CompactPCI總線(xiàn)熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)

1、CompactPCI總線(xiàn)熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)                摘要：CompactPCI熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足熱插拔規(guī)范的要求。要保證在拔插單板時(shí)，不對(duì)CompactPCI總線(xiàn)產(chǎn)生較大的沖擊，不影響CompactPCI總線(xiàn)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。因此在進(jìn)行熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到靜電放電、預(yù)充電、信號(hào)串聯(lián)匹配、信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度限定以及濾波電容大小的限制等幾個(gè)方面。詳細(xì)介紹了CompactPCI熱插拔單板的典型結(jié)構(gòu)、物理

2、連接過(guò)程及電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)。        關(guān)鍵詞：CompactPCI 熱插拔 總線(xiàn)    在一般的應(yīng)用電子系統(tǒng)中，若出現(xiàn)電路板硬件失效或軟件故障，通常都是先關(guān)閉系統(tǒng)電源再檢修或更換故障設(shè)備，這樣往往需要較長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間。在一些可靠性要求非常高的高可靠系統(tǒng)中，不允許停機(jī)檢修和停機(jī)更換故障板或只允許很短的停機(jī)時(shí)間。例如在高可靠通訊、軍事應(yīng)用電子系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)單板故障，要求在整個(gè)系統(tǒng)不停機(jī)的情況下允許帶電拔出故障板及插入備份板，這種系統(tǒng)通常叫做支持熱插拔系統(tǒng)或高可靠系統(tǒng)。熱插拔系統(tǒng)首先需

3、要有一個(gè)支持熱插拔的系統(tǒng)平臺(tái)，還需要有支持熱插拔的單板。熱插拔系統(tǒng)都是采用無(wú)源背板總線(xiàn)平臺(tái)，在眾多的無(wú)源背板總線(xiàn)系統(tǒng)中，CompactPCI總線(xiàn)具有完整的支持熱插拔的規(guī)范，CompactPCI總線(xiàn)熱插拔系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛。本文重點(diǎn)介紹CompactPCI熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)。    1 熱插拔技術(shù)概要    熱插拔即允許帶電拔插工作單板，其最基本的目的是要求帶電拔插單板而不影響系統(tǒng)運(yùn)行，以便維修故障板或重新配置系統(tǒng)；熱插拔技術(shù)可以提供有計(jì)劃地訪(fǎng)問(wèn)熱插拔設(shè)備，允許在不停機(jī)或很少需要操作人員參與的情況下，實(shí)現(xiàn)故障恢

4、復(fù)和系統(tǒng)重新配置；熱插拔技術(shù)可以提供高可靠應(yīng)用，當(dāng)單板出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)在不間斷運(yùn)行的情況下自動(dòng)隔離故障板。熱插拔系統(tǒng)的級(jí)別由低到高分為三種：基本熱插拔系統(tǒng)，它具有基本熱插拔要求的性能；完全熱插拔系統(tǒng)，它可以對(duì)熱插拔單板進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置；高可靠系統(tǒng)，它利用高可靠平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的更高級(jí)別的控制。    插拔有三個(gè)過(guò)程：物理連接過(guò)程，包括熱插入（在系統(tǒng)運(yùn)行中插入單板）和熱拔出（在系統(tǒng)運(yùn)行中拔出單板）；硬件連接過(guò)程中，即系統(tǒng)在硬件層上的連接與斷開(kāi)；軟件連接過(guò)程，即系統(tǒng)在軟件層上的連接與斷開(kāi)。這些過(guò)程可以用一組狀態(tài)進(jìn)一步描述，這些狀態(tài)雖屬于系統(tǒng)的不同連接層但彼此關(guān)聯(lián)，如圖1所示

5、。例如，當(dāng)物理連接層不存在時(shí)，硬件連接層就不能產(chǎn)生電氣連接；當(dāng)單板從運(yùn)行中的系統(tǒng)拔出時(shí)，軟件連接和硬件連接自動(dòng)斷開(kāi)。在圖1中：    P0：?jiǎn)伟逦窗惭b到系統(tǒng)，處于系統(tǒng)隔離狀態(tài)。    P1/H0：?jiǎn)伟逡呀?jīng)插入槽位，所有的針都連接上，但沒(méi)有上電，CompactPCI總線(xiàn)沒(méi)有激活。在這一點(diǎn)，物理層處于P1狀態(tài)，硬件層處于H0狀態(tài)。    H1：?jiǎn)伟迳想姵跏蓟筮B接到CompactPCI總線(xiàn)。    H1F：?jiǎn)伟灞幻钌想?、初始化，但是失?。?/p>

