ETX 模块在CPCI 总线CPU 卡上的应用
文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：吕茜 人气： 发表时间：2011年10月07日
0 引言
在一些特定的条件(如恶劣环境、军事应用环境条件) 下应用的计算机比普通商用计算机一般在以下几个方面有更高、更严的要求：气候、机械和电磁环境适应性好，可靠性、可用性、可维修性好，可操作性、人机交互性能，体积小、重量轻、功耗低，可扩展性、升级方便和使用周期长。
在一些应用场合，还会有一些特定要求，例如：某些装载平台，如车载、机载平台，对安装空间(体积、外形)等通常会提出相应的要求，还会提出前方维修的要求；某些应用需求中，用户接口种类和数量多，一般的商用计算机不能满足要求。
目前在大多数情况下，选用适当的成熟的主流商用计算机进行后天加固，采用相应的加固措施提高机械环境、气候环境和电磁环境的适应性，以适应恶劣环境、军用环境等特定环境的应用。在本人承担的XX 项目地面系统中有一种车载计算机，由于车载平台空间限制，要求车载计算机采用3U卡，而且用户要求的接口的种类和数量比一般商用计算机多得多，目前国内外市场上难以找到现成的CPU 卡商用产品，为此不得不自行研制这种板卡。车载计算机的其它部件则尽量采用商用现成产品，进行后天加固。
1 CPU 卡的设计方案
1.1 基于ETX 模块
通常CPU 卡设计采用分立的中央处理器芯片和配套的芯片组，研制成本较高，研制周期较长。本项目研制的车载计算机研制费用较少、研制周期紧，采用基于ETX 模块的CPU卡设计方案可以较好地解决这一难题。ETX 的模块可看成是一个集成了CPU、PCI 总线、ISA总线以及标准PC/IO功能的特殊芯片，ETX 模块具有高性能、低功耗、小尺寸、一个PC 完全兼容便于升级、抗振性好、有不同档次的CPU 可选取等特点，采用ETX 模块可以简化CPU 卡设计、节省研制经费，缩短研制周期。
ETX(embedded technology extended)是由著名的德国嵌入式工业PC产品供应商JUMPTEC集团率先定义并在业界得到推广的一种嵌入式PC 标准，ETX 模块产品必须结合用户的PCB 基板一起使用。所有ETX 模块均通过背面的标准ETX －BUS (4× 100pin) 与用户设计的PCB 基板相连接。ETX － BUS定义了标准的PCI、ISA 总线信号、USB、声卡、VGA、LCD、Video、COM1、COM2、LPT、FLOPPY、IRDA、Mouse/Keyboard、IDE1、IDE2、Ethernet 等信号。
1.2 CPU 卡基本结构
CPU 卡的基本结构如图1 所示，可分为ETX 模块、桥芯片、总线接口、I/O 接口等。
1.3 设计要求
(1)基于ETX 模块的CPCI 总线CPU卡设计关键在与自行开发ETX-CPCI 运载板，在运载板上将ETX模块提供的PCI 总线转换成CPCI 总线，同时将尽可能多的接口通过CPCI 的J2转接到后走线板上，保留前面板VGA、PS/2、LAN、USB 接口，以便于调试。一个IDE 接口以44pin 的形式保留在CPU 卡上，根据系统配置要求连接电子盘。另一个IDE 接口通过J2 转接到后走线板上，连接光驱等外设。
(2)充分考虑将来扩展和用户需求变更的需要，CPU 卡设计应将尽可能多的接口引到后走线板上，已便将来根据用户需求重新更改后走线板设计即可。
(3)元器件布局和布线要充分考虑信号转接的可靠性和抗干扰能力。电路布局时应尽量考虑电源和地的划分。在8 层PCB 板中，有单独的电源层和地层。由于存在多种电源，例如3.3V、5V、12V，布局时应尽量把相同电源的器件放在一起，以便于电源层不同电源之间的划分。同时地层也要划分。例如芯片169 000 的下方不能有电地层，以免引入干扰。每个芯片都要加去耦电容，最大限度的降低干扰。
