德州儀器PCI2250 PCI-to-PCI橋接器：功能、特性與應用詳解

在電子設計領域，PCI-to-PCI橋接器扮演著至關重要的角色，它能夠實現不同PCI總線之間的高效連接和數據傳輸。德州儀器（TI）的PCI2250就是這樣一款高性能的PCI-to-PCI橋接器，本文將對其進行詳細介紹，希望能為電子工程師們在實際設計中提供有價值的參考。

文件下載：PCI2250PGF.pdf

一、PCI2250概述

PCI2250是一款符合PCI本地總線規范和PCI-to-PCI橋接規范的橋接器，它在兩個32位、33 MHz的PCI總線之間提供了高性能的連接路徑，支持主設備在一個PCI總線上與目標設備在另一個PCI總線上進行事務處理，并且允許橋接事務在兩條總線上同時進行。該橋接器采用先進的CMOS工藝，在高達33 MHz的PCI時鐘速率下運行時，能夠實現低系統功耗，在電源管理方面表現出色。

1.1 主要特性

• 電源管理支持：可配置為支持PCI電源管理接口規范修訂版1.0或1.1，適用于對功耗有嚴格要求的應用場景。
• 熱插拔友好：符合Compact-PCI熱插拔規范，為多功能Compact-PCI卡和單功能卡適應熱插拔提供了理想解決方案。
• 接口兼容性：3.3-V核心邏輯，通用PCI接口兼容3.3-V和5-V PCI信號環境，具有廣泛的適用性。
• 數據傳輸高效：采用流水線架構實現突發數據傳輸，在兩個方向上都能最大化數據吞吐量。
• 仲裁靈活：為多達四個二級總線主設備提供內部兩級仲裁，并支持外部二級總線仲裁器，可根據實際需求靈活配置。
• 解碼選項豐富：支持正向解碼、減法解碼和負向解碼，提供兩個可編程的32位擴展窗口和端口解碼選項，滿足定制PCI應用的需求。
• 時鐘輸出多樣：提供五個二級PCI時鐘輸出，確保二級總線設備的時鐘同步。

1.2 相關文檔

在使用PCI2250進行設計時，以下相關文檔是必不可少的參考資料：

• 《Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) Revision 1.0》
• 《PCI Local Bus Specification Revision 2.2》
• 《PCI Mobile Design Guide, Revision 1.0》
• 《PCI-to-PCI Bridge Architecture Specification Revision 1.1》
• 《PCI Power Management Interface Specification Revision 1.1》
• 《PICMG Compact-PCI Hot Swap Specification Revision 1.0》

1.3 訂購信息

PCI2250有兩種封裝可供選擇：160引腳QFP（PCM）和176引腳薄型QFP（PGF），工作電壓為3.3 V，I/O接口兼容5 V。

二、終端描述

PCI2250的引腳定義豐富，涵蓋了主PCI系統、主PCI地址和數據、主PCI接口控制、二級PCI系統、二級PCI地址和數據、二級PCI接口控制、雜項終端以及電源供應等多個方面。下面對一些關鍵引腳進行簡要介紹：

• P_CLK：主PCI總線時鐘，為所有主PCI總線上的事務提供時序。
• P_RST：PCI復位信號，當主PCI總線復位被斷言時，橋接器將所有輸出緩沖器置于高阻抗狀態，并復位所有內部寄存器。
• P_DEVSEL：主設備選擇信號，橋接器通過斷言該信號來聲明作為目標設備參與PCI周期。
• S_CLKOUT[0:4]：五個二級PCI時鐘輸出，為二級PCI總線上的設備提供時鐘信號。
• S_RST：二級PCI復位信號，是P_RST和橋接控制寄存器中二級總線復位位狀態的邏輯或。

三、特性與協議描述

3.1 PCI命令響應

PCI2250作為PCI目標設備，根據每個地址階段的解碼和內部寄存器設置來響應PCI總線周期。它不會對中斷確認、特殊周期、雙地址周期或保留命令作為PCI目標進行響應，但會在類型1配置周期發出特殊周期請求時，在兩個接口上發起特殊周期。對于其他PCI命令，如內存讀寫、I/O讀寫和配置讀寫等，橋接器會根據相應的地址空間進行響應。

3.2 配置周期處理

PCI本地總線規范定義了兩種類型的PCI配置讀寫周期：類型0和類型1。PCI2250對這兩種類型的周期進行不同的解碼和處理。

• 類型0配置周期：用于主總線上的設備。當橋接器的P_IDSEL引腳在周期的地址階段被斷言，且周期中編碼的PCI功能號為0時，橋接器會聲明該類型的配置周期，并通過訪問配置頭中的內部寄存器來服務有效的類型0配置讀寫周期。
• 類型1配置周期：用于層次結構中從屬總線上的設備。橋接器根據目標總線的總線號來聲明類型1周期。當PCI2250聲明一個總線號等于其次級總線號的類型1配置周期時，它會將該周期轉換為類型0配置周期，并斷言適當的S_AD線作為IDSEL。其他訪問總線號大于橋接器二級總線號但小于或等于其從屬總線號的類型1事務，將作為類型1配置周期轉發。

