PI7C9X110：PCI Express到PCI可逆橋接器的技術剖析與應用指南

在當今的電子科技領域，PCI Express和PCI技術是I/O互連技術市場的重要組成部分。然而，將現有的PCI產品集成到PCI Express系統中是一項具有挑戰性的任務。Diodes Incorporated的PI7C9X110可逆橋接器為這一問題提供了有效的解決方案，它能夠無縫地將PCI技術與PCI Express技術連接起來。本文將深入探討PI7C9X110的特性、功能、配置寄存器以及應用場景，為電子工程師在設計中提供全面的參考。

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一、PI7C9X110概述

PI7C9X110是一款符合PCI Express Base Specification 1.0a、PCI Express Card Electromechanical Specification 1.0a、PCI Local Bus Specification 3.0和PCI Express to PCI Bridge Specification 1.0的橋接器。它支持透明和非透明兩種操作模式，以及正向和反向橋接功能。在正向橋接模式下，它具有一個x1 PCI Express上游端口和一個32位PCI下游端口；在反向橋接模式下，則具有一個32位PCI上游端口和一個x1 PCI Express下游端口。此外，PI7C9X110的配置寄存器與現有的PCI橋接軟件和固件向后兼容，無需對原有軟件和固件進行修改。

1.1 主要特性

• PCI Express特性：符合相關規范，支持物理層接口（x1鏈路，數據速率為2.5Gb/s）、Lane極性切換、虛擬同步操作、ASPM支持、信標支持、CRC（16位）、LCRC（32位）、ECRC和高級錯誤報告等功能。
• PCI特性：符合PCI本地總線規范，支持PME、3.3V PCI信號（5V I/O容限）、兩級仲裁支持、16位地址解碼、子系統供應商和設備ID支持，最低支持PCI頻率為10MHz。
• 通用特性：符合高級配置和電源接口規范、系統管理總線規范，支持正向和反向橋接、透明和非透明模式、GPIO、電源管理、偽裝模式、EEPROM（I2C）接口、SM總線接口、輔助電源支持，典型功耗約為1.0瓦，工作溫度范圍為-40°C至85°C，完全無鉛且符合RoHS標準。

二、引腳定義與模式選擇

2.1 引腳定義

PI7C9X110的引腳涵蓋了PCI Express信號、PCI信號、模式選擇和跨接信號、JTAG邊界掃描信號以及其他雜項信號。每個引腳都有明確的功能和類型定義，例如PCI Express信號中的REFCLKP和REFCLKN用于連接外部100MHz差分時鐘，RP和RN為差分數據接收器輸入信號，TP和TN為差分數據發射器輸出信號等。PCI信號中的AD [31:0]為復用的地址和數據總線，CBE [3:0]為命令/字節使能信號等。

2.2 模式選擇與引腳跨接

通過TM2、TM1、TM0、CFN_L和REVRSB等引腳可以選擇不同的操作模式，如EEPROM（I2C）支持、SM總線支持、透明模式、非透明模式、內部仲裁器或外部仲裁器、正向橋接模式或反向橋接模式等。當TM2跨接為高電平時，PI7C9X110使用TM1、TM0和MSK_IN作為跨接引腳，實現不同的測試功能。

三、橋接模式

3.1 正向和反向橋接

PI7C9X110支持正向和反向橋接的組合模式。在正向和非透明橋接模式下，其PCI Express接口連接到根復合體，PCI總線接口連接到PCI設備，這種模式可以將I/O處理器與主機處理器及其內存映射隔離開來，避免內存地址沖突。在反向和透明橋接模式下，PI7C9X110成為PCI到PCI Express的橋接器，使傳統的PCI主機系統具備PCI Express能力。

