工控巨人ANOVO談 PCI橋接器在工業計算機上的應用

PCI bus用于計算機平臺領域已將近十年，以PCI總線為架構設計的計算機系統也已運用于許多應用領域，但是主流個人計算機內的PCI架構似乎并沒有辦法直接滿足工業用計算機的需求。工業計算機的典型運用比如計算機語音整合（CTI）, 常常需要在一個系統內插入超過十張PCI 的語音卡，而一般個人計算機上可提供的PCI擴充槽僅有四槽。為了能在計算機平臺上增加這些擴充槽，PCI-SIG協會就發展出一個PCI橋接器的公開規范，讓世人遵循，而工業計算機界所屬的規范制定者PICMG協會也為PCI bus及PCI橋接器的運用制定了一些規范，成為公開標準，其中有些談及單板計算機上設計的標準，也有些談到背板設計的規范。除了單板計算機及背板設計上需特別規范外，若將橋接器應用到CompactPCI的單板計算機上，實際應用還有一些特別的不同，單板計算機上的橋接器將區分成『透明橋』以及『不透明橋』。到底單板計算機及背板的橋接器設計要注意些什么？『透明橋』以及『不透明橋』又是怎么一回事呢？當您要運用PCI橋接器來開發應用時，關鍵的考慮因素為何？本文希望能加以探討。

引言
為了符合應用上的需求，在技術上總是會不斷的更新調整，產品設計者及制造商必須跟上腳步及時做設計變更。傳統的工業計算機主要組成含單板計算機及背板，二者之間的結合靠的是PCI/ISA金手指及其插槽，早期的4U 上架式機箱中，所采用的背板大都是4槽PCI及8~12槽的ISA，主要的擴充是背板上的ISA插槽，在總線主流地位由ISA轉移到PCI后，多槽數PCI背板的需求應運而生，于是PCI橋接器開始出現在背板上。另一方面，電信用的歐規卡原先架構在VME Bus上，后來在PCI 總線轉為流行之后，歐規卡上VME bus 也漸漸被PCI取代掉，催生了CompactPCI的架構。歐規卡架構常有多槽數需求，因此也促使CompactPCI單板計算機以及背板的設計需要將PCI橋接器考慮進去。諸多單板計算機的應用區分為Host CPU Card及Peripheral CPU Card，這兩種應用都需要PCI 橋接器將CPU Card連接上背板上的PCI總線，不同的地方只是CPU Card插在系統槽作為Host CPU Card或是插在外圍槽作為Peripheral CPU Card，這兩種應用所需的橋接器是不同的，分別為『透明橋』以及『不透明橋』。
以下將針對橋接器在單板計算機、背板、compactPCI上的應用作深入探討，特別是在compactPCI的設計上，同時也會介紹一下PCI橋接器之技術發展趨勢。

PCI橋接器在傳統工業計算機上的應用
請參考圖一，傳統工業計算機可拆解為單板計算機及背板兩大部分。背板必須依據PICMG1.0的規范來設計，圖中可以看見有2顆PCI橋接器芯片在10槽的背板上，若依據原不含PCI橋接器的規范來看，CPU卡需要提供以下幾組信號來實現背板上的四個擴充槽(PCI Bus0)：
1. REQ(3,2,1,0)#
2. GNT(3,2,1,0)#
3. Slot(1,2,3,4)的Clock分別接CLK(A,B,C,D)
4. Slot(1,2,3,4)的IDSEL分別接AD(31,30,29,28)
5. 中斷信號INT(A,B,C,D) 繞行方式依據PCI 規范來連接，有一固定的繞行規則
若要再進一步增加擴充槽，則橋接器可依據PCI Bridge的規范，將二顆橋接器芯片分別放在Slot3及Slot4的位置，分別擴充8個PCI槽(PCI Bus1,2)，使背板上的PCI槽數達到18槽,擴充槽位的REQ#,GNT#及CLK信號由橋接器提供，中斷信號INT(A,B,C,D)則需依據PCI橋接器規范來連接，使得PCI Bus0, 1, 2可以共享INT(A,B,C,D)四個中斷信號。
圖一：4U機箱、PICMG單板計算機及18槽PCI背板
用單板計算機上PCI橋接器來擴充Compact PCI背板上的槽數
CompactPCI規范PICMG2.0將CompactPCI的slot數目限制在小于等于8槽，這是在PCI-33Mhz下經模擬及實際驗證的結果。為了設計這8槽，CompactPCI的單板計算機上需要使用PCI橋接器，并將擴充的PCI總線信號經由單板計算機上的J1, J2連接到背板上的P1, P2, 再分配到各個擴充槽去，如圖二所示。在 CompactPCI背板上，除系統槽外，另外七槽的信號必須依照以下規則設計： 1. REQ(6,5,4,3,2,1,0)#
2. GNT(6,5,4,3,2,1,0)#
3. Slot(1,2,3,4,5,6,7)的Clock分別接CLK(A,B,C,D,E,F,G)
4. Slot(1,2,3,4,5,6,7)的IDSEL分別接AD(31,30,29,28,27,26,25)
5. 中斷信號INT(A,B,C,D)的繞行方式依據PCI橋接器的規范來連接，有一固定的繞行規則
圖二：3U,6U單板計算機及8槽背板

若是要擴充到15槽，則須遵循PICMG2.7的雙系統規范來設計，單板計算機上需設計兩個PCI橋接器才行，概念上可以方塊圖示意，如圖三。而在背板的設計上則須將第一個橋接器擴充的BusA經由P1, P2擴充1-7槽；同時將第二個橋接器擴充的BusB經由P4, P5擴充9-15槽，如圖四。
圖三：6U單板計算機，雙橋接器設計
圖四：6U 15槽，雙系統背板
用托盤式橋接方式來擴充Compact PCI背板上的槽數

前一段我們采用CPU卡上的橋接器來擴充背板上的插槽，但是有時候礙于主板面積或是J4, J5有其它的用途，不得不將另一顆橋接器安置于背板上，但事與愿違，很不幸的是背板并沒有多余的空間放置橋接器，在設計上并沒有如圖一中傳統背板那樣簡單。此時有一個不錯的做法，就是將橋接器作成子板，由背板背面將Primary bus端連接1-7槽中的一槽，再將橋接器子板上的Secondary Bus連接至欲擴充的7槽去，如圖五，這樣的應用方法較常出現在3U的系統中，主要是因為3U的系統并沒有J4, J5可使用，6U系統則較常采用圖四的做法。
托盤式橋接法
PCI透明橋、非透明橋在CompactPCI單板計算機上的應用
在傳統的應用上，CompactPCI單板計算機就像一般計算機一樣，被用作主控端主機 (Host Computer)，但是在許多特殊應用中，常常希望能夠有一種CompactPCI卡，它屬于外圍卡但是卻擁有CPU卡般的運算能力，為了達到此目的，于是誕生了PCI非透明橋，PCI非透明橋雖然仍舊將不同的CPU卡用PCI Bus連接起來，但是它會將背板上的PCI Bus與CPU外圍卡上PCI bus做適當的阻隔。
結論
PCI橋接器雖然很少在一般個人計算機上被采用，但在工業計算機領域的應用卻極為重要，就像文中所提的，傳統工業計算機背板、主板，CompactPCI系統的背板、主板等設計，都或多或少會牽扯到PCI橋接器的應用，僅以此篇短文用最淺顯的方式介紹給大家，希望對有興趣的人能有一點幫助。