TI PCI2040：PCI - DSP橋接器的深度解析

在電子設計領域，橋接器扮演著至關重要的角色，它能夠實現不同接口之間的無縫連接，提升系統的整體性能。TI的PCI2040作為一款PCI - DSP橋接器，為TMS320C54X或TMS320C6X的主機端口接口（HPI）與高性能PCI總線之間提供了無膠合連接，下面將對其進行詳細剖析。

文件下載：pci2040.pdf

一、PCI2040概述

1.1 產品描述

PCI2040提供了一個32位PCI主機接口，以及適用于TI的C54x和C6x系列DSP處理器的8位和16位主機端口接口（HPI）端口的接口。它符合PCI本地總線規范，是一個僅支持目標模式的PCI接口，兼容3.3 - V或5 - V信號環境。該器件還具備串行ROM接口，可用于預加載多個寄存器，包括子系統ID和子系統供應商ID，并且支持低功耗特性，有助于降低系統功耗。

1.2 產品特性

• PCI總線支持：僅支持PCI總線目標模式，支持單字讀寫操作，還具備寫事務后置功能，可提高PCI總線性能。
• 多DSP連接：能夠為C54x和/或C6x的主機端口接口（HPI）端口提供無膠合接口，最多可連接四個DSP設備。
• 通用接口：擁有一個16位通用總線（GPB），可與TI JTAG TBC實現無膠合接口，還有6個通用輸入/輸出（GPIO）接口，設計靈活性高。
• 低功耗設計：采用先進的亞微米、低功耗CMOS技術，核心邏輯為3.3 - V，且具備多種低功耗特性。
• 封裝選擇：提供144引腳的器件，有TQFP或12 mm x 12 mm MicroStar BGA兩種表面貼裝封裝可供選擇。
• 總線頻率：支持高達33 MHz的PCI總線頻率。

1.3 相關文檔

在設計過程中，我們需要參考一些相關文檔，如Compact PCI Hot Swap Specification PICMG 2.1（修訂版1.0）、PCI Bus Power Management Interface Specification（修訂版1.1）、PCI Local Bus Specification（修訂版2.2）和PC 98/99等。

1.4 訂購信息

PCI2040有特定的訂購編號，如PCI2040，其電壓為3.3 V、5 - V Tolerant IVOs，封裝有144 - pin LQFP和144 - ball PBGA兩種選擇。

二、終端描述

2.1 引腳圖

文檔中給出了PCI2040的引腳圖（Figure 2 - 1），這對于我們進行硬件設計時的引腳連接至關重要。同時，還通過多個表格詳細列出了卡信號名稱及其終端分配，包括按GGU/PGE引腳編號排序和按信號名稱排序的情況。

2.2 終端功能分類

• 電源供應：包括GND（設備接地終端）、Vcc（核心邏輯電源供應終端，3.3 V）、VCCH（HPI接口信號電壓）和VccP（PCI接口信號電壓）。
• PCI系統功能：涵蓋32位復用地址/數據總線（PCI_AD31 - PCI_AD0）、PCI命令和字節使能（PCI_C/BE3 - PCI_C/BE0）、PCI時鐘（PCI_PCLK）、設備選擇（PCI_DEVSEL）等多個信號，這些信號共同實現了PCI總線的通信功能。
• 其他功能：還有雜項終端功能（如GRST、PME、GPIO等）、主機端口接口終端功能（如HAD、HR/W、HDS等）、緊湊型PCI熱插拔接口（HSENUM、HSLED、HSSWITCH）和通用總線接口（GPD、GPA、GP_CS等）。

三、PCI2040功能描述

3.1 PCI接口

PCI2040集成了一個符合PCI本地總線規范的32位PCI總線接口，作為PCI總線目標，它支持內存讀取、內存寫入、配置讀取和配置寫入等操作，還支持PCI_LOCK功能，但不提供PCI主控功能。

3.2 訪問內部寄存器

PCI配置空間可通過PCI配置讀取和寫入周期進行訪問，HPI控制和狀態寄存器（HPI CSRs）可進行內存和I/O映射。推薦將HPI CSR寄存器進行內存映射，這樣可以通過字節、字或雙字傳輸進行訪問。