(4)I/O接口和模块的电气连接采用插拔方式，以利于升级和便于维修。
2 CPU 卡部件设计
2.1 ETX 接口连接器和接口信号说明
ETX 用4 个100pin 型号为FX8-S100 的连接器传输各种信号，如图2 和图3 所示。
FX8-S100 型连接器为表贴焊接器件，不占用印制板其它走线层空间。引出针脚100 个，两相邻针脚间距0.25 mm。ETX 提供标准的PCI 总线信号组和标准的ISA 总线信号组。ETX 提供的通用接口包括：两对USB 串行数据线用于标准的USB接口；两个IDE接口；一个并口，可复用为软驱接口；PS/2 标准键盘和鼠标接口；两个串行口；以太网接口信号；声卡接口信号；显卡接口。
(1)连接器X1 用于传输PCI总线信号、USB信号及声卡信号；
(2)连接器X2 用于传输ISA 总线信号；
(3)连接器X3 用于传输VGA、LCD、Video、COM1、LPT/Foppy、IrDA 及Mouse/Keyboard 信号；
(4)连接器X4 用于传输IDE1、IDE2、Ethernet 及特性信号。根据以上所述，将本次设计计划分为：桥芯片及总线接口、I/O 接口(IDE、VGA 接口、串口、键盘鼠标接口、USB 接口、网口、并口、软驱接口)、后走线板和后走线接口P2 等及部分。
2.2 总线桥芯片及总线接口
ETX 模块提供的总线接口是PCI 总线，PCI 总线和CPCI总线在电气上的不同主要在于CPCI 总线支持热插拔。但是CPCI 总线CPU 卡的热插拔的实现不仅在硬件上还需要作大量的工作，软件上也需要进行大量的工作，在本次设计中暂不考虑CPU 卡热插拔的应用。ETX 模块提供的PCI 总线接口只支持4 各PCI 外设槽位，在一般的CPCI 系统中，也要有至少6个CPCI 插槽。因此在本次设计中必须加入总线桥接芯片。
PCI-PCI 桥的作用是协调两条PCI 局部总线之间的交通。它的作用是监视在这两条PCI 局部总线上启动的所有交易，并决定是否将交易传送到另一条PCI 局部总线。当桥确定一条总线上的交易需要传送到另一条总线上时，桥必须充当启动交易的总线目标，以及交易的目标总线的主设备。对于交易的主设备(以及交易的目标)来说，桥驻留于交易的起始总线和目标之间，这一事实是不可见的。
除了确定在一条总线上启动的交易是否需要被传送到另一条总线，桥还具有以下功能：
(1)桥监视第二总线上的SERR#，如果采样有效，再将其传送到第一总线的SERR#；
(2)桥监视第二总线上的RST#，如果采样有效，再将其传送到第一总线的RST#；
(3)桥可能具有包含其设备驱动程序的设备ROM，这种情况下，桥必须识别并允许对ROM 存储器的访问；
(4) 桥可能具有一组设备制定的I/O 或存储器映射I/O 寄存器，这些寄存器控制桥的功能，这种情况下，桥必须识别并允许对这些寄存器的访问；
(5)桥可能具有一个存储器缓冲区，在这种情况下，桥必须识别并允许对这些寄存器的访问。
在桥接芯片的选择过程中，发现有一款TI 公司生产的PCI2050 芯片，兼容CPCIHot Swap 协议，该协议定义了在不影响系统运行的条件下插入和拔出扩展卡的过程，即支持扩展板卡的热插拔，并有一个交换二极管指示。选择这款芯片就为系统中其它扩展卡实现热插拔准备了先天的硬件条件。