6、或者單板檢測(cè)到故障從CompactPCI總線(xiàn)斷開(kāi)。這塊單板不適合插入從CompactPCI總線(xiàn)。    H2/S0：?jiǎn)伟迳想姡獵ompactPCI總線(xiàn)只能訪(fǎng)問(wèn)配置空間。此時(shí)，配置寄存器還沒(méi)有配置好。在這一點(diǎn)，硬件層處于H2狀態(tài)，軟件層處于S0狀態(tài)。    S1：系統(tǒng)已經(jīng)配置好單板。    S2：必需的軟件（驅(qū)動(dòng)器，等）加載完成，單板可被操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件使用。但所有的操作都沒(méi)有開(kāi)始。    S2Q：此狀態(tài)同S2，但不允許進(jìn)行新的操作，

7、單板處于靜止?fàn)顟B(tài)。    S3：?jiǎn)伟寮尤胂到y(tǒng)，已經(jīng)正常工作。    S3Q：軟件完成當(dāng)前操作，但不允許啟動(dòng)新的操作，此時(shí)單板處于靜止?fàn)顟B(tài)。    2 CompactPCI熱插拔單板的典型結(jié)構(gòu)    CompactPCI單板必須包括一個(gè)CompactPCI總線(xiàn)接口器件，CompactPCI總線(xiàn)與PCI總線(xiàn)的接口邏輯和時(shí)序完全相。PCI總線(xiàn)接口器件常用的有AMCC公司的S5920、S5933，PLX公司的PCI9052等，或者使用FPGA內(nèi)

8、部的PCI邏輯核（core）。當(dāng)然，也可以是接口器件和應(yīng)用邏輯器件合二為一。CompactPCI熱插拔單板的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。J1、J2是標(biāo)準(zhǔn)的2mm HM型接插件，這是CompactPCI熱插拔規(guī)范規(guī)定的，CompactPCI單板就是通過(guò)這兩個(gè)接插件連接到CompactPCI系統(tǒng)平臺(tái)的。其中，連接CompactPCI總線(xiàn)的J1接插件的針是長(zhǎng)短分級(jí)的（staged pin），即分為長(zhǎng)針、短針、中長(zhǎng)針。長(zhǎng)針是一些電源針，最短的針是BD_SEL#和IDSEL，其它總線(xiàn)信號(hào)是中長(zhǎng)針，而J2都是中長(zhǎng)針。    3 CompactPCI熱插拔單板的物理連接過(guò)程&

9、#160;   CompactPCI熱插拔單板的物理連接過(guò)程都是相同的，如圖3所示。物理連接過(guò)程是從單板插入導(dǎo)軌開(kāi)始，到最短的針BD_SEL#連接上為止；拔出過(guò)程則相反。    物理連接過(guò)程是一個(gè)機(jī)械連接過(guò)程。在機(jī)械連接的過(guò)程中，插入單板，首先進(jìn)行靜電放電，然后進(jìn)行預(yù)充電，等預(yù)充電完成后總線(xiàn)信號(hào)針才能連接，最后是BD_SEL#連接上；拔出過(guò)程則相反。    靜電放電條是為了保護(hù)熱插拔單板在帶電拔插過(guò)程中免遭靜電損壞。預(yù)充電過(guò)程是為了減小熱插拔單板在拔插單板過(guò)程中對(duì)總線(xiàn)信號(hào)的沖擊（電容效

10、應(yīng)）。4 熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)    CompactPCI熱插拔單板的電氣設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足熱插拔規(guī)范CompactPCI Host Swap Specificaiton的要求。要保證在拔插單板時(shí)，不能對(duì)CompactPCI總線(xiàn)產(chǎn)生較大的沖擊，不能影響CompactPCI總線(xiàn)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_，必須從如下幾方面進(jìn)行考慮。    4.1 靜電放電    熱插拔單板，在帶電拔插過(guò)程中，為了保護(hù)單板免遭靜電損壞，必須進(jìn)行靜電放電。因此必須在單板上設(shè)計(jì)放電條，在CompactPCI機(jī)

