引言

PCIE總線是由Intel公司提出用來取代現行PCI總線的下一代總線技術，被公認為未來總線的發展方向，目前已經成功應用在了商業機上。相對于目前流行的PCI總線，它具有如下特點：

采用了串行點對點模式，數據總線從并行走回向串行無疑是一個趨勢，如現在流行的SATA總線、PCIE總線和rapidIO總線都是串行總線。現在串行總線在速度上的優勢可以說是毋庸置疑的。PCIE總線在每個方向上都有X1，X2，X4，X8，X16或X32個信號對，用戶可根據不同的需求采用不同的配置。同時串行信號還具有管教更少，便于調試的優點。

PCIE采用了基于數據包的協議來編碼事物，而不是PCI體系結構的總線周期。數據包被串行發送和接受，并被字節拆分來通過物理鏈路。鏈路上實現的通道越多，數據包發送的數據越快，鏈路的帶寬也越寬。同時PCIE還定義了各種類型的數據包，如存儲器讀／寫請求、I／O讀／寫請求、配置讀／寫請求、消息請求和完成數據包等。

PC／104標準是一種嵌入式的總線標準，具有功耗低，尺寸小，堆棧式結構的特點。隨著目前各種應用數據傳輸量的增大，現行的PCI總線在帶寬方面已經略顯疲態，而新近瑞士邏輯提出的PC／104 Express標準，使得PCIE總線技術被成功地應用在了PC／104標準的板卡上。本文采用了PLX公司的PEX8311橋接芯片，完成了PCIE到局部總線接口的轉換，應用PLX公司提供的開發工具在Linux操作系統下實現了板卡的驅動應用。在軟硬件兩方面進行了設計，完成了PCIE／104板卡的功能，升級了系統的總線。

1、 PCIE／104高速信號接口卡的系統

PCIE／104高速信號接口卡的系統設計方案如圖1所示。

外部傳感器采集到的數據通過LVDS，RS 422等電平方式，以固定的不同串口波特率傳到FPGA內部集成的各自對應的雙口RAM中。當寫入了固定字節后，設定標志位stage為1，同時發出中斷信號LINT#給PEX8311。PEX8311產生了assert_INT1信息，并通過PCIE接口發給上位機。上位機保存好現在的任務后，通過PCIE開始發出存儲器讀命令給PEX8311。PEX8311獲得命令后，向FPGA發出本地總線申請信號，FPGA作為本地端的控制器將本地總線控制權交給PEX8311。PEX8311開始讀數據，首先要進行的是讀取標志位，在讀取了標志位后，上位機就知道是哪幾路串口信號需要讀入。然后，把標志位清掉，這樣相當于清掉了中斷信號。接著，中斷服務程序在進入到各個串口的RAM中，來讀取相應的數據。在多路串口信號傳輸過來時，針對該系統，采用的是優先滿足高速串口的原則，也就是采用高速串口的標志位作為中斷信號，每次產生中斷后查詢其他標志位。數據到上位機后待處理。該系統目前實現的是兩路串口，而多路串口原理相同。

1．1 硬件總體概述

主要包括以下幾部分，PEX8311橋接芯片負責完成本地總線和PCIE總線的相互裝換；FPGA選用了spartan-3an 1400K。這里在內部實現了3個模塊，首先完成雙口RAM模塊；其次完成了多路串口數據的接受與協調模塊；最后還要實現PEX8311芯片本地端控制器模塊。

1．1．1 PEX8311芯片介紹

PEX8311是PLX Technology公司推出的一款專用于將DSP，FPGA等處理器總線接口升級為PCIE的橋接器件。利用PEX8311靈活的局部總線可以方便地連接多種存儲器、緩存器及。FPGA，DSP等邏輯芯片，使復雜的PCI-E接口設計簡單化。PEX8311兼容PCI Express 1．0標準，其本地總線和寄存器與PCI9056兼容，能夠提供完整的本地總線到PCI-E的接口，包括地址轉換、包生成與解碼、信號中斷支持及并／串轉換等。

PEX8311的特點如下：

（1）集成了單通道、全雙工2．5 Gb／s傳輸的PCI Express端口；

（2）可配置局部總線寬度，支持8位、16位和32位的總線方式；

（3）支持單路和多路總線操作模式；

（4）高性能的DMA數據傳輸，支持數據塊模式、集散模式、循環隊列管理模式和命令模式；

（5）支持端點和根復合體模式；

（6）芯片小型封裝，適合緊湊的電路板設計；

（7）芯片低功耗設計；

（8）3．3 V的I／O并兼容5 V系統；

（9）啟動配置的串行E2PROM支持（SPI和Microwire接口）；

（10）有8 KB的通配共享RAM。

PEX8311的內部結構如圖2所示。

1．1．2 PCIE／104總線標準介紹

PC／104是最早由瑞士邏輯提出的一種工業總線標準，它由最早的PC／104總線發展到PC／104+總線，直到目前的PC／104 Express，分別對應ISA總線、PCI總線和PCIE總線。由于它是一種堆棧型的嵌入式總線，所以將PCIE總線應用在這個標準上與普通的PCIE金手指有一些不同。為了滿足PC／104的嵌入式堆棧結構，使其能夠實現從板子上、下都可以連接，必須采用PCIE Switch芯片，這里使用的是PERICOM公司