PCI2050 为PCI 总线提供了高性能的PCI-PCI 连接。数据交换在主控PCI 总线和目标PCI 总线桥接。器件允许两端的总线同时发生数据传输。两路桥传输各自独立，都支持猝发模式增大数据吞吐量。PCI2050 支持一个运行速度高达33MHz的32 位扩展接口，并分别最多对4 个和9 个次级主机提供两层内部仲裁。它还同Intel21150ab/ac 和2115bcPCI-PCI 桥芯片引脚兼容，可以方便更换桥芯片，而不用更改原设计。该产品有多种节省空间的封装形式可以选择，其中包括208 脚QFP封装和209 脚MicroStar BGATM 封装。本次设计属于首次接触桥接芯片，为了便于调试我们选择208 脚QFP的封装形式。
根据PCI2050 资料显示各部分脚功能的分类(PRIMARYPCI、SECONDARY － PCI、POWER、GND、CLOCKS、JTAG、ARBITER)，将PCI2050 原理图原件库画成如图4 所示。
桥芯片的PRIMAR-PCI 主要与ETX 模块提供的PCI 接口信号连接。桥芯片的SECONDARY-PCI 接口部分主要与CPU卡上的CPCI 接口相连。但要注意CPCI 总线的控制信号都要有上拉电阻，这是为了保证它们在没有设备驱动总线的情况下仍有稳定的值。此类信号有FRAME#、TEDY#、ERDY#、ERQ64#和ACK64#。点到点和32 位共享信号不需要上拉电阻，总线的停靠即可保证它们的稳定。
2.3 I/O 接口
2.3.1 IDE 接口
集成驱动器电路(IDE)是一个一般性术语，适用于任何具有集成(内置) 磁盘控制器的驱动器。其实IDE 接口的官方名称是ATA(AT 嵌入式接口)，它也是一个ANSI 标准，从更精确的角度来讲，它是由几种不同版本的标准进化而来。不管怎么看，IDE 一般来说能适用于任何有内置控制器的磁盘驱动器。
IDE 设备一般包括硬盘、光驱等。因为本次设计的CPU卡主要应用于抗恶劣环境计算机中，所以系统引导要选用电子盘。电子盘的工作温度和抗振性要远远好于普通硬盘，但电子盘价格相对昂贵，大容量的电子盘也很难采购。因此系统中的数据盘还要使用硬盘，通过加热的方法可以使硬盘在系统启动一定时间后正常工作。由于加热电路的设计不在本文讨论范围内，这里就不详细叙述加热电路的设计方法了。
ETX模块提供2 个IDE 通道(PRAMARY IDE 和SECONDARYIDE)，每个通道可以连接2 个IDE 设备。普通IDE 设备的接口一般为40pin 的信号接端口，IDE 设备的供电由另外一个单独的电源接口提供。电子盘的IDE 接口一般为44pin，前40pin 与普通IDE 设备接口的定义一致，最后4pin 为电子盘的供电接口，电子盘只使用5V 电。所以在本次设计中将PRIMARYIDE 一44pin 的接口形式置于CPU卡上，用于连接电子盘作为系统盘使用。SECONDARY IDE 通过后走线板接口P2到后走线板上，用于连接普通硬盘或光驱。
当IDE 设备处于活动状态(如读写操作)时，图中DASP信号为低电平。所以可以将该信号串连一个发光二极管接到电源上，用于指示IDE 设备的活动状态，即通常所说的硬盘灯。硬盘灯接口的电路原理图如图5 所示。
2.3.2 VGA 接口
视频图形阵列(VGA)由IBM 在1987 年提出，它是模拟式系统。模拟显示和数字显示相似，使用RGB 电子枪来形成各种颜色，但模拟系统中的各种颜色可以在不同的强度级别上显示，比如VGA 采用64 个级别来显示颜色。这种多变性一共产生262 144 种颜色(643)，其中256 中颜色可以同时显示。对于实际的计算机图形，颜色级别通常要比高分辨率更重要，因为颜色更加丰富的图像在人眼里才是更真实的。所以VGA的模拟图像技术提高了系统表示颜色的能力。
本次设计中考虑到调试的方便，在CPU 卡的前边缘设计一个标准的VGA接口，用BD15 孔型连接器将VGA信号引出。同时考虑到此CPU卡一般将应用在武器系统特定的后出线结构形式的机箱中，所以又将VGA信号引到后走线板接口P2 上。
2.3.3 键盘鼠标接口
