PI7C9X7954：PCI Express 四通道 UART 的详细剖析

在电子设计领域，高效、稳定且功能丰富的接口芯片至关重要。PI7C9X7954 作为一款 PCI Express 四通道 UART（通用异步收发器）I/O 桥接器，凭借其卓越的性能和广泛的应用场景，成为众多工程师的理想选择。今天，我们就来深入探讨这款芯片的特性、功能及应用。

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一、特性亮点

接口与兼容性

• PCI Express 接口：支持 x1 PCI Express 链路主机接口，完全符合 PCI Express Base Specification 1.1、PCI Express CEM Specification 1.1 以及 PCI Power Management 1.2 规范，提供高达 2.5 Gbps 的带宽，确保数据的高速稳定传输。
• UART 兼容性：集成四个高性能 950 级 UART，与 16C550 软件完全兼容，为开发者提供了熟悉且便捷的编程环境。

数据处理能力

• FIFO 设计：每个 UART 通道配备 128 字节的发送和接收 FIFO，有效减少 CPU 利用率，显著提高数据吞吐量。
• 波特率与数据帧：异步模式下波特率最高可达 15 Mbps，支持 5、6、7、8 和 9 位的数据帧大小，满足不同应用场景的需求。

流控制与中断机制

• 自动流控制：支持自动带内流控制（使用可编程 Xon/Xoff）和带外流控制（使用 CTS#/RTS# 和/或 DSR#/DTR#），有效防止数据溢出，确保数据传输的可靠性。
• 灵活的中断触发：接收器和发送器 FIFO 中断具有任意触发级别，结合全局中断状态和可读 FIFO 级别，方便实现高效的设备驱动。

其他特性

• 时钟预分频器：提供 4 到 46 的灵活时钟预分频器，可根据实际需求调整时钟频率。
• 硬件配置：通过与 Microwire 兼容的 EEPROM 实现硬件重新配置，部分寄存器可通过硬件引脚设置进行预编程，方便系统初始化。
• 电源管理：支持 D0、D1、D2 和 D3 电源状态，符合 PCI 电源管理规范，典型功耗仅为 0.8 W。
• 工作温度范围：工业温度范围为 -40°C 至 85°C，适用于各种恶劣的工业环境。
• 环保封装：采用 128 引脚 LQFP 封装，无铅且 100% 环保。

二、应用场景

PI7C9X7954 的多功能性使其广泛应用于多个领域，包括但不限于：

• 远程访问服务器：为服务器提供稳定的串口通信接口，实现远程设备的监控和管理。
• 网络/存储管理：用于网络设备和存储系统的配置和监控，确保系统的稳定运行。
• 工厂自动化和过程控制：在工业自动化生产线上，实现设备之间的通信和数据传输。
• 仪器仪表：为各类仪器仪表提供高精度的串口通信功能，满足数据采集和控制的需求。
• 多端口 RS - 232/RS - 422/RS - 485 卡：作为多端口串口卡的核心芯片，提供多个串口通道，扩展设备的通信能力。
• 销售点系统（PoS）：在商业销售终端中，实现与各种外设的通信，如打印机、扫码枪等。
• 工业 PC（IPC）：为工业计算机提供可靠的串口通信接口，满足工业控制和数据采集的需求。
• 工业控制：在工业控制系统中，实现设备之间的通信和控制，确保生产过程的自动化和智能化。
• 游戏机：为游戏机提供稳定的串口通信，实现与外部设备的交互。
• 楼宇自动化：在智能建筑中，实现设备之间的通信和控制，提高建筑的智能化水平。
• 嵌入式系统：作为嵌入式系统的重要组成部分，为系统提供串口通信功能，实现数据的传输和处理。

