在一些特定的條件(如惡劣環(huán)境、軍事應(yīng)用環(huán)境條件)下應(yīng)用的計算機比普通商用計算機一般在以下方面有更高、更嚴的要求：氣候、機械和電磁環(huán)境適應(yīng)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。有時在一些應(yīng)用場合還會有一些特定要求，如對用戶接口種類和數(shù)量的要求等。
在很難找到滿足特定要求的商用計算機，即使利用成熟商用計算機進行后天加固也難以滿足特定要求的情況下，為此需自行研制滿足特定要求的加固計算機。這里介紹加固計算機基于CPCI總線CPU主控模塊的設(shè)計方案。
Compact PCI(簡稱CPCI)總線是“PCI總線工業(yè)計算機制造商組織”推出的一種工業(yè)計算機總線標準，近年來應(yīng)用發(fā)展最為迅速。它由PC機上的通用總線PCI發(fā)展而來，既有PCI總線的高帶寬高性能、即插即用、價格低廉等諸多優(yōu)點，又有無源背板總線VME總線的可靠性。基于CPCI總線的主控模塊主要完成通用的計算機主板功能，包括主處理器及相關(guān)的支持邏輯、主存儲器、PCI總線仲裁器、系統(tǒng)中斷控制器、PCI時鐘發(fā)生器及通用I／0接口(IDE、USB、PS／2鍵盤鼠標等)功能，還集成了一片PCI-PCI橋PCI2050B，提供7個PCI外設(shè)卡的仲裁能力。
1 CPU主控模塊原理設(shè)計
基于CPCI總線的主控模塊設(shè)計主要采用2種方法：1)應(yīng)用器件組進行系統(tǒng)板設(shè)計。這種方法的優(yōu)點是邏輯清晰，在功能不正常時可以更換器件使其正常工作，設(shè)計出的系統(tǒng)板抗震動及機械沖擊性能更強；其缺點是難度大、開發(fā)周期長，隨著CPU速度的提高，設(shè)計難度更大，并且難以購買到溫度寬泛的芯片組。2)采用嵌入式CPU模塊。該模塊集成度高、體積小，它集成了計算機幾乎所有的功能，用戶根據(jù)具體任務(wù)的要求，只需對其沒有的功能在外部進行擴展就可以完成設(shè)計。這種方法的優(yōu)點是設(shè)計和生產(chǎn)周期短，調(diào)試方便，易于升級，并且已有廠家提供溫度寬泛的嵌入式CPU模塊，也應(yīng)用在對環(huán)境要求比較苛刻的軍用領(lǐng)域。鑒于項目研發(fā)周期短，本設(shè)計采用第2種方法，基于CPCI總線主控模塊采用控創(chuàng)(Kontron)公司的ETX(Embedded Technology eXtended)PM模塊，并應(yīng)用PCI擴展技術(shù)完成6U CPCI總線系統(tǒng)板的設(shè)計。CPCI主控模塊組成框圖如圖1所示。
1．1 ETX模塊
ETX嵌入式計算機模塊具有完整的PC功能和高效的CPU性能，是一種高集成度的計算機系統(tǒng)，它采用的是x86 CPU。ETX PM的主頻為1．0～1．8 GHz，內(nèi)存可至1 GB。ETX結(jié)構(gòu)主板主要面向?qū)Ｓ糜嬎銠C系統(tǒng)板的設(shè)計者，它的核心理念是“把PC像器件一樣設(shè)計到客戶的目標應(yīng)用系統(tǒng)中”。在其114mm(長)x95 mm(寬)×16 mm(高)的尺寸上，集成了標準PC所有的功能，同時提供標準PC架構(gòu)所具有的所有標準接口。
ETX模塊上包含了高性能x86系列的CPU器件組、南北橋、顯示器件、網(wǎng)絡(luò)器件、音頻控制器、Super I／0控制器等。背面采用高密度的表貼連接器，4x100引腳總線引腳定義PC的標準接口信號以及PCI和ISA信號等。在設(shè)計主控模塊時，在主控模塊上設(shè)計對應(yīng)的4x100引腳插座，擴展的I／0功能可通過總線上的PCI或ISA實現(xiàn)。每個連接器所提供的信號如下：
1)ETX連接器X1：PCI總線(32位)、USB、聲卡；2)ETX連接器X2：ISA總線(16位)；3)ETX連接器X3：VGA、LCD(LVDS)、COMl、COM2、IrD-A、鍵盤／鼠標；4)ETX連接器X4：EIDE(×2)、以太網(wǎng)、電源管理等信號。
