CPCI总线在数字化电台中的设计

随着现代军事通信技术的进步，数字化短波电台逐步往嵌入式、模块化的方向发展。CPCI总线作为一种新兴的总线技术，在短波电台的模块化设计上具有重要的应用价值，可以较大程度地提高数字化短波电台的可靠性和保障性。

CPCI总线架构
CPCI规范是由PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group，PCI工业计算机制造商联盟）制定的一种新的开放工业计算机标准，用于工业和嵌入式应用。它定义了更加坚固耐用的PCI版本，在电气、逻辑和软件功能等方面，与PCI标准完全兼容。


CPCI全称Compact PCI，简单的说就是PCI specification（PCI电气规范）加上rugged Eurocard packaging（欧式卡）结构。CPCI模块以插卡的方式安装在机箱内的支架上，并采用垂直方向通风散热，具有更好的散热性和抗震动性。这样，在CPCI系统中就可采用在台式机中广泛使用的高性能PCI技术，降低了新技术的使用成本，系统的整体性能得以提升。而且，基于PCI技术的丰富软件工具，也使得用户在使用中更加便捷。同时，欧式卡结构使得系统的可靠性进一步提高。另外采用IEEE 1101.11后端输出方式，使得对系统的维护更加方便快捷，大大缩短了系统的平均维护时间。

CPCI系统背板和CPCI板卡采用的是标准2mm高密度气密性针孔连接器，板卡的尺寸分3U（100mm×160mm）和6U（160mm×233mm）两种，3U的系统只提供32位/64位的PCI系统总线，6U的系统除了提供32位/64位的PCI系统总线外，还有多达315线的用户定义输入/输出线，非常适用于数字化短波电台的模块化设计应用。CPCI总线具有极高的性能，其主要特点是：

（1）具有地址数据多路复用的高性能32位或64位的同步总线。总线引脚数目和部件数量少（对于总线目标设备只有47根信号线，对于主设备最多只有49根信号线），降低了成本及布线复杂度。


（2）CPCI局部总线在33MHz总线时钟、32位数据通路时，可达到峰值132Mb/s的带宽；在33MHz总线时钟，64位数据通路时可达到峰值264Mb/s的带宽；在66MHz主频时，对于32位数据通路和64位数据通路带宽的峰值，可分别达到264Mb/s或528Mb/s的带宽；CPCI总线还有线性突发传输功能，保证了满载的高速传输。

（3）隐蔽的总线仲裁，减小了仲裁开销。

（4）极小的存取延时，采用总线多主控和异步数据转移操作。

（5）CPCI提供的数据和地址奇偶校验功能，保证数据完整性和准确性。

（6）CPCI总线与CPU和时钟频率无关，它能支持多个外设，设备间通过局部总线可以完成数据快速传递，从而很好地解决数据传输的瓶颈问题。

（7）对CPCI扩展卡及元件，能够自动配置，实现设备的即插即用。

从结构上看，CPCI总线的特点表明它是一种理想的系统交换平台的载体，能提供高传输带宽，同时能够保证数据完整性和准确性；能够支持多外设，很好地适应了系统可扩展性的要求；采用的是PCI总线操作规程，很好地适应了一般的PCI扩展元件，降低了开发难度；独特的引脚及外围电路设计集连接紧密牢固、抗干扰、易更换、热插拔等优点于一身。背板是CPCI总线架构的基础，它为CPCI总线交换提供物理连接、电路保证。CPCI背板有8个插槽，其中一个为系统板插槽（system slot），其他7个为外设板插槽（peripheral slot），像这样一个系统插槽外带7个外设插槽的单元称为一个CPCI段（CPCI segment）。系统插槽提供总线仲裁、时钟分配和整个CPCI段的重新启动等功能，系统插槽要通过管理每块外设插槽上板卡的IDSEL信号来完成整个系统的初始化；外设插槽上可以安放简单的接口板、智能从属装置（intelligence slave）或PCI总线控制装置（PCI master）。

CPCI总线接口设计
为了提高数字化短波电台的数据处理能力，可以为其配置ETX嵌入式计算机模块。虽然ETX嵌入式计算机模块定义了符合PCI规范的CPCI总线，但由于如上所述的电气负载的原因，对于PCI/CPCI总线而言，如果总线上连接过多的电气负载或设备，总线将不能正常工作。在不扩充总线的情况下，标准PCI总线的驱动能力是驱动4个PCI插槽，而CPCI控制器模块要求驱动7个仪器模块。因此，即使采用PCI插卡到CPCI插座的物理结构转换后，嵌入式计算机模块的PCI总线主桥路仍然不能直接驱动CPCI总线。所以在设计数字化短波电台的CPCI总线时，需要在ETX嵌入式计算机的CPCI总线和CPCI机箱底板的CPCI总线之间引入了PCI-PCI桥接设备。


1 桥接芯片的选择
PCI桥接芯片尽管可以使用FPGA通过硬件编程语言来实现，但由于PCI总线规范自身的复杂性，要想在短期内做到性能优化和操作稳定，难度很大。而现在市场上有许多厂家提供了很多成熟的产品，根据系统集成的特性，我们选择TI公司的PCI-to-PCI桥接芯片PCI2050。


PCI2050属于透明PCI-to-PCI桥，提供了两条PCI总线间的高性能连接，实现一条PCI总线的主设备和另外一条PCI总线的从设备间的传输，兼容Intel 21150。PCI2050桥符合PCI局部总线规范2.2，并可用于PCI总线的扩展，提供支持9个设备的可编程2优先级总线仲裁器；一次侧和二次侧都支持33MHz时钟、32位扩展信号。PCI2050提供CPCI热插拔能力，可完美解决多功能CPCI卡和单功能CPCI的热插拔问题。PCI2050桥符合PCI-to-PCI Bridge Specification1.1，符合PCI电源管理规范1.0/1.1。