11、箱的插槽上有放電導(dǎo)軌。這樣，在插入前，先進(jìn)行靜電放電；在拔出前，也先進(jìn)行靜電放電。    在熱插拔單板的PCB的最外層的下端設(shè)計(jì)三個(gè)放電條：strip1、strip2、strip3。例如，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的CompactPCI后面板插件（高度233.5mm，長(zhǎng)度80mm），應(yīng)設(shè)計(jì)的三個(gè)放電條的長(zhǎng)度分別為20mm、27.5mm、20mm，高度為1.5mm。其中，strip3與機(jī)殼直接相連，strip1與strip3之間跨接10M電阻，strip2與數(shù)字地通過(guò)10M電阻連接，如圖4所示。插入時(shí)，Strip1首先與放電導(dǎo)軌接觸，其次是strip2，最后是strip3；

12、拔出時(shí)則相反。    4.2 預(yù)充電    熱插拔規(guī)范CompactPCI Hot Swap Specification 2.1規(guī)定，熱插拔單板在拔插單板過(guò)程中，為了減小對(duì)總線(xiàn)的沖擊（電容效應(yīng)），必須對(duì)單板的總線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行預(yù)充電，使CompactPCI接插件的插針點(diǎn)的預(yù)充電電壓達(dá)到1.0V（±0.2V）。插入單板時(shí)，在CompactPCI總線(xiàn)信號(hào)線(xiàn)連接上之前，使單板上的CompactPCI總線(xiàn)信號(hào)預(yù)充電至1.0V左右，這樣在總線(xiàn)信號(hào)線(xiàn)連接上的瞬間，沖擊很??；拔出單板時(shí)，在CompactPCI總線(xiàn)信號(hào)線(xiàn)斷開(kāi)之前，使單板

13、上的CompactPCI總線(xiàn)信號(hào)預(yù)充電至1.0V左右，這樣，在總線(xiàn)信號(hào)線(xiàn)斷開(kāi)的瞬間，沖擊很小。    單板上需要進(jìn)行預(yù)充電的CompactPCI總線(xiàn)信號(hào)，即接插件J1、J2與CompactPCI接口器件連接的信號(hào)，包括：AD0AD31、C/BE0#C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#，AD32AD63、C/BE4#C/BE7#、REQ64E、ACK64K、PAR64，需要預(yù)充電至1.0V左右。    單板的預(yù)

14、充電是從長(zhǎng)針5V電源取電，再經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換得到預(yù)充電電壓Vps。    需要預(yù)充電的信號(hào)，經(jīng)過(guò)較大的電阻Rp上拉至Vps 預(yù)充電電壓（見(jiàn)圖5）。選擇Rp阻值的原則是，Rp的最大值應(yīng)該保證Vps在5ms內(nèi)，使需要預(yù)充電的信號(hào)在接插件插件處達(dá)到理想充電電壓1.0V的80%；Rp的最小值應(yīng)該保證PCI設(shè)備的管腳在高低電平時(shí)的漏時(shí)流不致過(guò)大，上拉電阻Rp一般不能小于10k。    INTA#、INTB#、INTC#、INTD#/REQ#/PCI_RST#等信號(hào)通過(guò)10k電阻上拉至PCI接口設(shè)備的工作電源電壓（5V或3.3V）

15、。BD_SEL#經(jīng)過(guò)10k電阻下拉。    4.3 串聯(lián)匹配    為了減小單板上的CompactPCI總線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)分支（stub）對(duì)總線(xiàn)的影響，必須對(duì)總線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行串聯(lián)電阻匹配。PCB的布線(xiàn)特征阻抗應(yīng)設(shè)計(jì)為65±10%，匹配電阻阻值為10。需要加串聯(lián)匹配電阻的信號(hào)包括：AD0AD31、C/BE0#C/BE3#、PAR、FRAME#、IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#、PERR#、SERR#、RST#、AD32AD63、C/DE4#C/BE7#、REQ64#、ACK64#、PAR64以及INTA#、INTB#、INTC#、INTD#。    4.4 信號(hào)線(xiàn)長(zhǎng)度限定&#