ETX：PM模塊向外只提供4個PCICLK和4對REQ#／GNT#信號，因此它只能驅(qū)動4個PCI功能設(shè)備，若要滿足CPCI總線主控模塊驅(qū)動7個擴展插槽的要求，可以通過在ETX PM模塊和CPCI系統(tǒng)總線連接器之間增加一個PCI-PCI總線橋來實現(xiàn)總線擴展。PCI-PCI總線橋作為上一級總線的一個負載，而向下可以驅(qū)動一個總線段。ETX PM模塊可以在-40～85℃的條件下工作，而且ETX系列產(chǎn)品有較長的生命周期，可互換。
1．2 PCI橋的設(shè)計
在本方案主控模塊的設(shè)計中，選用Tl(Texas Instruments)公司的工業(yè)級PCI-PCI橋器件PCI2050BI，它在2個32位最高工作頻率66 MHz的PCI總線之間提供橋連接。該橋支持突發(fā)模式(burst mode transfers)，極大增加了數(shù)據(jù)的吞吐量，橋的總線數(shù)據(jù)路徑(bustraffic paths)獨立工作。橋的主、從PCI總線分別可以工作在3．3 V或者5 V的工作環(huán)境下，橋的核心邏輯工作在3．3 V以減少功耗。PCI2050BI可以帶9個設(shè)備，除了為每個設(shè)備提供內(nèi)部仲裁，也可由系統(tǒng)提供外部仲裁。PCI2050BI提供lO個設(shè)備時鐘輸出。使用PCI2050BI生行PCI-PCI總線橋擴展，其設(shè)計框圖如圖2所示。
本系統(tǒng)設(shè)計主要包括：
1)PCI2050BI有2個獨立的時鐘域，主接口受主側(cè)輸入時鐘P_CLK的控制，從接口受從側(cè)輸入時鐘S_CLK的控制。這2個時鐘可以相互獨立，但必須保持同步，P_CLK與S_CLK的最大延時不得超過7 ns，S_CLK不能超前P_CLK；
2)PCI2050BI的從側(cè)輸出時鐘，每個時鐘只能驅(qū)動1個負載；
3)PCI2050BI的從側(cè)有10個時鐘輸出S_CLK[9：0]，其中的9個可以供給擴展的PCI槽，另一個S_CLK0UT9信號必須反饋給從總線的輸入時鐘S_CLK；
4)為了減小時鐘的信號反射，輸出到擴展槽的9個CLK必須在始端加串聯(lián)電阻匹配，匹配電阻阻值與電路板特征阻抗大小有關(guān)．對65 Ω的傳輸線，選用50 ΩQ串聯(lián)匹配電阻；
5)CPCI主控模塊上的PCI從總線控制信號必須進行上拉，保證在沒有設(shè)備使用時能保持穩(wěn)定。這些信號包括：frame#，IRDY#，TRDY#，STOP#，DEVSEL#，PERR#，SERR#，L0CK#，INTA#～INTD#。電阻的大小根據(jù)設(shè)備的負載而定，本設(shè)計中電阻值使用典型值8．2 kΩ；
6)為了減少主控模塊對底板的影響，除了CLK、REQ#和GNT#信號外，其他PCI信號都要串接10 Ω的終端匹配電阻；
7)要正確設(shè)置總線的信號環(huán)境。ETX PM的PCI總線信號環(huán)境為3．3 V，設(shè)計時，將PCI2050BI的P_VCCP連接到3．3 V；S_VCCP聯(lián)接到背板的VIO上，根據(jù)背板VIO電壓的設(shè)置，可能是3．3 V或5 V，由此完成對信號環(huán)境的設(shè)置。
1．3 IDE接口
在基于CPCI總線的主控模塊上，擴展1個32GBr的寬溫電子硬盤，采用IDE接口，作為操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序的存儲空間。集成驅(qū)動器電路(IDE)適用于任何具有集成(內(nèi)置)磁盤控制器的驅(qū)動器。IDE設(shè)備一般包括硬盤、光驅(qū)等。因為本設(shè)計的CPU主控模塊主要應(yīng)用于惡劣環(huán)境下的計算機中，電子盤的工作溫度和抗振性要遠遠好于普通硬盤，所以系統(tǒng)引導(dǎo)時在基于CPCI總線的主控模塊上擴展1個32 GB的寬溫電子硬盤。ETX模塊提供2個IDE通道(PRAMARY IDE和SEC0NDARY IDE)，每個通道可以連接2個IDE設(shè)備。普通IDE設(shè)備的接口一般為40引腳的信號接端口，IDE設(shè)備的供電由另外一個單獨的電源接口提供。而電子盤的IDE接口一般為44引腳，前40引腳與普通IDE設(shè)備接口的定義一致，最后4引腳為電子盤的供電接口，電子硬盤只使用5 V電源。所以本設(shè)計中將PRIMARYIDE-44引腳的接口形式置于CPU主控模塊上，用于連接電子硬盤作為系統(tǒng)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(qū)。