制造的PI2PCIE2412款Switch芯片。電路原理圖如圖3所示。

圖3中接受、發送和差分時鐘這3對差分信號線通過轉接芯片變成了6對差分信號線。由主機板卡發出選擇信號（cpu_dir），分別控制設備板卡是在主機板卡的上面還是下面。同時采用MAX6306芯片來鏈接PEX8311的復位端和PCIE接插件的復位端，同時實現了手動復位和LOCAL端的復位。

1．1．3 PEX8311的外圍電路配置與LOCAL端接口的控制

PEX8311有幾個類別的模式選擇，分別是根聯合體模式（Rootcomplex）與終端模式（Endpoint），根據需要這里選擇了終端模式。此外PEX 8311還區分C模式，J模式，M模式。這三種模式解釋如下：C模式的地址線與數據線是分開的，J模式下地址線與數據線是復用的，而M模式是針對了Motor的本地端CPU設置的。三種模式通過模式選擇管腳選擇，這里選擇C模式作為工作模式。PEX8311有1．5 V，2．5 V，3．3 V三種電源供電以及一個模擬電源1．5VPLL。在配置寄存器方面，PEX8311有兩個配置寄存器，分別是采用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來提供控制接口與高速緩存，選擇這款FPGA主要因為它是有內部FLASH，不用再加外部的E2PROM。

由于PC／104是一種嵌入式的板卡，體積比較小，所以用這款FPGA是可以節省板上的空間。FPGA內部程序的編寫是關鍵之一。這里采用Verilog，實現對PEX8311的控制，當上位機響應了中斷后，對PEX8311發出讀數信號。PEX8311通過LHOLD申請控制本地總線，待收到FPGA發出的LHOLDA響應信號后獲得本地總線的控制權，并立即啟動4 B突發模式。FPGA在收到有效的LW／R讀信號和ADS地址選通信號后，發出Ready本地準備好應答信號。PEX8311開始從雙口中讀取數據，傳輸最后一個數據時，PEX8311發出BLAST信號，雙口RAM使得讀使能和輸出使能無效。

1．2 系統軟件部分的實現

該系統的軟件部分是在Linux下實現的，在Linux中所有的設備都被看成文件來對待。在Linux內核中，設備驅動作為文件系統的一個模塊存在。它向下負責與硬件系統的交互，向上通過一個通用的接口掛接到文件系統上面。從而和系統的內核鏈接起來。設備驅動為應用程序屏蔽了很多細節。使得應用程序對外設的操作就和操作普通的文件是一個樣子的。利用PLX公司提供的開發工具，驅動的開發是比較方便的，本文系統中主要用到的是要編寫一個中斷服務程序：系統在收到中斷，保存現場。進入中斷服務程序。首選讀取標志位，再馬上清中斷，之后讀取響應RAM中的數據。最后恢復現場，完成操作。

2、 系統PCB設計和高速信號的完整性分析

由于PCIE的傳輸速率較高，單向速率達到2．5 Gb／s。所以對板子的布線有嚴格的要求。疊層這里選用了8層PUCB板，有4個電源層，使得每個信號都能夠屏蔽在電源層與地層中間。從而減少了信號的電磁輻射。對于PCIE的差分線部分：微帶線要求差分線寬5 mil，間距小于12 mil，差分線間距離大于20 mil，同時與地層間距為3．5～5．5 mil。帶狀線要求線寬4 mil，間距小于11 mil，間距大于20 mil。且對于收發差分線，差分線長差距不能大于5 mil。這些都是為了能達到PCIE規范的要求，即單端阻抗55 Ω，差分阻抗100 Ω（偏差10％）而設置的。

經過ploar軟件計算，將以上的數據輸入進去，再加入PCB廠家提供的介電常數等參數，最后得出的阻抗完全滿足設計需求。多層板的高速信號設計很有必要進行信號完整性仿真，應用廠家提供的IBIS模型，采用Hyperlynx對板子進行了本地端和時鐘端的信號完整性仿真。并根據仿真對布線提供了約束條件。而針對PCIE的高速差分端總線，因為在高速信號仿真方面IBIS模型還不夠精確，所以，PLX公司對其兩對收發端口提供SPice模型，如圖4所示。

將上訴模型導入HSpice中，同時引入PCIESwitch芯片給出的IBIS模型與板子上面的差分線trace的rglc模型。輸出端的仿真效果圖如下，可以看出差分信號的幅值是可以滿足PCIE規范的電氣要求的。

3、 結語

PC／104作為一種嵌入式總線標準已經被很多控制系統所采用，而PCIE／104接口的提出將未來最為流行的串行差分總線結構，引入到了這種嵌入式總線標準，從而為各種高速、高帶寬的嵌入式系統提供了選擇。目前該系統由于采用了PCIE總線，相比采用PLX9054實現的PCI接口具有明顯的優勢。

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