为了方便调试，在CPU卡的前边缘设计一个标准PS/2 接口，用PS/2 插座将键盘鼠标信号引出。同时考虑到此CPU 卡一般将应用于武器系统特定的后出线结构形式机箱中，所以又将键盘鼠标信号引到后走线板接口P2 上。
PS/2 接口信号中的5V和GND不能直接接到CPU卡上的5V 和GND 上，必须经过滤波和隔离后方可连接。否则很容易将键盘鼠标这种输入设备工作时造成的杂波引入到CPU卡上。
2.3.4 串口
ETX 模块提供的串口信号符合的是TTL 信号。而我们通用的串口信号一般遵循的是RS-232 标准。
RS-232 标准(协议) 的全称是EIA-RS-232C 标准，EIARS-232C 标准最初是为远程通信连接数据终端设备ETD(dataterminal equipment) 与数据通信设备DCE (data communicationequipment)而定制的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但如果想要应用于计算机(更准确的说，是计算机接口)与终端或外设之间的近端连接。显然，这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。另外，EIA-RS-232C 标准中所提到的“发送”和“接收”，站在DTE立场上，而不是站在DCE 的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU 和I/O 设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。EIA-RS-232C 对电气特性、逻辑电平的各种信号线功能规定如下：
(1)在TxD 和RxD 上：
逻辑1(MARK)为-3v~-15v
逻辑0(SPACE)为+3v~+15v
(5)在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD 等控制线上：信号有效(接通，ON 状态，正电压)为+3v~+15信号无效(断开，OFF 状态，负电压)为-3v~-15vEIA-RS-232C 使用正负电压来表示逻辑状态，与TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了使TTL 器件能够同通用的串口设备连接，必须在EIA-RS-232C 与TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路。目前较为广泛的使用的方法是应用集成电路转换器件，如UAM211E、SN75150 芯片可完成TTL 电平到EIA 电平的转换。
以UAM211E芯片为例，UAM211E 的引脚5、6、7、8、19、20、22、26接入TTL输入。引脚1、2、3、4、9、18、23、27输出端接EIA-RS-232C。ETX 模块提供的是TTL 信号，而EIA-RS-232C 信号要求EIA 高电压。因此，RS-232 所有的输出、输入信号都要经过UAM211E，进行电平转换后才能送到连接器上或从连接器送进来。
2.3.5 网口
ETX 模块提供一个10BASE-T/100BASE-T 自适应以太网接口，需要连接一个匝数比为1：1 的变压器，起到保护作用。
2.3.6 USB 接口
USB(通用串行总线)是一种外部设备总线标准，它的设计为PC 的外部连接设备带来了即插即用功能。USB 的出现不再需要专用的端口，也减少了专用的I/O 接口的使用，大大节约了像IRQ 这样重要资源，所有连接到USB 端口设备只需要一个IRQ 即可。所以现在的CPU 卡设计中USB 接口是一个不可缺少的接口。