3.3 特殊周期生成

PCI2250通過類型1周期轉換在兩條總線上生成特殊周期。在類型1配置周期中，如果總線號字段與橋接器的二級總線號匹配，設備號字段為1Fh，功能號字段為07h，則橋接器會在二級總線上生成一個特殊周期，其消息與類型1配置周期數據匹配。如果總線號是從屬總線而不是二級總線，則橋接器會將類型1特殊周期請求連同正確的消息傳遞到二級接口。

3.4 二級時鐘輸出

PCI2250提供五個二級時鐘輸出（S_CLKOUT[0:4]），其中四個用于為二級設備提供時鐘，第五個時鐘應路由回PCI2250的S_CLK輸入，以確保所有二級總線設備看到相同的時鐘。

3.5 總線仲裁

• 主總線仲裁：PCI2250作為主總線上的發起者，在向上游主總線轉發事務時會斷言P_REQ。只要隊列中有已發布的寫數據或延遲事務請求，P_REQ就會保持斷言狀態。當主總線仲裁器響應P_REQ并斷言P_GNT時，設備會在主總線被采樣為空閑后的下一個PCI時鐘周期發起事務。
• 二級總線仲裁：PCI2250在二級總線上提供兩級仲裁方案，用于處理優先級總線主設備。內部仲裁器的狀態由S_CFN控制，可以通過將S_CFN拉低來啟用，拉高來禁用。此外，還支持外部二級總線仲裁器，當使用外部仲裁器時，需要將S_CFN拉高以禁用內部仲裁器。

3.6 擴展窗口與可編程解碼

PCI2250提供兩個可編程的32位擴展窗口，每個窗口可以編程為可預取內存窗口、不可預取內存窗口或I/O窗口。這些擴展窗口的粒度比標準PCI-to-PCI橋接器的內存和I/O窗口更小，能夠更好地滿足特定應用的需求。例如，對于常見的聲卡I/O基地址300h - 303h，使用TI擴展窗口可以配置一個4字節的I/O地址窗口，而使用標準I/O基寄存器則需要至少4K字節的窗口。此外，擴展窗口可以從主總線解碼中排除，從而在主窗口地址范圍中創建一個空洞。

3.7 系統錯誤處理

PCI2250可以在多種條件下配置為發出系統錯誤（SERR）信號。P_SERR事件禁用寄存器和P_SERR狀態寄存器為橋接器可以發出SERR的每個條件提供控制和狀態位，這些單獨的位可以啟用對下游和上游事務的SERR報告。默認情況下，PCI2250不會發出SERR信號，需要通過相應的寄存器設置來啟用。

3.8 奇偶校驗處理與奇偶校驗錯誤報告

PCI2250可以通過診斷控制寄存器的第14位配置為傳遞奇偶校驗或提供奇偶校驗。當該位清零時，橋接器啟用奇偶校驗錯誤傳遞功能，這是橋接器的默認模式。在地址奇偶校驗錯誤和目標中止事務時，如果命令寄存器中的奇偶校驗錯誤響應位（第6位）被設置，PCI2250會發出SERR信號；當接收到錯誤數據時，會發出PERR信號。

3.9 主設備和目標設備中止處理

當PCI2250在寫突發期間收到目標中止時，它會在發起者總線上發出目標中止信號；在讀突發期間收到目標中止時，它會在發起者總線上提供所有有效數據并斷開連接。對于已發布和未發布事務的主設備中止和目標設備中止，PCI2250會按照PCI-to-PCI橋接規范進行報告。

3.10 丟棄定時器

PCI2250在延遲事務完成后，如果總線主設備在2^10或2^15個PCI時鐘（分別約為30 μs和993 μs）內未重復請求，則可以自由丟棄延遲事務的數據或狀態。默認情況下，丟棄定時器的值為2^15個時鐘，但可以通過橋接控制寄存器的第9位將其設置為2^10個時鐘。

3.11 延遲事務支持

PCI2250支持PCI本地總線規范中定義的延遲事務。延遲事務包括發起設備發出請求、目標設備在目標總線上完成請求并向發起者發出完成信號、發起者在發起總線上完成請求三個階段。當橋接器作為PCI事務的目標，且需要訪問慢速設備來讀寫請求的數據，且事務耗時超過16個時鐘時，橋接器會鎖存地址、命令和字節使能，并向發起者發出重試信號，發起者需要在稍后使用相同的地址、命令和字節使能重試事務。

