0 引 言

　　2002年第2季度PCISIG组织发布了PCI Express1.0规范，定位于设计成一种系统互连接口。该组织又于2005年第3季度发布PCI Express规范在工业控制领域的规范PICMG EXP.0 CompactPCI Express Specification R1.0，被称之为CompactPCI Express（在下文中简称为CPCIe）规范。CPCIe系统可以兼容CPCI模块，具体的实现方法是在系统中加入CPCIe到CPCI的桥接模块，该模块被称为混合桥接模块。

　　进行混合桥接电路的设计主要实现以下内容：（1）PCI部分接口的设计实现；（2）PCIe接口设计实现。

1 设计原理

　　如图1所示，该模块由XSJ4连接提供3.3 V，在板上使用DC-DC电压转换模块，将3.3 V电压转换为1.5 V电压，提供给PEX8111使用。PEX8111的上行端口（Upstream）为x1的PCI Express接口，下行接口（Downstream）为32位／33 MHz的PCI总线，该PCI接口可以实现PCI总线的Host功能。

2 实现方法

2.1 主要原器件选择

　　在该设计中采用成熟技术，选用常用、可靠的控制芯片，结合一些常用的外围电路和专用电路实现全部的功能，即选择PEX8111作为接口芯片，利用功能芯片实现硬件逻辑。

　　PEX8111是PLX公司推出的专门用于PCI Ex-press和PCI总线之间桥接的芯片，它包含1个x1的PCI Express端口和1路32位PCI接口。它的外围电路少，设计简单。

2.2 PCI Express硬件接口实现

　　每个PCI Express的端口包括两部分信号，端口控制信号和通信信号。端口控制信号包括热插拔控制信号、时钟使能信号、电源使能信号等。

2.3 时钟设计

　　以2.5 Gb／s的速率定时输出数据。实现该速率的时钟必须在中心频率±300 ppm内，它允许每1 666个时钟偏离1个时钟。有了SSC，辐射的能量就不会产生2.5 GHz的噪音尖峰信号，因为辐射能量被分散到2.5 GHz周围小的频率范围。

　　本模块需要为外接的PCI设备提供时钟信号，如图2所示。33 MHz晶体作为时钟源，通过零延时CY2305输出5路时钟，并分别作为PEX8111和4个外接PCI设备的时钟源。

2.4 PCI接口设计

　　该PCI接口实现的功能为PCI的HOST功能，包含总线信号和仲裁信号。在进行该模块设计时需要注意连接器J1的信号定义与标准的J1接口有一些差别。

2.5 电源设计

　　PEX8111芯片需要用到3种电源。其中PCI总线信号为5 V，I／O供电电压为3.3 V，串行收发器的电源电压为1.5 V，所以本模块需要提供5 V，3.3 V和1.5 V三种电压源。

　　5 V, 3.3 V电压由系统提供，1.5 V由3.3 V电压转换获得，选取国家半导体公司的LP2992作为3.3～1.5 V电压转换模块。

2.6 复位设计

　　复位输入有三个，来自PCIe端的复位，来自PEX8111复位输出，手动复位信号，保证在主机侧出现冷复位和要求本板单独复位的情况下，可以将复位信号向下传递，如图3所示。

3 高速电路设计

　　基于CPCIe总线的电路属于高速电路，在电路设计之初就采用仿真工具进行验证，并根据仿真结果不断调整自己的设计。

　　对所设计的电路进行仿真是该设计的关键点。PEX8111芯片信号的种类和数目都比较少，在芯片外围没有复杂的逻辑设计，在电路设计上对时钟和电源的要求也比较简单，但是对传输在PCB上高速差分信号的质量有很高的要求，这个要求也是当前所有高速设计面临的共性问题。

　　仿真的过程主要包括前仿真和后仿真，以下叙述两种仿真的具体内容。

3.1 阻抗控制

　　PCI Express规范要求走线阻抗为100 Ω，差分阻抗、单端阻抗为50 Ω。阻抗主要由线宽、线间距、铜皮厚度、介质层厚度、介质材料等决定。特征阻抗的计算界面如图4所示，经计算特征阻抗为94.5 Ω，满足要求。

　　PCI信号的特征阻抗为75 Ω，为了同时满足PCIe和PCI的阻抗要求，可以采用两种手段，首先可以将两种的宽度设置为不同宽度；其次是将两种信号放置在不同信号平面上。采取什么方法需要综合考虑。

3.2 后仿真的实现

　　后仿真主要是在PCB绘制完成后，在前仿真的基础上将PCB相关的数据导入后再进行的仿真。图5给出导入PCB参数后，接收端眼图的仿真结果。可见，所有时间点上的信号电压均在接收器可以识别的范围之内。

4 结 语

　　随着技术的发展。基于CPCIe总线接口的模块会被越来越多的使用，但是从成本考虑，CPCI接口的模块不会被立即完全的替换，CPCIe模块和CPCI模块在机箱中共存的情况将长期存在，混合桥接模块是将两者联系起来的纽带，它将作为一个重要的插件模块在工业控制计算机系统中广泛应用。