shè)備。PCI2250會根據(jù)目標(biāo)總線的總線號來判斷是否處理類型1配置周期，并將其轉(zhuǎn)換為類型0配置周期或直接轉(zhuǎn)發(fā)。

特殊周期生成

PCI2250可以通過類型1周期轉(zhuǎn)換在兩個總線上生成特殊周期。當(dāng)類型1配置周期的總線號與橋接器的二級總線號匹配，并且設(shè)備號為1Fh、功能號為07h時，橋接器會在二級總線上生成特殊周期。

二級時鐘輸出

PCI2250提供五個二級時鐘輸出（S_CLKOUT[0:4]），其中四個用于為二級設(shè)備提供時鐘，另一個時鐘應(yīng)反饋回PCI2250的S_CLK輸入，以確保所有二級總線設(shè)備看到相同的時鐘。

總線仲裁

PCI2250實(shí)現(xiàn)了主總線和二級總線的仲裁機(jī)制。在主總線仲裁中，PCI2250作為發(fā)起者，通過P_REQ請求訪問主PCI總線，并根據(jù)P_GNT的響應(yīng)發(fā)起事務(wù)。在二級總線仲裁中，PCI2250提供兩級仲裁方案，支持四個二級總線請求和四個二級總線授予，可根據(jù)不同的優(yōu)先級需求進(jìn)行配置。

解碼選項(xiàng)與擴(kuò)展窗口

PCI2250支持正向、減法和負(fù)向解碼，默認(rèn)在主接口上采用正向解碼，在二級總線上采用負(fù)向解碼。此外，它還提供兩個可編程的32位擴(kuò)展窗口，每個窗口可以配置為預(yù)取內(nèi)存窗口、非預(yù)取內(nèi)存窗口或I/O窗口，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更精細(xì)的地址解碼和內(nèi)存管理。

系統(tǒng)錯誤處理

PCI2250可以在多種條件下配置為發(fā)出系統(tǒng)錯誤信號（SERR）。通過P_SERR事件禁用寄存器和P_SERR狀態(tài)寄存器，可以對每個可能觸發(fā)SERR的條件進(jìn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測。

奇偶校驗(yàn)處理

PCI2250可以通過診斷控制寄存器的第14位配置為傳遞奇偶校驗(yàn)或提供奇偶校驗(yàn)。當(dāng)檢測到地址奇偶錯誤或數(shù)據(jù)奇偶錯誤時，橋接器會根據(jù)命令寄存器的設(shè)置發(fā)出相應(yīng)的錯誤信號。

主設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備中止處理

當(dāng)PCI2250在寫突發(fā)或讀突發(fā)過程中接收到目標(biāo)中止信號時，會根據(jù)不同的情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。同時，對于主設(shè)備中止和目標(biāo)設(shè)備中止的報(bào)告，也遵循PCI-to-PCI橋接器規(guī)范。

延遲事務(wù)處理

PCI2250支持PCI本地總線規(guī)范中定義的延遲事務(wù)。當(dāng)目標(biāo)設(shè)備無法在規(guī)定時間內(nèi)完成事務(wù)時，橋接器會進(jìn)行相應(yīng)的處理，如發(fā)出重試信號，并在事務(wù)完成后將結(jié)果返回給發(fā)起者。

多功能引腳

PCI2250有兩個多功能引腳（P_MFUNC和S_MFUNC），可以根據(jù)MS0和MS1的設(shè)置配置為LOCK、CLKRUN或緊湊PCI熱插拔ENUM和SWITCH等功能。

PCI電源管理

PCI電源管理接口規(guī)范定義了PCI功能的電源管理標(biāo)準(zhǔn)。PCI2250支持四種軟件可見的電源管理狀態(tài)（D0 - D3），并提供相應(yīng)的功能，如能力報(bào)告、電源狀態(tài)報(bào)告、設(shè)置電源狀態(tài)和系統(tǒng)喚醒等。

四、橋接器配置頭

PCI2250的配置頭包含了一系列的寄存器，用于配置和控制橋接器的各種功能。這些寄存器提供了標(biāo)準(zhǔn)的PCI狀態(tài)和控制信息，同時也包含了一些TI特定的擴(kuò)展寄存器。