3.3 PCI_LOCK

PCI2040支持通過PCI定義的LOCK協議和PCI_LOCK終端實現獨占訪問。當主設備擁有對PCI2040的獨占訪問鎖時，會驅動PCI_LOCK信號，在訪問結束后釋放該信號。

3.4 串行ROM接口

PCI2040提供了一個兩線串行ROM接口，可在電源復位（GRST）后預加載寄存器。該接口包括串行時鐘（SCL）輸出和串行數據（SDA）輸入/輸出，通過將GPIO0和GPIO1終端上拉到VCC來啟用。

3.5 主機端口接口

3.5.1 識別已實現的端口和DSP類型

PCI2040最多支持四個C54x和C6x類型的DSP，可通過HPI DSP實現寄存器和HPI數據寬度寄存器來確定連接的DSP數量和類型。

3.5.2 DSP芯片選擇

PCI2040提供四個芯片選擇輸出（HCS3 - HCS0），通過解碼PCI地址的特定位來選擇要訪問的DSP。

3.5.3 HPI寄存器訪問控制

PCI2040根據PCI地址的特定位來確定HCNTL1和HCNTL0控制信號，從而選擇要訪問的DSP HPI寄存器和訪問模式。

3.5.4 映射HPI DSP內存到主機

PCI地址的PCI_AD10 - PCI_AD0位不轉發到HPI接口，允許主機為每個DSP直接映射2K字節的主機內存到HPI接口，實現快速內存塊復制。

3.5.5 讀寫過程

在進行HPI空間的讀寫操作時，需要進行一系列初始化操作，包括預加載寄存器、配置相關地址寄存器、清除HPI復位寄存器等。讀寫操作還涉及到對HPI控制寄存器、地址寄存器和數據寄存器的操作，以及根據條件進行自動增量操作。

3.5.6 HPI接口特定注意事項

PCI2040支持C54x和C6x接口的多種HPI功能，如共享訪問模式（SAM）、主機獨占模式（HOM）、自動增量、字節交換等。

3.6 通用輸入/輸出接口

PCI2040有六個通用輸入/輸出（GPIO）終端，默認作為輸入，可通過GPIO方向控制寄存器編程為輸出。通過GPIO選擇寄存器，這些終端還可被編程為其他信號功能。

3.7 中斷

PCI2040報告兩類中斷：DSP中斷和設備中斷。通過中斷事件寄存器和中斷屏蔽寄存器來報告和控制中斷，其中中斷事件寄存器包含實際的中斷請求位，中斷屏蔽寄存器用于啟用選定的中斷源。

3.8 電源管理

3.8.1 PCI電源管理寄存器接口

PCI2040符合PCI總線電源接口管理規范修訂版1.0和1.1，默認提供PCI PM 1.0寄存器集，可通過設置雜項控制寄存器的特定位來提供PCI PM 1.1寄存器集。

3.8.2 PCI電源管理設備狀態和轉換

PCI2040支持所有D0 - D3設備電源狀態，在不同狀態之間轉換時，會根據特定條件完成當前的HPI周期或進行內部信號的斷言。同時，還定義了PME上下文位，這些位在不同的復位操作中有不同的復位情況。

3.9 緊湊型PCI熱插拔

PCI2040支持緊湊型PCI熱插拔功能，符合相關規范要求。它通過HSENUM、HSSWITCH和HSLED三個終端來支持熱插拔操作，并通過CPCI熱交換控制和狀態寄存器進行控制。

3.10 通用總線

PCI2040的通用總線是一個16位數據和6位地址的總線，地址總線直接映射到PCI地址位7 - 2，大部分信號復用在HPI總線上。通用總線的讀寫操作有特定的時序要求，可通過GP_RDY信號擴展總線的使用。