三、引脚分配与功能

引脚列表

PI7C9X7954 采用 128 引脚 LQFP 封装，引脚涵盖了 UART 接口、PCI Express 接口、系统接口、测试信号、EEPROM 接口和电源引脚等多个功能模块。详细的引脚分配如下表所示：	PIN	NAME	PIN	NAME	PIN	NAME	PIN	NAME
1	VDDR	33	VDDC	65	DRIVER_SEL3[0]	97	NC
2	VDDR	34	VDDCAUX	66	DRIVER_SEL3[1]	98	VDDC
3	VSS	35	VSS	67	DRIVER_SEL3[2]	99	VDDC
4	VSS	36	PERST_L	68	DRIVER_SEL3[3]	100	VSS
5	SCAN_EN	37	TEST	69	VDDC	101	VSS
6	XTLI	38	GPIO[0]/DEQ[1]	70	VSS	102	NC
7	XTLO	39	GPIO[1]/DEQ[2]	71	SOUT[0]	103	NC
8	SR_CLK_O	40	VDDR	72	RTS[0]/EEPROM_BYPASS	104	NC
9	SR_DI	41	VDDR	73	DTR[0]/TEST2	105	NC
10	SR_DO	42	VSS	74	SIN[0]	106	JTAG_TDI
11	SR_CS	43	GPIO[2]/DEQ[3]	75	CTS[0]	107	JTAG_TMS
12	VDDC	44	GPIO[3]/TXTERMADJ[0]	76	DSR[0]	108	JTAG_TCK
13	VSS	45	GPIO[4]/TXTERMADJ[1]	77	RI[0]	109	JTAG_TDO
14	WAKEUP_L	46	GPIO[5]/RXTERMADJ[0]	78	DCD[0]	110	JTAG_TRST_L
15	VSS	47	GPIO[6]/RXTERMADJ[1]	79	SOUT[1]/DEBUG_PIN	111	NC
16	CLKINP	48	GPIO[7]/SR_ORG	80	RTS[1]/UART_TEST_MODE	112	NC
17	VDDA	49	DRIVER_SEL0[0]/HI_DRV	81	DTR[1]	113	NC
18	CLKINN	50	DRIVER_SEL0[1]/PHY_TM	82	SIN[1]	114	NC
19	VSS	51	DRIVER_SEL0[2]/LO_DRV	83	CTS[1]	115	VDDR
20	VDDC	52	DRIVER_SEL0[3]/DTX[0]	84	DSR[1]	116	VDDR
21	VTT	53	VDDC	85	RI[1]	117	VSS
22	TXN	54	VSS	86	DCD[1]	118	VSS
23	TXP	55	DRIVER_SEL1[0]/DTX[1]	87	SOUT[2]	119	SOUT[3]
24	VSS	56	DRIVER_SEL1[1]/DTX[2]	88	RTS[2]	120	RTS[3]
25	VDDCAUX	57	DRIVER_SEL1[2]/DTX[3]	89	DTR[2]	121	DTR[3]
26	RXP	58	DRIVER_SEL1[3]/DEQ[0]	90	SIN[2]	122	SIN[3]
27	VSS	59	DRIVER_SEL2[0]	91	CTS[2]	123	CTS[3]
28	RXN	60	DRIVER_SEL2[1]	92	DSR[2]	124	DSR[3]
29	RREF	61	DRIVER_SEL2[2]	93	RI[2]	125	RI[3]
30	VDDA	62	DRIVER_SEL2[3]	94	DCD[2]	126	DCD[3]
31	VSS	63	VDDR	95	VDDR	127	VDDC
32	VDDA	64	VSS	96	VSS	128	VDDC

引脚功能描述

• UART 接口：包括 SOUT[3:0]（UART 串行数据输出）、SIN[3:0]（UART 串行数据输入）、DCD[3:0]（调制解调器数据载波检测输入）、DTR[3:0]（调制解调器数据终端就绪输出）、RTS[3:0]（调制解调器请求发送输出）、CTS[3:0]（调制解调器清除发送输入）、DSR[3:0]（调制解调器数据集就绪输入）、RI[3:0]（调制解调器振铃指示输入）、XTLO（晶体振荡器输出）和 XTLI（晶体振荡器输入或外部时钟引脚）等引脚，实现 UART 数据的收发和控制。
• PCI Express 接口：TXP、TXN（PCI Express 串行输出信号）、RXP、RXN（PCI Express 串行输入信号）、CLKINP、CLKINN（参考输入时钟）和 RREF（参考电阻）等引脚，确保 PCI Express 接口的高速数据传输和稳定工作。
• 系统接口：PEREST_L（系统复位输入）、GPIO[7:0]（通用双向信号）和 WAKEUP_L（唤醒信号）等引脚，用于系统的复位、配置和唤醒功能。
• 测试信号：JTG_TDI（测试数据输入）、JTG_TDO（测试数据输出）、JTG_TMS（测试模式选择）、JTG_TCK（测试时钟）、JTG_TRST_L（测试复位）和 SCAN_EN（扫描测试使能）等引脚，方便进行芯片的测试和调试。
• EEPROM 接口：SR_CS（EEPROM 芯片选择）、SR_DO（EEPROM 数据输出）、SR_DI（EEPROM 数据输入）和 SR_CLK_O（EEPROM 时钟输出）等引脚，实现与 EEPROM 的通信和数据存储。
• 电源引脚：VDDC（1.8 V 数字核心电源引脚）、VDDA（1.8 V 模拟核心电源引脚）、VDDR（3.3 V 数字 I/O 电源引脚）、VDDCAUX（1.8 V 辅助电源引脚）、VTT（1.8 V 终端电压）和 VSS（接地引脚）等引脚，为芯片提供稳定的电源供应。

