ETX 模塊在CPCI 總線CPU 卡上的應用
文章出處：http://www.jrzgy.com 作者：呂茜 人氣： 發表時間：2011年10月07日
0 引言
在一些特定的條件(如惡劣環境、軍事應用環境條件) 下應用的計算機比普通商用計算機一般在以下幾個方面有更高、更嚴的要求：氣候、機械和電磁環境適應性好，可靠性、可用性、可維修性好，可操作性、人機交互性能，體積小、重量輕、功耗低，可擴展性、升級方便和使用周期長。
在一些應用場合，還會有一些特定要求，例如：某些裝載平臺，如車載、機載平臺，對安裝空間(體積、外形)等通常會提出相應的要求，還會提出前方維修的要求；某些應用需求中，用戶接口種類和數量多，一般的商用計算機不能滿足要求。
目前在大多數情況下，選用適當的成熟的主流商用計算機進行后天加固，采用相應的加固措施提高機械環境、氣候環境和電磁環境的適應性，以適應惡劣環境、軍用環境等特定環境的應用。在本人承擔的XX 項目地面系統中有一種車載計算機，由于車載平臺空間限制，要求車載計算機采用3U卡，而且用戶要求的接口的種類和數量比一般商用計算機多得多，目前國內外市場上難以找到現成的CPU 卡商用產品，為此不得不自行研制這種板卡。車載計算機的其它部件則盡量采用商用現成產品，進行后天加固。
1 CPU 卡的設計方案
1.1 基于ETX 模塊
通常CPU 卡設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研制費用較少、研制周期緊，采用基于ETX 模塊的CPU卡設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總線以及標準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 卡設計、節省研制經費，縮短研制周期。
ETX(embedded technology extended)是由著名的德國嵌入式工業PC產品供應商JUMPTEC集團率先定義并在業界得到推廣的一種嵌入式PC 標準，ETX 模塊產品必須結合用戶的PCB 基板一起使用。所有ETX 模塊均通過背面的標準ETX －BUS (4× 100pin) 與用戶設計的PCB 基板相連接。ETX － BUS定義了標準的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 卡基本結構
CPU 卡的基本結構如圖1 所示，可分為ETX 模塊、橋芯片、總線接口、I/O 接口等。
1.3 設計要求
(1)基于ETX 模塊的CPCI 總線CPU卡設計關鍵在與自行開發ETX-CPCI 運載板，在運載板上將ETX模塊提供的PCI 總線轉換成CPCI 總線，同時將盡可能多的接口通過CPCI 的J2轉接到后走線板上，保留前面板VGA、PS/2、LAN、USB 接口，以便于調試。一個IDE 接口以44pin 的形式保留在CPU 卡上，根據系統配置要求連接電子盤。另一個IDE 接口通過J2 轉接到后走線板上，連接光驅等外設。
(2)充分考慮將來擴展和用戶需求變更的需要，CPU 卡設計應將盡可能多的接口引到后走線板上，已便將來根據用戶需求重新更改后走線板設計即可。
(3)元器件布局和布線要充分考慮信號轉接的可靠性和抗干擾能力。電路布局時應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 提供標準的PCI 總線信號組和標準的ISA 總線信號組。ETX 提供的通用接口包括：兩對USB 串行數據線用于標準的USB接口；兩個IDE接口；一個并口，可復用為軟驅接口；PS/2 標準鍵盤和鼠標接口；兩個串行口；以太網接口信號；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。根據以上所述，將本次設計計劃分為：橋芯片及總線接口、I/O 接口(IDE、VGA 接口、串口、鍵盤鼠標接口、USB 接口、網口、并口、軟驅接口)、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 卡的熱插拔的實現不僅在硬件上還需要作大量的工作，軟件上也需要進行大量的工作，在本次設計中暫不考慮CPU 卡熱插拔的應用。ETX 模塊提供的PCI 總線接口只支持4 各PCI 外設槽位，在一般的CPCI 系統中，也要有至少6個CPCI 插槽。因此在本次設計中必須加入總線橋接芯片。
PCI-PCI 橋的作用是協調兩條PCI 局部總線之間的交通。它的作用是監視在這兩條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，橋必須充當啟動交易的總線目標，以及交易的目標總線的主設備。對于交易的主設備(以及交易的目標)來說，橋駐留于交易的起始總線和目標之間，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備驅動程序的設備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，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，發現有一款TI 公司生產的PCI2050 芯片，兼容CPCIHot Swap 協議，該協議定義了在不影響系統運行的條件下插入和拔出擴展卡的過程，即支持擴展板卡的熱插拔，并有一個交換二極管指示。選擇這款芯片就為系統中其它擴展卡實現熱插拔準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。數據交換在主控PCI 總線和目標PCI 總線橋接。器件允許兩端的總線同時發生數據傳輸。兩路橋傳輸各自獨立，都支持猝發模式增大數據吞吐量。PCI2050 支持一個運行速度高達33MHz的32 位擴展接口，并分別最多對4 個和9 個次級主機提供兩層內部仲裁。它還同Intel21150ab/ac 和2115bcPCI-PCI 橋芯片引腳兼容，可以方便更換橋芯片，而不用更改原設計。該產品有多種節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。本次設計屬于首次接觸橋接芯片，為了便于調試我們選擇208 腳QFP的封裝形式。
根據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備驅動總線的情況下仍有穩定的值。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，總線的停靠即可保證它們的穩定。
2.3 I/O 接口
2.3.1 IDE 接口
集成驅動器電路(IDE)是一個一般性術語，適用于任何具有集成(內置) 磁盤控制器的驅動器。其實IDE 接口的官方名稱是ATA(AT 嵌入式接口)，它也是一個ANSI 標準，從更精確的角度來講，它是由幾種不同版本的標準進化而來。不管怎么看，IDE 一般來說能適用于任何有內置控制器的磁盤驅動器。
IDE 設備一般包括硬盤、光驅等。因為本次設計的CPU卡主要應用于抗惡劣環境計算機中，所以系統引導要選用電子盤。電子盤的工作溫度和抗振性要遠遠好于普通硬盤，但電子盤價格相對昂貴，大容量的電子盤也很難采購。因此系統中的數據盤還要使用硬盤，通過加熱的方法可以使硬盤在系統啟動一定時間后正常工作。由于加熱電路的設計不在本文討論范圍內，這里就不詳細敘述加熱電路的設計方法了。
