德州仪器PCI2250 PCI-to-PCI桥接器：设计与应用全解析

在当今的电子系统设计中，PCI（Peripheral Component Interconnect）总线因其高性能和广泛的兼容性，成为了连接各种外设的重要接口。而PCI-to-PCI桥接器则在扩展PCI总线功能、克服电气负载限制等方面发挥着关键作用。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的PCI2250 PCI-to-PCI桥接器，了解它的特点、功能以及在实际设计中的应用。

文件下载：PCI2250PGF.pdf

一、PCI2250概述

PCI2250是一款高性能的PCI-to-PCI桥接器，它为两个PCI总线之间提供了高效的连接路径。该桥接器支持两个32位、33 MHz的PCI总线，并且允许在两个总线上同时进行桥接事务，大大提高了数据传输的效率。它还支持突发模式传输，能够最大化数据吞吐量，同时两个总线的数据流路径相互独立，互不干扰。

特点与优势

1. 广泛的兼容性：PCI2250不仅符合PCI本地总线规范，还符合PCI-to-PCI桥接器规范，能够与各种PCI设备无缝集成。它可以通过创建分层总线来克服每个PCI总线最多连接10个设备以及每个扩展槽只能连接一个PCI设备的电气负载限制。
2. 先进的仲裁机制：提供两级内部仲裁，支持多达四个二级总线主设备，并可与外部二级PCI总线仲裁器配合使用，确保了总线资源的合理分配和高效利用。
3. 热插拔支持：具备紧凑PCI（CPCI）热插拔扩展功能，使其成为多功能紧凑PCI卡以及单功能卡实现热插拔兼容性的理想解决方案。
4. 灵活的解码选项：可以在主接口上配置为正向解码或减法解码，并提供多种额外的解码选项，适用于定制PCI应用。
5. 低功耗设计：采用先进的CMOS工艺，核心逻辑供电为3.3 V，在保证高性能的同时，有效降低了系统功耗。

相关文档与订购信息

在进行PCI2250的设计和应用时，我们需要参考一些相关的文档，如Advanced Configuration and Power Interface（ACPI）Revision 1.0、PCI Local Bus Specification Revision 2.2等。订购信息方面，PCI2250有两种封装可供选择：160引脚的QFP（PCM）和176引脚的薄QFP（PGF），电压支持3.3 V，I/O具有5 - V容限。

二、引脚描述

PCI2250的引脚分为多个类别，包括主PCI系统、二级PCI系统、电源供应和杂项引脚等。每个引脚都有其特定的功能和作用，下面我们来详细了解一下。

主PCI系统引脚

主PCI系统引脚包括时钟（P_CLK）、复位（P_RST）、地址和数据总线（P_AD）、命令和字节使能（P_C/BE）等。这些引脚为PCI总线提供了基本的时序和控制信号，确保了主PCI总线上的事务能够正常进行。例如，P_CLK为所有主PCI总线上的事务提供时序，所有主PCI信号都在P_CLK的上升沿进行采样。

二级PCI系统引脚

二级PCI系统引脚与主PCI系统引脚类似，但功能上是针对二级PCI总线的。其中，S_CLKOUT[0:4]为二级PCI总线提供时钟输出，确保二级总线上的设备能够同步工作。此外，还有一些引脚用于仲裁、设备选择和数据传输等功能。

电源供应和杂项引脚

电源供应引脚包括GND和Vcc，分别提供接地和核心逻辑电源。杂项引脚如GOZ、NO/HSLED等，用于特定的功能控制，如NAND树使能和热插拔LED指示等。

三、功能与协议描述

系统架构

PCI2250的系统架构基于两个独立的PCI总线，通过内部寄存器实现与主机软件的交互。这些内部寄存器提供了标准的PCI状态和控制功能，同时还包含了许多TI特定的扩展寄存器，为系统设计提供了更多的灵活性。

PCI命令响应

PCI2250作为PCI目标设备，根据地址阶段的解码和内部寄存器设置，对PCI总线周期做出响应。它可以识别多种有效的PCI总线周期，如I/O读写、内存读写等，并根据不同的命令进行相应的处理。需要注意的是，PCI2250不会对中断确认、特殊周期、双地址周期或保留命令做出响应。

配置周期处理

PCI本地总线规范定义了两种类型的PCI配置读写周期：类型0和类型1。PCI2250会根据不同的类型进行不同的解码和处理。类型0配置周期用于主总线上的设备，而类型1配置周期用于下级总线上的设备。PCI2250会根据目标总线的总线号来判断是否处理类型1配置周期，并将其转换为类型0配置周期或直接转发。

特殊周期生成

PCI2250可以通过类型1周期转换在两个总线上生成特殊周期。当类型1配置周期的总线号与桥接器的二级总线号匹配，并且设备号为1Fh、功能号为07h时，桥接器会在二级总线上生成特殊周期。

二级时钟输出

PCI2250提供五个二级时钟输出（S_CLKOUT[0:4]），其中四个用于为二级设备提供时钟，另一个时钟应反馈回PCI2250的S_CLK输入，以确保所有二级总线设备看到相同的时钟。

总线仲裁

PCI2250实现了主总线和二级总线的仲裁机制。在主总线仲裁中，PCI2250作为发起者，通过P_REQ请求访问主PCI总线，并根据P_GNT的响应发起事务。在二级总线仲裁中，PCI2250提供两级仲裁方案，支持四个二级总线请求和四个二级总线授予，可根据不同的优先级需求进行配置。