四、功能描述

配置空间

PI7C9X7954 具有两组寄存器，分别用于 PCI Express 配置空间和 UART 配置空间，实现各种配置和状态监控功能。

• PCI Express 配置空间：作为 PCI Express 端点，映射到配置空间作为单个逻辑设备。支持 PCI 兼容的配置空间，前 256 字节与 PCI 3.0 兼容，其余 4096 字节为 PCI Express 配置空间，可通过不同的访问方式进行操作。
• UART 配置空间：通过 UART 寄存器，用户可以控制和监控 UART 的各种功能，如 FIFOs、中断状态、线路状态、调制解调器状态和采样时钟等。每个 UART 通道通过 8 字节的 I/O 块进行访问，地址由 PCI Express 配置空间中的基地址寄存器（BAR）确定。

设备操作

• 配置访问：支持 PCI Express Base 1.1 规范中定义的类型 0 配置读写访问。
• I/O 读写：PCI Express 接口对传入的事务数据包进行解码，若地址在 I/O 基地址寄存器分配的区域内，则识别为 I/O 读写操作。
• 内存读写：与 I/O 读写类似，若事务数据包的地址在内存范围内，则进行内存读写操作。

模式选择

PI7C9X7954 支持 16C450、16C550、增强型 16C550 和增强型 950 UART 模式，通过特殊功能寄存器（SFR[5]）和增强功能寄存器（EFR[4]）进行选择。不同模式的 FIFO 深度和选择方式如下表所示：	UART 模式	SFR[5]	EFR[4]	FIFO 大小
450/550	X	0	1/16
增强型 550	0	1	128
增强型 950	1	1	128

发送和接收 FIFOs

每个 UART 通道的发送和接收 FIFO 均为 128 字节，分别由发送保持寄存器（THR）和接收保持寄存器（RHR）组成。FIFOs 为数据提供存储空间，在数据传输或处理前进行缓冲。发送器从 THR 读取数据并转换为串行格式进行发送，接收器将接收到的数据写入 RHR。通过读取线路状态寄存器（LSR）中的标志位，可以确定 THR 和 RHR 的空满状态。此外，用户还可以使用接收 FIFO 数据计数器（RFDC）和发送 FIFO 数据计数器（TFDC）寄存器来确定每个 FIFO 中的数据项数量。

自动流控制

• 带内流控制：通过特殊字符检测实现自动带内流控制，当检测到 XOFF 条件时，UART 发送器在当前字符传输完成后暂停数据传输；当检测到 XON 条件时，发送器恢复数据传输。带内流控制由增强功能寄存器（EFR）的相应位进行控制。
• 带外流控制：利用 RTS# 和 CTS# 引脚实现带外流控制，当 CTS# 引脚被置位时，UART 发送器完成当前字符传输后进入空闲模式，直到 CTS# 引脚被复位；当本地接收 FIFO 达到或低于编程的阈值时，RTS# 引脚被置位或复位。带外流控制由 EFR 的相应位进行控制。

内部回环

通过将调制解调器控制寄存器（MCR）的第 4 位（MCR[4]）设置为 1，可以启用 UART 的内部回环功能。启用该功能后，发送移位寄存器的输出数据将回环到接收移位寄存器的输入，方便用户进行系统诊断。

晶体振荡器

PI7C9X7954 可以使用晶体振荡器或外部时钟源为波特率发生器提供系统时钟。当使用晶体振荡器时，XTLI 为输入，XTLO 为输出，晶体应与两个电容器并联连接；当使用外部时钟源时，时钟信号应连接到 XTLI 引脚，并在 XTLO 引脚连接一个 2K 上拉电阻。

波特率生成

内置的波特率发生器（BRG）允许广泛的输入频率和灵活的波特率生成。用户可以通过设置采样时钟寄存器（SCR）、除数锁存低寄存器（DLL）、除数锁存高寄存器（DLH）和时钟预分频寄存器（CPRM 和 CPRN）来获得所需的波特率。波特率的计算公式为： [BaudRate =frac{ InputFrequency }{ Divisor Prescaler }] 其中，Divisor = DLL + (256 DLH)，Prescaler = (k SampleClock) (M + N)，SampleClock 的取值范围为 4 到 16，M 和 N 的取值范围分别为 01h 到 02h 和 0h 到 7h。为确保波特率发生器的正常运行，用户应避免将采样时钟、除数和预分频器的值设置为 0。

电源管理

PI7C9X7954 支持 D