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 設備。普通IDE 設備的接口一般為40pin 的信號接端口，IDE 設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。
當IDE 設備處于活動狀態(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光二極管接到電源上，用于指示IDE 設備的活動狀態，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。模擬顯示和數字顯示相似，使用RGB 電子槍來形成各種顏色，但模擬系統中的各種顏色可以在不同的強度級別上顯示，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的模擬圖像技術提高了系統表示顏色的能力。
本次設計中考慮到調試的方便，在CPU 卡的前邊緣設計一個標準的VGA接口，用BD15 孔型連接器將VGA信號引出。同時考慮到此CPU卡一般將應用在武器系統特定的后出線結構形式的機箱中，所以又將VGA信號引到后走線板接口P2 上。
2.3.3 鍵盤鼠標接口
為了方便調試，在CPU卡的前邊緣設計一個標準PS/2 接口，用PS/2 插座將鍵盤鼠標信號引出。同時考慮到此CPU 卡一般將應用于武器系統特定的后出線結構形式機箱中，所以又將鍵盤鼠標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，必須經過濾波和隔離后方可連接。否則很容易將鍵盤鼠標這種輸入設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 標準。
RS-232 標準(協議) 的全稱是EIA-RS-232C 標準，EIARS-232C 標準最初是為遠程通信連接數據終端設備ETD(dataterminal equipment) 與數據通信設備DCE (data communicationequipment)而定制的。因此這個標準的制定，并未考慮計算機系統的應用要求。但如果想要應用于計算機(更準確的說，是計算機接口)與終端或外設之間的近端連接。顯然，這個標準的有些規定和計算機系統是不一致的，甚至是相矛盾的。另外，EIA-RS-232C 標準中所提到的“發送”和“接收”，站在DTE立場上，而不是站在DCE 的立場來定義的。由于在計算機系統中，往往是CPU 和I/O 設備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發送和接收。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，正電壓)為+3v~+15信號無效(斷開，OFF 狀態，負電壓)為-3v~-15vEIA-RS-232C 使用正負電壓來表示邏輯狀態，與TTL 以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。因此，為了使TTL 器件能夠同通用的串口設備連接，必須在EIA-RS-232C 與TTL 電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現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用集成電路轉換器件，如UAM211E、SN75150 芯片可完成TTL 電平到EIA 電平的轉換。
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、輸入信號都要經過UAM211E，進行電平轉換后才能送到連接器上或從連接器送進來。
2.3.5 網口
ETX 模塊提供一個10BASE-T/100BASE-T 自適應以太網接口，需要連接一個匝數比為1：1 的變壓器，起到保護作用。
2.3.6 USB 接口
USB(通用串行總線)是一種外部設備總線標準，它的設計為PC 的外部連接設備帶來了即插即用功能。USB 的出現不再需要專用的端口，也減少了專用的I/O 接口的使用，大大節約了像IRQ 這樣重要資源，所有連接到USB 端口設備只需要一個IRQ 即可。所以現在的CPU 卡設計中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裝置，來防止外部USB 設備或電纜損壞時引起的系統故障或崩潰。USB 接口支持熱插拔，這是USB 接口最大的一個優點。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 設備熱插拔時所引起的電流瞬時的浪涌。
3 CPCI 板卡的PCB 設計
3.1 元器件封裝的選擇
本次設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、節省了印制板空間，簡化了整版的布局和走線。
3.2 PCB 層數的選擇
本次設計選擇制作8 層的PCB 板。CPCI 板卡的總線標準連接器管腳間距為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雜性，將信號層設計為4 層，電地層設計為4 層。印制板最終的層分布設計依次為頂層信號層、3.3V 電層、內信號層1、地層、地層、內信號層2、5V 電層、底信號層，如圖6 所示。
3.3 元器件布局
PCB 設計最早要做的就是對元器件進行封裝，將原理圖中只是功能模塊的連接信息轉換為實際的為物理器件的電連接器。設計中布局是一個重要環節。布局結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設計成功的第一步。對于本次設計，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 電路設計
為了實現CPCI 的一系列特點，規范里有一系列關于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，電阻應該設置在信號的連接器引腳的15.2mm 之內，這些總線信號包括AD0-31，C/BE0-3#，PAR，FRAME#，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 設計
(1) 網口信號和USB 信號，屬于差分信號，在印制板上走線時要應用差分線，對于網口信號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)網絡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，以保證傳輸質量。
4 結束語
ETX 模塊以其強大的性能、高可靠性、靈活的結構、優良的可擴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，深刻理解高頻數字電路設計方法，已成功研制出基于ETX 模塊的3U 的CPCI 總線CPU 卡。經綜合測試和實際應用驗證表明，該卡已達到了系統要求的性能指標，系統工作穩定，各接口應用正常。
(文/華北計算技術研究所，呂茜)