USB 接口电路中一般使用一个过流保护装置，来防止外部USB 设备或电缆损坏时引起的系统故障或崩溃。USB 接口支持热插拔，这是USB 接口最大的一个优点。一般要在USB接口的电源处放置一个较大容值的电容，以吸收外部USB 设备热插拔时所引起的电流瞬时的浪涌。
3 CPCI 板卡的PCB 设计
3.1 元器件封装的选择
本次设计中所有电子元器件都采用了表贴元件，电阻、电容大部分采用了0603 的封装，并且大量使用了电阻排。由于只在表面焊接，不需要钻孔，体积小、功耗小、节省了印制板空间，简化了整版的布局和走线。
3.2 PCB 层数的选择
本次设计选择制作8 层的PCB 板。CPCI 板卡的总线标准连接器管脚间距为2.0mm，焊盘孔径为0.6mm，焊盘直径为1.1 mm，所以两焊盘之间走线空间仅为0.9 mm，线宽为6mil，线间距6mil 的线单层只能走2 根，而CPCI 总线连接器单排有5 个管脚，即必须走5 根线，所以说信号层不能少于3 层。对于一块CPU 卡其主要供电为3.3V 和5V 两种。为了保证信号层和电源层的对称性，同时考虑到此板的复杂性，将信号层设计为4 层，电地层设计为4 层。印制板最终的层分布设计依次为顶层信号层、3.3V 电层、内信号层1、地层、地层、内信号层2、5V 电层、底信号层，如图6 所示。
3.3 元器件布局
PCB 设计最早要做的就是对元器件进行封装，将原理图中只是功能模块的连接信息转换为实际的为物理器件的电连接器。设计中布局是一个重要环节。布局结果的好坏直接影响布线的效果，因此一般来说，合理的布局是PCB设计成功的第一步。对于本次设计，首先要考虑的是ETX 模块的摆放位置，其次是对外接口接插件的位置。
ETX 的外形(90mm× 100mm)决定它将占用3U的CPCI板卡的大部分空间，各接口接插件只能分布在印制板的两边缘，如图7 所示。其它电阻电容因为选择了表贴元器件高度小于3mm，可以分布在ETX 模块的下部，而不与ETX 模块发生干涉。芯片的封装较高，一般放在了印制板的背面。芯片和电阻电容等元件的布局主要考虑接下来布线的难易程度，各元器件之间的连线尽量短，兼顾整体的美观。
3.4 CPCI 总线的PCB 电路设计
为了实现CPCI 的一系列特点，规范里有一系列关于CPCI总线卡的要求；
(1)PCB 特性匹配阻抗为65 ±10%；
(2)每个电源平面都必须对地去耦合，以便合理的处理开关电流的冲击，一般每10 个电源管脚要有一个0.1uF的电容；
(3) 总线信号线需要使用10 ±5%的终端匹配电阻，将卡上的端接对CPCI底板的影响减小到最小，电阻应该设置在信号的连接器引脚的15.2mm 之内，这些总线信号包括AD0-31，C/BE0-3#，PAR，FRAME#，IRDY#，TRDY#，STOP#，LOCK#，IDSEL，DEVSEL#，PERR#，SERR#和RST#；
(4) CPU 卡上所有总线信号端接长度必须小于或等于1.5inch，这个长度包括连接器引脚经终端匹配电阻到桥芯片的引脚长度
3.5 板卡上其它信号线的PCB 设计
(1) 网口信号和USB 信号，属于差分信号，在印制板上走线时要应用差分线，对于网口信号TX+和TX-、RX+和RX-要使用差分线对，对于USB信号USB+和USB-要使用差分线对；
(2)网络接口变压器芯片下部的电地层要挖去，以免引入干扰；
(3)IDE 信号线要尽量等长，以保证传输质量。
4 结束语
ETX 模块以其强大的性能、高可靠性、灵活的结构、优良的可扩展性以及尺寸小巧等特点为3U 的CPCI 总线CPU 卡的快速自行研制提供了解决方案。通过深入分析CPCI 总线特性，深刻理解高频数字电路设计方法，已成功研制出基于ETX 模块的3U 的CPCI 总线CPU 卡。经综合测试和实际应用验证表明，该卡已达到了系统要求的性能指标，系统工作稳定，各接口应用正常。
(文/华北计算技术研究所，吕茜)