3.2 透明和非透明橋接

• 透明模式：在透明橋接模式下，PI7C9X110的基類代碼設置為06h（橋接設備），子類代碼設置為04h（PCI到PCI橋接），編程接口為00h。它具有類型1配置頭，配置寄存器與傳統的透明PCI-to-PCI橋接器相同，并且與支持傳統透明PCI-to-PCI橋接器的軟件向后兼容。
• 非透明模式：在非透明橋接模式下，基類代碼同樣為06h，但子類代碼為80h（其他橋接），編程接口為00h。它具有類型0配置頭，有一組用于主接口的配置寄存器和另一組用于輔助接口的配置寄存器，同時實現了控制和狀態寄存器（CSRs）以支持主總線和輔助總線之間的內存或I/O傳輸。

四、PCI Express功能概述

4.1 TLP結構

PCI Express TLP（事務層數據包）結構由格式、類型、流量類別、屬性、TLP摘要、TLP中毒和數據有效負載長度組成。PI7C9X110定義了四種TLP格式，數據有效負載范圍從4字節到256字節。它支持三種TLP路由機制：地址路由、ID路由和隱式路由。

4.2 虛擬同步操作

PI7C9X110默認禁用虛擬同步支持，通過設置偏移量40h的位[26]為1可以啟用該功能。控制位用于選擇用于上游（PCI Express到PCI）的流量類別（TC1 - 7），下游（PCI Express到PCI）僅接受配置、I/O和消息數據包的TC0數據包。

五、配置寄存器

PI7C9X110支持Type-0（非透明橋接模式）和Type-1（透明橋接模式）配置空間頭以及多種能力ID。配置寄存器分為多個部分，包括配置寄存器映射、PCI Express擴展能力寄存器映射、控制和狀態寄存器映射等。不同的寄存器用于控制和監測設備的各種功能，如命令寄存器用于啟用或禁用I/O空間、內存空間、總線主功能等，狀態寄存器用于反映設備的狀態信息，如主數據奇偶校驗錯誤檢測、目標中止、系統錯誤等。

5.1 透明橋接模式下的PCI配置寄存器

在透明橋接模式下，各個寄存器具有特定的功能和類型。例如，供應商ID寄存器（偏移量00h）用于標識設備的供應商，設備ID寄存器用于標識設備型號，命令寄存器用于控制設備的操作模式，狀態寄存器用于記錄設備的狀態信息等。

5.2 非透明橋接模式下的PCI配置寄存器

非透明橋接模式下的配置寄存器與透明模式有所不同，除了基本的供應商ID、設備ID、命令寄存器和狀態寄存器外，還增加了用于內存和I/O地址映射的寄存器，如主CSR和內存0基地址寄存器、下游內存和I/O基地址寄存器等，以支持主總線和輔助總線之間的地址轉換和數據傳輸。

六、其他功能與特性

6.1 GPIO引腳與SM總線地址

GPIO [3:0]引腳在不同的橋接模式下具有不同的功能定義，例如在正向橋接模式下用于PCI插槽卡存在檢測、注意按鈕按下檢測、電源指示輸出和注意指示輸出等；在反向橋接模式下用于PCIe插槽卡存在檢測、MRL傳感器輸入等。同時，GPIO [3:0]引腳還定義了SM總線設備ID的地址位。

6.2 時鐘方案

PCI Express接口需要通過REFCLKP和REFCLKN引腳輸入100MHz差分時鐘，PCI接口需要連接到外部時鐘源（最高66MHz，最低10MHz），并通過CLKOUT [8:0]輸出時鐘信號。PI7C9X110還需要將CLKOUT [8:0]中的一個信號連接到FBCLKIN以提供內部時鐘。

6.3 中斷

PI7C9X110支持PCIe側的中斷消息數據包和PCI側的PCI中斷（INTA, B, C, D）引腳或MSI（消息信號中斷）。在反向橋接模式下，將中斷消息數據包映射到PCI中斷引腳或MSI；在正向橋接模式下，將PCI中斷引腳或MSI映射到PCIe側的中斷消息數據包。

