德州仪器PCI2250 PCI-to-PCI桥接器：功能、特性与应用详解

在电子设计领域，PCI-to-PCI桥接器扮演着至关重要的角色，它能够实现不同PCI总线之间的高效连接和数据传输。德州仪器（TI）的PCI2250就是这样一款高性能的PCI-to-PCI桥接器，本文将对其进行详细介绍，希望能为电子工程师们在实际设计中提供有价值的参考。

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一、PCI2250概述

PCI2250是一款符合PCI本地总线规范和PCI-to-PCI桥接规范的桥接器，它在两个32位、33 MHz的PCI总线之间提供了高性能的连接路径，支持主设备在一个PCI总线上与目标设备在另一个PCI总线上进行事务处理，并且允许桥接事务在两条总线上同时进行。该桥接器采用先进的CMOS工艺，在高达33 MHz的PCI时钟速率下运行时，能够实现低系统功耗，在电源管理方面表现出色。

1.1 主要特性

• 电源管理支持：可配置为支持PCI电源管理接口规范修订版1.0或1.1，适用于对功耗有严格要求的应用场景。
• 热插拔友好：符合Compact-PCI热插拔规范，为多功能Compact-PCI卡和单功能卡适应热插拔提供了理想解决方案。
• 接口兼容性：3.3-V核心逻辑，通用PCI接口兼容3.3-V和5-V PCI信号环境，具有广泛的适用性。
• 数据传输高效：采用流水线架构实现突发数据传输，在两个方向上都能最大化数据吞吐量。
• 仲裁灵活：为多达四个二级总线主设备提供内部两级仲裁，并支持外部二级总线仲裁器，可根据实际需求灵活配置。
• 解码选项丰富：支持正向解码、减法解码和负向解码，提供两个可编程的32位扩展窗口和端口解码选项，满足定制PCI应用的需求。
• 时钟输出多样：提供五个二级PCI时钟输出，确保二级总线设备的时钟同步。

1.2 相关文档

在使用PCI2250进行设计时，以下相关文档是必不可少的参考资料：

• 《Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) Revision 1.0》
• 《PCI Local Bus Specification Revision 2.2》
• 《PCI Mobile Design Guide, Revision 1.0》
• 《PCI-to-PCI Bridge Architecture Specification Revision 1.1》
• 《PCI Power Management Interface Specification Revision 1.1》
• 《PICMG Compact-PCI Hot Swap Specification Revision 1.0》

1.3 订购信息

PCI2250有两种封装可供选择：160引脚QFP（PCM）和176引脚薄型QFP（PGF），工作电压为3.3 V，I/O接口兼容5 V。

二、终端描述

PCI2250的引脚定义丰富，涵盖了主PCI系统、主PCI地址和数据、主PCI接口控制、二级PCI系统、二级PCI地址和数据、二级PCI接口控制、杂项终端以及电源供应等多个方面。下面对一些关键引脚进行简要介绍：

• P_CLK：主PCI总线时钟，为所有主PCI总线上的事务提供时序。
• P_RST：PCI复位信号，当主PCI总线复位被断言时，桥接器将所有输出缓冲器置于高阻抗状态，并复位所有内部寄存器。
• P_DEVSEL：主设备选择信号，桥接器通过断言该信号来声明作为目标设备参与PCI周期。
• S_CLKOUT[0:4]：五个二级PCI时钟输出，为二级PCI总线上的设备提供时钟信号。
• S_RST：二级PCI复位信号，是P_RST和桥接控制寄存器中二级总线复位位状态的逻辑或。

三、特性与协议描述

3.1 PCI命令响应

PCI2250作为PCI目标设备，根据每个地址阶段的解码和内部寄存器设置来响应PCI总线周期。它不会对中断确认、特殊周期、双地址周期或保留命令作为PCI目标进行响应，但会在类型1配置周期发出特殊周期请求时，在两个接口上发起特殊周期。对于其他PCI命令，如内存读写、I/O读写和配置读写等，桥接器会根据相应的地址空间进行响应。

3.2 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对这两种类型的周期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。当桥接器的P_IDSEL引脚在周期的地址阶段被断言，且周期中编码的PCI功能号为0时，桥接器会声明该类型的配置周期，并通过访问配置头中的内部寄存器来服务有效的类型0配置读写周期。
• 类型1配置周期：用于层次结构中从属总线上的设备。桥接器根据目标总线的总线号来声明类型1周期。当PCI2250声明一个总线号等于其次级总线号的类型1配置周期时，它会将该周期转换为类型0配置周期，并断言适当的S_AD线作为IDSEL。其他访问总线号大于桥接器二级总线号但小于或等于其从属总线号的类型1事务，将作为类型1配置周期转发。

