PI7C9X110：PCI Express到PCI可逆橋接器的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在當(dāng)今的電子科技領(lǐng)域，PCI Express和PCI技術(shù)是I/O互連技術(shù)市場(chǎng)的重要組成部分。然而，將現(xiàn)有的PCI產(chǎn)品集成到PCI Express系統(tǒng)中是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。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(shù)與PCI Express技術(shù)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(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在設(shè)計(jì)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(gè)x1 PCI Express上游端口和一個(gè)32位PCI下游端口；在反向橋接模式下，則具有一個(gè)32位PCI上游端口和一個(gè)x1 PCI Express下游端口。此外，PI7C9X110的配置寄存器與現(xiàn)有的PCI橋接軟件和固件向后兼容，無需對(duì)原有軟件和固件進(jìn)行修改。

1.1 主要特性

• PCI Express特性：符合相關(guān)規(guī)范，支持物理層接口（x1鏈路，數(shù)據(jù)速率為2.5Gb/s）、Lane極性切換、虛擬同步操作、ASPM支持、信標(biāo)支持、CRC（16位）、LCRC（32位）、ECRC和高級(jí)錯(cuò)誤報(bào)告等功能。
• PCI特性：符合PCI本地總線規(guī)范，支持PME、3.3V PCI信號(hào)（5V I/O容限）、兩級(jí)仲裁支持、16位地址解碼、子系統(tǒng)供應(yīng)商和設(shè)備ID支持，最低支持PCI頻率為10MHz。
• 通用特性：符合高級(jí)配置和電源接口規(guī)范、系統(tǒng)管理總線規(guī)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(biāo)準(zhǔn)。

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(hào)、PCI信號(hào)、模式選擇和跨接信號(hào)、JTAG邊界掃描信號(hào)以及其他雜項(xiàng)信號(hào)。每個(gè)引腳都有明確的功能和類型定義，例如PCI Express信號(hào)中的REFCLKP和REFCLKN用于連接外部100MHz差分時(shí)鐘，RP和RN為差分?jǐn)?shù)據(jù)接收器輸入信號(hào)，TP和TN為差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)射器輸出信號(hào)等。PCI信號(hào)中的AD [31:0]為復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)總線，CBE [3:0]為命令/字節(jié)使能信號(hào)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(nèi)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(dāng)TM2跨接為高電平時(shí)，PI7C9X110使用TM1、TM0和MSK_IN作為跨接引腳，實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)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(fù)合體，PCI總線接口連接到PCI設(shè)備，這種模式可以將I/O處理器與主機(jī)處理器及其內(nèi)存映射隔離開來，避免內(nèi)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(tǒng)的PCI主機(jī)系統(tǒng)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(shè)置為06h（橋接設(shè)備），子類代碼設(shè)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(tǒng)的透明PCI-to-PCI橋接器相同，并且與支持傳統(tǒng)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(shí)實(shí)現(xiàn)了控制和狀態(tài)寄存器（CSRs）以支持主總線和輔助總線之間的內(nèi)存或I/O傳輸。

四、PCI Express功能概述

4.1 TLP結(jié)構(gòu)

PCI Express TLP（事務(wù)層數(shù)據(jù)包）結(jié)構(gòu)由格式、類型、流量類別、屬性、TLP摘要、TLP中毒和數(shù)據(jù)有效負(fù)載長(zhǎng)度組成。PI7C9X110定義了四種TLP格式，數(shù)據(jù)有效負(fù)載范圍從4字節(jié)到256字節(jié)。它支持三種TLP路由機(jī)制：地址路由、ID路由和隱式路由。

4.2 虛擬同步操作

PI7C9X110默認(rèn)禁用虛擬同步支持，通過設(shè)置偏移量40h的位[26]為1可以啟用該功能?？刂莆挥糜谶x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(shù)據(jù)包的TC0數(shù)據(jù)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(gè)部分，包括配置寄存器映射、PCI Express擴(kuò)展能力寄存器映射、控制和狀態(tài)寄存器映射等。不同的寄存器用于控制和監(jiān)測(cè)設(shè)備的各種功能，如命令寄存器用于啟用或禁用I/O空間、內(nèi)存空間、總線主功能等，狀態(tài)寄存器用于反映設(shè)備的狀態(tài)信息，如主數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤檢測(cè)、目標(biāo)中止、系統(tǒng)錯(cuò)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(gè)寄存器具有特定的功能和類型。例如，供應(yīng)商ID寄存器（偏移量00h）用于標(biāo)識(shí)設(shè)備的供應(yīng)商，設(shè)備ID寄存器用于標(biāo)識(shí)設(shè)備型號(hào)，命令寄存器用于控制設(shè)備的操作模式，狀態(tài)寄存器用于記錄設(shè)備的狀態(tài)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(yīng)商ID、設(shè)備ID、命令寄存器和狀態(tài)寄存器外，還增加了用于內(nèi)存和I/O地址映射的寄存器，如主CSR和內(nèi)存0基地址寄存器、下游內(nèi)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(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)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(cè)、注意按鈕按下檢測(cè)、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(cè)、MRL傳感器輸入等。同時(shí)，GPIO [3:0]引腳還定義了SM總線設(shè)備ID的地址位。