6.4 EEPROM（I2C）接口與系統管理總線

PI7C9X110支持EEPROM接口（通過I2C總線）和系統管理總線協議。通過TM1引腳可以選擇使用EEPROM接口還是SM總線接口。在EEPROM接口模式下，引腳A2為EEPROM時鐘（SCL），引腳A1為EEPROM數據（SDL）；在SM總線接口模式下，SMBCLK（引腳A2）和SMBDAT（引腳A1）分別作為時鐘和數據引腳。

6.5 熱插拔操作

PI7C9X110雖然沒有集成標準熱插拔控制器，但支持熱插拔信號消息和寄存器，以簡化熱插拔系統的實現。在不同的橋接模式和應用場景下（如主板或擴展卡），它都能支持PCI總線或PCI Express總線的熱插拔功能。

6.6 復位方案

PI7C9X110在正向橋接模式下需要基本復位（PERST_L）輸入，在反向橋接模式下需要PCI復位（RESET_L）輸入。它支持冷復位、熱復位、暖復位和DL_DOWN復位等多種復位方式，并且在不同的復位情況下會對下游設備產生相應的影響。

6.7 JTAG控制器

PI7C9X110提供了符合IEEE 1149.1標準的JTAG控制器，用于板級連續性測試和診斷。它包括指令寄存器、旁路寄存器、設備ID寄存器和邊界掃描寄存器等，通過特定的指令代碼可以控制JTAG邏輯的操作。

6.8 電源管理

PI7C9X110支持D0、D3 - hot、D3 - cold電源狀態，不支持D1和D2狀態。PCI Express物理鏈路層支持PCI Express鏈路電源管理，PCI端口支持標準PCI電源管理狀態。它還支持ASPM以實現鏈路節能，并且可以通過PME_L引腳請求電源管理狀態變化。

6.9 電源排序

PI7C9X110需要3.3V I/O電壓和1.8V核心電壓，在設計電源供應時，可以同時施加所有電壓，或者先施加3.3V電壓，再在建議的時間范圍內施加1.8V電壓。在電源循環過程中，需要注意電壓施加的時間間隔，以避免出現不確定的I/O狀態和引腳毛刺。

七、電氣和時序規格

7.1 絕對最大額定值

PI7C9X110的絕對最大額定值包括存儲溫度范圍（-65°C至150°C）、最大結溫（125°C）、不同電源引腳的電壓范圍以及輸入電壓范圍等，超過這些額定值可能會對設備造成永久性損壞。

7.2 DC規格

DC規格定義了各個電源引腳的電壓范圍、輸入輸出電壓和電流的要求，以及輸入引腳的電容等參數。例如，VDDA、VDDP、VDDC等電源引腳的電壓范圍為1.6V至2.0V，PCI輸入高電壓（VIH）為1.55V至5.5V等。

7.3 AC規格

AC規格包括PCI總線時序參數和PCIe參考時鐘時序參數。PCI總線時序參數規定了輸入設置時間、保持時間、時鐘到信號有效延遲等參數在66MHz和33MHz時鐘頻率下的要求；PCIe參考時鐘時序參數規定了輸入時鐘頻率范圍、占空比、上升/下降時間等參數。

八、封裝信息與訂購信息

PI7C9X110采用12mm x 12mm LFBGA（160引腳）封裝，球間距為0.8mm，球尺寸為0.5mm。訂購信息提供了具體的產品型號（如PI7C9X110BNBE）、引腳封裝和溫度范圍等信息。

九、總結

PI7C9X110作為一款功能強大的PCI Express到PCI可逆橋接器，為電子工程師在將現有PCI產品集成到PCI Express系統中提供了有效的解決方案。它具有豐富的功能特性，涵蓋了PCI Express和PCI的各種功能，支持多種操作模式和橋接方式，并且提供了詳細的配置寄存器和控制機制。同時，它在電源管理、熱插拔、復位等方面也具有良好的設計，能夠滿足不同應用場景的需求。在實際設計中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇引腳配置、操作模式和寄存器設置，以充分發揮PI7C9X110的性能優勢。希望本文能夠為電子工程師在使用PI7C9X110進行設計時提供有價值的參考。你在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。