寄存器功能概述

• 廠商ID寄存器：標(biāo)識TI為該設(shè)備的制造商，值為104Ch。
• 設(shè)備ID寄存器：標(biāo)識PCI設(shè)備，PCI2250的設(shè)備ID為AC23h。
• 命令寄存器：控制橋接器與主PCI總線的接口，包括系統(tǒng)錯誤（SERR）使能、奇偶錯誤響應(yīng)使能等功能。
• 狀態(tài)寄存器：提供設(shè)備信息給主機(jī)系統(tǒng)，如檢測到的奇偶錯誤、發(fā)出的系統(tǒng)錯誤等。
• 其他寄存器：還包括修訂ID寄存器、類代碼寄存器、緩存行大小寄存器等，每個寄存器都有其特定的功能和作用。

五、擴(kuò)展寄存器

TI擴(kuò)展寄存器位于標(biāo)準(zhǔn)PCI-to-PCI橋接器設(shè)備配置空間之外（即PCI配置空間中的40h - FFh寄存器），這些寄存器可以通過配置讀寫進(jìn)行訪問，為標(biāo)準(zhǔn)PCI-to-PCI橋接器增加了靈活性和性能優(yōu)勢。

部分?jǐn)U展寄存器功能

• 芯片控制寄存器：用于控制某些PCI事務(wù)的功能，如內(nèi)存讀取預(yù)取使能等。
• 擴(kuò)展診斷寄存器：可用于重置PCI2250和二級總線。
• 仲裁控制寄存器：用于橋接器的內(nèi)部仲裁，采用兩級旋轉(zhuǎn)仲裁方案。

六、電氣特性

在設(shè)計(jì)PCI2250的應(yīng)用電路時，需要考慮其電氣特性，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

絕對最大額定值

PCI2250在不同的工作溫度范圍內(nèi)有相應(yīng)的絕對最大額定值，超過這些值可能會對設(shè)備造成永久性損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)確保設(shè)備的工作條件在推薦的范圍內(nèi)。

推薦工作條件

推薦工作條件包括電源電壓、輸入輸出電壓、工作溫度等。例如，核心邏輯電源電壓推薦為3.3 V，輸入輸出電壓應(yīng)根據(jù)具體的信號要求進(jìn)行設(shè)置。

電氣特性參數(shù)

PCI2250在推薦工作條件下的電氣特性參數(shù)包括高電平輸出電壓、低電平輸出電壓、高電平輸入電流、低電平輸入電流等。這些參數(shù)對于電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試非常重要，需要仔細(xì)考慮。

時鐘和復(fù)位時序要求

PCI時鐘和復(fù)位信號的時序要求對于系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。PCI2250對PCLK的周期時間、高電平脈沖持續(xù)時間、低電平脈沖持續(xù)時間等都有明確的要求，同時對RSTIN的脈沖持續(xù)時間和設(shè)置時間也有規(guī)定。

參數(shù)測量信息

文檔中還提供了參數(shù)測量的相關(guān)信息，包括負(fù)載電路參數(shù)、電壓波形、時序輸入等，這些信息對于準(zhǔn)確測量和驗(yàn)證PCI2250的性能非常有幫助。

七、機(jī)械數(shù)據(jù)

PCI2250有兩種封裝形式：PGF（S-PQFP-G176）和PCM（S-PQFP-G***）。文檔中提供了這兩種封裝的機(jī)械尺寸圖和相關(guān)說明，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時，需要根據(jù)封裝的尺寸和引腳布局進(jìn)行合理的規(guī)劃。

八、總結(jié)與思考

PCI2250作為一款高性能的PCI-to-PCI橋接器，具有廣泛的應(yīng)用前景。它的先進(jìn)特性和豐富的功能為電子工程師提供了更多的設(shè)計(jì)選擇和靈活性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要充分了解其特點(diǎn)和功能，結(jié)合具體的應(yīng)用需求進(jìn)行合理的配置和優(yōu)化。

同時，我們也需要思考如何進(jìn)一步提高PCI總線系統(tǒng)的性能和可靠性。例如，如何更好地利用PCI2250的仲裁機(jī)制來提高總線資源的利用率？如何在熱插拔應(yīng)用中確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的安全性？這些問題都值得我們在后續(xù)的設(shè)計(jì)中深入探討和研究。

希望通過本文的介紹，能夠幫助電子工程師更好地理解和應(yīng)用PCI2250 PCI-to-PCI橋接器，為電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供有益的參考。如果你在設(shè)計(jì)過程中遇到任何問題或有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)分享，歡迎在評論區(qū)留言交流。