3.12 多功能引腳配置

PCI2250有兩個多功能引腳P_MFUNC和S_MFUNC，可以根據MS0和MS1的設置配置為LOCK、CLKRUN或Compact-PCI熱插拔ENUM和SWITCH。該橋接器有兩種操作模式：Intel兼容模式和TI模式，在Intel模式下，PCI2250與Intel 21152橋接器引腳兼容。

3.13 熱插拔支持

在熱插拔模式下，PCI2250提供三個終端來支持熱插拔功能：HS_ENUM（輸出）、HS_SWITCH（輸入）和HS_LED（輸出）。HS_ENUM輸出向系統指示插入事件發生或移除事件即將發生；HS_SWITCH輸入指示板卡彈出手柄的狀態；HS_LED輸出點亮藍色LED，以信號插入和移除準備狀態。

3.14 PCI時鐘運行功能

當處于時鐘運行模式時，PCI2250支持PCI時鐘運行協議。當系統的中央資源通過驅動主時鐘運行（P_CLKRUN）信號高電平來指示希望停止PCI時鐘（P_CLK）時，橋接器可以通過保持P_CLKRUN為高電平來表示可以停止PCI時鐘，或者通過驅動P_CLKRUN為低電平來指示系統保持時鐘運行。

3.15 PCI電源管理

PCI電源管理接口規范為操作系統控制PCI功能的電源提供了基礎設施。PCI2250支持PCI功能的四種電源管理狀態：D0（完全開啟狀態）、D1和D2（中間狀態）以及D3（關閉狀態）。在不同的電源狀態下，橋接器的行為有所不同。在TI模式下，PCI2250支持D0、D1、D2和D3hot電源狀態；在Intel模式下，僅支持D0和D3hot電源狀態。在低功率狀態下，橋接器不接受任何I/O或內存事務，但會接受類型0配置周期，對于類型1配置周期，在低功率狀態下不會傳遞到二級總線，類型1配置寫操作會被丟棄，讀操作返回全1。

四、橋接配置頭與擴展寄存器

4.1 橋接配置頭

PCI2250的橋接配置頭符合PCI-to-PCI橋接架構規范，包含了一系列標準的PCI狀態和控制寄存器，用于對橋接器進行配置和管理。這些寄存器包括廠商ID寄存器、設備ID寄存器、命令寄存器、狀態寄存器、修訂ID寄存器、類代碼寄存器等，每個寄存器都有其特定的功能和用途。例如，命令寄存器用于控制橋接器對主PCI總線的接口，包括系統錯誤（SERR）啟用、奇偶校驗錯誤響應啟用、VGA調色板窺探啟用等功能；狀態寄存器則提供設備信息給主機系統，如檢測到的奇偶校驗錯誤、發出的系統錯誤（SERR）、收到的主設備中止和目標設備中止等狀態信息。

4.2 擴展寄存器

TI擴展寄存器位于標準PCI-to-PCI橋接設備配置空間之外（即PCI2250中PCI配置空間的40h - FFh寄存器），可以通過配置讀寫進行訪問。這些擴展寄存器為標準PCI-to-PCI橋接器增加了靈活性和性能優勢，并且在從D3狀態轉換到D0狀態時不會被復位。擴展寄存器包括芯片控制寄存器、擴展診斷寄存器、仲裁器控制寄存器等，每個寄存器都有其獨特的功能，例如芯片控制寄存器可以控制某些PCI事務的功能，仲裁器控制寄存器用于橋接器的內部仲裁。

五、電氣特性與機械數據

5.1 電氣特性

文檔中詳細給出了PCI2250的電氣特性，包括絕對最大額定值、推薦工作條件、電氣特性在推薦工作條件下的參數、PCI時鐘/復位時序要求、PCI時序要求以及參數測量信息等。這些電氣特性數據為工程師在設計電路時提供了重要的參考依據，確保橋接器在合適的電壓、電流、時鐘頻率等條件下正常工作。

5.2 機械數據

PCI2250提供了兩種封裝形式：160引腳的PCM（S-PQFP-G***）和176引腳的PGF（S-PQFP-G176）塑料四方扁平封裝。文檔中給出了這兩種封裝的機械尺寸圖和相關說明，工程師可以根據實際的PCB布局和安裝要求選擇合適的封裝形式。

六、總結

德州儀器的PCI2250 PCI-to-PCI橋接器以其豐富的功能、出色的性能和靈活的配置選項，為電子工程師在PCI總線連接和數據傳輸方面提供了強大的支持。無論是在電源管理、熱插拔、數據傳輸效率還是仲裁機制等方面，PCI2250都表現出色。在實際設計中，工程師可以根據具體的應用需求，結合橋接配置頭和擴展寄存器的設置，充分發揮PCI2250的優勢，實現高效、穩定的PCI總線橋接解決方案。希望本文對電子工程師們在了解和使用PCI2250時有所幫助，大家在實際應用過程中有任何問題或經驗，歡迎在評論區交流分享。