2 PCB布局
2．1 元器件封裝選擇
本設(shè)計中所有電子元器件都采用表貼元件，電阻、電容大部分采用0603的封裝，并且大量使用電阻排。由于只在表面焊接，不需要鉆孔，體積小、功耗小、節(jié)省了印制板空間，簡化了整版的布局和走線。
2．2 PCB層數(shù)選擇
本次設(shè)計選擇制作8層的PCB板。CPCI板卡的總線標準連接器引腳間距為2．0 mm，焊盤孔徑為0．6 mm，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6 mil，線間距6 mil的線單層只能走2根，而CPCI總線連接器單排有5個引腳，即必須走5根線，所以信號層不能少于3層。對于主控模塊其主要供電為3．3 V和5 V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(fù)雜性和信號的完整性，將信號層設(shè)計為4層，地平面和電平面分別設(shè)計為2層。印制板最終的層分布設(shè)計依次為：頂層信號層、地層l、內(nèi)信號層1、3．3 V電層、地層2、內(nèi)信號層2、5 V電層、底層信號層。
2．3 PCB布線
在CPCI主控模塊的設(shè)計和布線過程中，嚴格遵循PCI2．1規(guī)范和PICMG2．0R3．0規(guī)范，使用符合IEC-1076國際標準的高精度、屏蔽型、針孔式的CPCI連接器。主控模塊上的5個CPCI連接器J1，J2，J3，J4，J5中，J1，J2連接器用來連接PCI總線信號，而J3，J4，J5連接器用來擴展系統(tǒng)板的IO信號。設(shè)計完成的主控模塊可以驅(qū)動7個CPCI擴展插槽。
在進行CPCI主控模塊PCB布局和布線設(shè)計時，其設(shè)計要點如下：
1)ETX模塊的PCICLK到PCI2050BI主總線的時鐘P_CLK信號傳輸線長度必須為8．7±0．1 inch；
2)為減小CPCI底板總線上時鐘之間的偏移(skew)，必須將PCI2050BI從總線的S_CLKOUT9信號必須反饋給從總線的S_CLK，PCI2050BI供給擴展槽的9根時鐘線(9個S_CLKOUT)與S_CLK必須等長；
3)對PCI2050BI的每個電源引腳提供1個0．1μF的高速去耦電容，并且在布線時盡量靠近PCI2050BI的電源引腳；
4)在主控模塊布線時，讓PCI2050B盡量靠近Jl和J2連接器，使PCI總線信號到連接器距離盡量的短；
5)根據(jù)CPCI規(guī)范，PCI總線信號線的10 Ω終端匹配電阻應(yīng)該設(shè)置在信號的連接器引腳的15．2 mm之內(nèi)，這些總線信號包括AD0～AD31，C／BE0#～C／BE3#，PAR，frame#，IRDY#，TRDY#，STOP#，L0CK#，IDSEL，DEVSEL#，PERR#，SERR#和RST#；
6)網(wǎng)口信號和USB信號屬于差分信號，在印制板上走線時要應(yīng)用差分線，對于網(wǎng)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；
7)IDE信號線要盡量等長，以保證傳輸質(zhì)量；
8)PCI信號線都要進行阻抗控制，阻抗為65Ω±10％。
3 結(jié)束語
CPCI總線是高速同步共享總線，而ETX模塊具有強大的性能、高可靠性、靈活的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的可擴展性以及尺寸小巧等特點，它為6U的基于CPCI總線的主控模塊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(shù)字電路設(shè)計方法，已成功研制出基于CPCI總線主控模塊。經(jīng)綜合測試和實際應(yīng)用驗證表明，該模塊已達到了系統(tǒng)要求的性能指標，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，各接口應(yīng)用正常。