解码选项与扩展窗口

PCI2250支持正向、减法和负向解码，默认在主接口上采用正向解码，在二级总线上采用负向解码。此外，它还提供两个可编程的32位扩展窗口，每个窗口可以配置为预取内存窗口、非预取内存窗口或I/O窗口，为系统设计提供了更精细的地址解码和内存管理。

系统错误处理

PCI2250可以在多种条件下配置为发出系统错误信号（SERR）。通过P_SERR事件禁用寄存器和P_SERR状态寄存器，可以对每个可能触发SERR的条件进行控制和状态监测。

奇偶校验处理

PCI2250可以通过诊断控制寄存器的第14位配置为传递奇偶校验或提供奇偶校验。当检测到地址奇偶错误或数据奇偶错误时，桥接器会根据命令寄存器的设置发出相应的错误信号。

主设备和目标设备中止处理

当PCI2250在写突发或读突发过程中接收到目标中止信号时，会根据不同的情况进行相应的处理。同时，对于主设备中止和目标设备中止的报告，也遵循PCI-to-PCI桥接器规范。

延迟事务处理

PCI2250支持PCI本地总线规范中定义的延迟事务。当目标设备无法在规定时间内完成事务时，桥接器会进行相应的处理，如发出重试信号，并在事务完成后将结果返回给发起者。

多功能引脚

PCI2250有两个多功能引脚（P_MFUNC和S_MFUNC），可以根据MS0和MS1的设置配置为LOCK、CLKRUN或紧凑PCI热插拔ENUM和SWITCH等功能。

PCI电源管理

PCI电源管理接口规范定义了PCI功能的电源管理标准。PCI2250支持四种软件可见的电源管理状态（D0 - D3），并提供相应的功能，如能力报告、电源状态报告、设置电源状态和系统唤醒等。

四、桥接器配置头

PCI2250的配置头包含了一系列的寄存器，用于配置和控制桥接器的各种功能。这些寄存器提供了标准的PCI状态和控制信息，同时也包含了一些TI特定的扩展寄存器。

寄存器功能概述

• 厂商ID寄存器：标识TI为该设备的制造商，值为104Ch。
• 设备ID寄存器：标识PCI设备，PCI2250的设备ID为AC23h。
• 命令寄存器：控制桥接器与主PCI总线的接口，包括系统错误（SERR）使能、奇偶错误响应使能等功能。
• 状态寄存器：提供设备信息给主机系统，如检测到的奇偶错误、发出的系统错误等。
• 其他寄存器：还包括修订ID寄存器、类代码寄存器、缓存行大小寄存器等，每个寄存器都有其特定的功能和作用。

五、扩展寄存器

TI扩展寄存器位于标准PCI-to-PCI桥接器设备配置空间之外（即PCI配置空间中的40h - FFh寄存器），这些寄存器可以通过配置读写进行访问，为标准PCI-to-PCI桥接器增加了灵活性和性能优势。

部分扩展寄存器功能

• 芯片控制寄存器：用于控制某些PCI事务的功能，如内存读取预取使能等。
• 扩展诊断寄存器：可用于重置PCI2250和二级总线。
• 仲裁控制寄存器：用于桥接器的内部仲裁，采用两级旋转仲裁方案。

六、电气特性

在设计PCI2250的应用电路时，需要考虑其电气特性，以确保系统的稳定性和可靠性。

绝对最大额定值

PCI2250在不同的工作温度范围内有相应的绝对最大额定值，超过这些值可能会对设备造成永久性损坏。在实际应用中，应确保设备的工作条件在推荐的范围内。

推荐工作条件

推荐工作条件包括电源电压、输入输出电压、工作温度等。例如，核心逻辑电源电压推荐为3.3 V，输入输出电压应根据具体的信号要求进行设置。

电气特性参数

PCI2250在推荐工作条件下的电气特性参数包括高电平输出电压、低电平输出电压、高电平输入电流、低电平输入电流等。这些参数对于电路的设计和调试非常重要，需要仔细考虑。

时钟和复位时序要求

PCI时钟和复位信号的时序要求对于系统的正常运行至关重要。PCI2250对PCLK的周期时间、高电平脉冲持续时间、低电平脉冲持续时间等都有明确的要求，同时对RSTIN的脉冲持续时间和设置时间也有规定。

参数测量信息

文档中还提供了参数测量的相关信息，包括负载电路参数、电压波形、时序输入等，这些信息对于准确测量和验证PCI2250的性能非常有帮助。

七、机械数据

PCI2250有两种封装形式：PGF（S-PQFP-G176）和PCM（S-PQFP-G***）。文档中提供了这两种封装的机械尺寸图和相关说明，在进行PCB设计时，需要根据封装的尺寸和引脚布局进行合理的规划。

八、总结与思考

PCI2250作为一款高性能的PCI-to-PCI桥接器，具有广泛的应用前景。它的先进特性和丰富的功能为电子工程师提供了更多的设计选择和灵活性。在实际设计中，我们需要充分了解其特点和功能，结合具体的应用需求进行合理的配置和优化。

同时，我们也需要思考如何进一步提高PCI总线系统的性能和可靠性。例如，如何更好地利用PCI2250的仲裁机制来提高总线资源的利用率？如何在热插拔应用中确保系统的稳定性和数据的安全性？这些问题都值得我们在后续的设计中深入探讨和研究。

希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师更好地理解和应用PCI2250 PCI-to-PCI桥接器，为电子系统的设计和开发提供有益的参考。如果你在设计过程中遇到任何问题或有相关的经验分享，欢迎在评论区留言交流。