3.11 通用總線上的示例交易

3.11.1 通用總線字寫入

在進行通用總線字寫入操作時，首先所有信號處于非激活狀態，然后驅動GP_CS和地址、數據總線，再驅動GP_WR信號進行寫入操作，最后完成交易。

3.11.2 通用總線字讀取

通用總線字讀取操作開始時所有信號也處于非激活狀態，驅動GP_CS和地址總線，驅動GP_RD信號進行讀取，根據GP_RDY信號的狀態來完成數據的鎖存和交易的結束。

四、PCI2040編程模型

4.1 PCI配置寄存器

PCI2040的配置頭符合PCI本地總線規范和PC98/99標準，包含了一系列PCI配置寄存器，如廠商和設備ID寄存器、PCI命令寄存器、PCI狀態寄存器等。

4.2 各寄存器詳細描述

文檔中對每個寄存器進行了詳細的描述，包括寄存器的名稱、偏移量、默認狀態、位字段名稱、詳細字段描述和字段訪問標簽等。例如，廠商和設備ID寄存器返回TI分配的唯一設備ID和PCI SIG分配給德州儀器的值；PCI命令寄存器用于控制設備對PCI周期的響應能力等。

五、HPI控制和狀態寄存器

5.1 HPI CSR空間概述

PCI2040允許軟件通過內存或I/O地址空間訪問HPI配置，相關的HPI控制和狀態寄存器包括中斷事件寄存器、中斷屏蔽寄存器、HPI錯誤報告寄存器、HPI復位寄存器等。

5.2 各寄存器功能

每個寄存器都有其特定的功能，如中斷事件寄存器反映各種PCI2040中斷源的狀態，中斷屏蔽寄存器用于啟用不同的中斷源，HPI錯誤報告寄存器反映HPI接口上的錯誤狀態等。

六、DSP HPI概述

6.1 C54X主機端口接口

C54X的HPI是一個8位并行端口，用于主機設備與C54x DSP之間的通信。它有共享訪問模式（SAM）和主機獨占模式（HOM）兩種操作模式，使用三個寄存器（HPI地址寄存器、HPI控制寄存器、HPI數據寄存器）進行通信。

6.2 C54X HPI控制寄存器

C54X HPI控制寄存器中的一些位控制著HPI的操作，如HINT位用于產生DSP到主機的中斷，DSPINT位用于主機到DSP的中斷，SMOD位確定操作模式，BOB位影響數據和地址傳輸。

6.3 C6X HPI接口

C6X HPI接口與C54x HPI端口類似，但有一些不同之處，如只有一種操作模式，不支持C54x的SAM或HOM，提供32位數據給CPU，使用16位寬的并行外部接口等。

七、電氣特性

7.1 絕對最大額定值

文檔給出了PCI2040在不同工作溫度范圍內的絕對最大額定值，包括供應電壓范圍、輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、輸入和輸出鉗位電流、存儲溫度范圍和虛擬結溫等。

7.2 推薦工作條件

推薦工作條件規定了輸入和輸出的電壓范圍以及工作溫度范圍等，同時需要注意未使用的引腳必須保持高電平或低電平，以防止其浮動。

7.3 電氣特性

在推薦工作條件下，PCI2040的電氣特性包括高電平輸出電壓、低電平輸出電壓、三態輸出高阻抗狀態電流、高電平輸入電流和低電平輸入電流等參數。

八、機械信息

PCI2040提供兩種封裝形式：144 - ball GGU BGA和144 - pin PGE封裝。文檔中給出了這兩種封裝的機械尺寸圖和相關信息，以及不同訂購型號的詳細包裝信息，包括狀態、材料類型、包裝數量、RoHS標準、引腳鍍層/球材料、MSL評級/峰值回流溫度和操作溫度等。

在使用TI PCI2040進行設計時，我們需要綜合考慮其各個方面的特性和功能，嚴格遵循相關的電氣特性和工作條件，以確保設計的穩定性和可靠性。同時，對于編程模型和寄存器的配置，需要仔細研究以實現所需的功能。希望本文能為各位電子工程師在使用PCI2040進行設計時提供一些有價值的參考。大家在實際設計過程中遇到過哪些獨特的問題呢？歡迎在評論區分享交流。