6.2 時(shí)鐘方案

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

6.3 中斷

PI7C9X110支持PCIe側(cè)的中斷消息數(shù)據(jù)包和PCI側(cè)的PCI中斷（INTA, B, C, D）引腳或MSI（消息信號(hào)中斷）。在反向橋接模式下，將中斷消息數(shù)據(jù)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(cè)的中斷消息數(shù)據(jù)包。

6.4 EEPROM（I2C）接口與系統(tǒng)管理總線

PI7C9X110支持EEPROM接口（通過I2C總線）和系統(tǒng)管理總線協(xié)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(shí)鐘（SCL），引腳A1為EEPROM數(shù)據(jù)（SDL）；在SM總線接口模式下，SMBCLK（引腳A2）和SMBDAT（引腳A1）分別作為時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳。

6.5 熱插拔操作

PI7C9X110雖然沒有集成標(biāo)準(zhǔn)熱插拔控制器，但支持熱插拔信號(hào)消息和寄存器，以簡(jiǎn)化熱插拔系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在不同的橋接模式和應(yīng)用場(chǎng)景下（如主板或擴(kuò)展卡），它都能支持PCI總線或PCI Express總線的熱插拔功能。

6.6 復(fù)位方案

PI7C9X110在正向橋接模式下需要基本復(fù)位（PERST_L）輸入，在反向橋接模式下需要PCI復(fù)位（RESET_L）輸入。它支持冷復(fù)位、熱復(fù)位、暖復(fù)位和DL_DOWN復(fù)位等多種復(fù)位方式，并且在不同的復(fù)位情況下會(huì)對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

6.7 JTAG控制器

PI7C9X110提供了符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG控制器，用于板級(jí)連續(xù)性測(cè)試和診斷。它包括指令寄存器、旁路寄存器、設(shè)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(tài)，不支持D1和D2狀態(tài)。PCI Express物理鏈路層支持PCI Express鏈路電源管理，PCI端口支持標(biāo)準(zhǔn)PCI電源管理狀態(tài)。它還支持ASPM以實(shí)現(xiàn)鏈路節(jié)能，并且可以通過PME_L引腳請(qǐng)求電源管理狀態(tài)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(shè)計(jì)電源供應(yīng)時(shí)，可以同時(shí)施加所有電壓，或者先施加3.3V電壓，再在建議的時(shí)間范圍內(nèi)施加1.8V電壓。在電源循環(huán)過程中，需要注意電壓施加的時(shí)間間隔，以避免出現(xiàn)不確定的I/O狀態(tài)和引腳毛刺。

七、電氣和時(shí)序規(guī)格

7.1 絕對(duì)最大額定值

PI7C9X110的絕對(duì)最大額定值包括存儲(chǔ)溫度范圍（-65°C至150°C）、最大結(jié)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(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

7.2 DC規(guī)格

DC規(guī)格定義了各個(gè)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(shù)。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(guī)格

AC規(guī)格包括PCI總線時(shí)序參數(shù)和PCIe參考時(shí)鐘時(shí)序參數(shù)。PCI總線時(shí)序參數(shù)規(guī)定了輸入設(shè)置時(shí)間、保持時(shí)間、時(shí)鐘到信號(hào)有效延遲等參數(shù)在66MHz和33MHz時(shí)鐘頻率下的要求；PCIe參考時(shí)鐘時(shí)序參數(shù)規(guī)定了輸入時(shí)鐘頻率范圍、占空比、上升/下降時(shí)間等參數(shù)。

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(chǎn)品型號(hào)（如PI7C9X110BNBE）、引腳封裝和溫度范圍等信息。

九、總結(jié)

PI7C9X110作為一款功能強(qiáng)大的PCI Express到PCI可逆橋接器，為電子工程師在將現(xiàn)有PCI產(chǎn)品集成到PCI Express系統(tǒng)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(xì)的配置寄存器和控制機(jī)制。同時(shí)，它在電源管理、熱插拔、復(fù)位等方面也具有良好的設(shè)計(jì)，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇引腳配置、操作模式和寄存器設(shè)置，以充分發(fā)揮PI7C9X110的性能優(yōu)勢(shì)。希望本文能夠?yàn)殡娮庸こ處熢谑褂肞I7C9X110進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。