3.3 特殊周期生成

PCI2250通过类型1周期转换在两条总线上生成特殊周期。在类型1配置周期中，如果总线号字段与桥接器的二级总线号匹配，设备号字段为1Fh，功能号字段为07h，则桥接器会在二级总线上生成一个特殊周期，其消息与类型1配置周期数据匹配。如果总线号是从属总线而不是二级总线，则桥接器会将类型1特殊周期请求连同正确的消息传递到二级接口。

3.4 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，第五个时钟应路由回PCI2250的S_CLK输入，以确保所有二级总线设备看到相同的时钟。

3.5 总线仲裁

• 主总线仲裁：PCI2250作为主总线上的发起者，在向上游主总线转发事务时会断言P_REQ。只要队列中有已发布的写数据或延迟事务请求，P_REQ就会保持断言状态。当主总线仲裁器响应P_REQ并断言P_GNT时，设备会在主总线被采样为空闲后的下一个PCI时钟周期发起事务。
• 二级总线仲裁：PCI2250在二级总线上提供两级仲裁方案，用于处理优先级总线主设备。内部仲裁器的状态由S_CFN控制，可以通过将S_CFN拉低来启用，拉高来禁用。此外，还支持外部二级总线仲裁器，当使用外部仲裁器时，需要将S_CFN拉高以禁用内部仲裁器。

3.6 扩展窗口与可编程解码

PCI2250提供两个可编程的32位扩展窗口，每个窗口可以编程为可预取内存窗口、不可预取内存窗口或I/O窗口。这些扩展窗口的粒度比标准PCI-to-PCI桥接器的内存和I/O窗口更小，能够更好地满足特定应用的需求。例如，对于常见的声卡I/O基地址300h - 303h，使用TI扩展窗口可以配置一个4字节的I/O地址窗口，而使用标准I/O基寄存器则需要至少4K字节的窗口。此外，扩展窗口可以从主总线解码中排除，从而在主窗口地址范围中创建一个空洞。

3.7 系统错误处理

PCI2250可以在多种条件下配置为发出系统错误（SERR）信号。P_SERR事件禁用寄存器和P_SERR状态寄存器为桥接器可以发出SERR的每个条件提供控制和状态位，这些单独的位可以启用对下游和上游事务的SERR报告。默认情况下，PCI2250不会发出SERR信号，需要通过相应的寄存器设置来启用。

3.8 奇偶校验处理与奇偶校验错误报告

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。当该位清零时，桥接器启用奇偶校验错误传递功能，这是桥接器的默认模式。在地址奇偶校验错误和目标中止事务时，如果命令寄存器中的奇偶校验错误响应位（第6位）被设置，PCI2250会发出SERR信号；当接收到错误数据时，会发出PERR信号。

3.9 主设备和目标设备中止处理

当PCI2250在写突发期间收到目标中止时，它会在发起者总线上发出目标中止信号；在读突发期间收到目标中止时，它会在发起者总线上提供所有有效数据并断开连接。对于已发布和未发布事务的主设备中止和目标设备中止，PCI2250会按照PCI-to-PCI桥接规范进行报告。

3.10 丢弃定时器

PCI2250在延迟事务完成后，如果总线主设备在2^10或2^15个PCI时钟（分别约为30 µs和993 µs）内未重复请求，则可以自由丢弃延迟事务的数据或状态。默认情况下，丢弃定时器的值为2^15个时钟，但可以通过桥接控制寄存器的第9位将其设置为2^10个时钟。

3.11 延迟事务支持

PCI2250支持PCI本地总线规范中定义的延迟事务。延迟事务包括发起设备发出请求、目标设备在目标总线上完成请求并向发起者发出完成信号、发起者在发起总线上完成请求三个阶段。当桥接器作为PCI事务的目标，且需要访问慢速设备来读写请求的数据，且事务耗时超过16个时钟时，桥接器会锁存地址、命令和字节使能，并向发起者发出重试信号，发起者需要在稍后使用相同的地址、命令和字节使能重试事务。

3.12 多功能引脚配置

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Compact-PCI热插拔ENUM和SWITCH。该桥接器有两种操作模式：Intel兼容模式和TI模式，在Intel模式下，PCI2250与Intel 21152桥接器引脚兼容。

3.13 热插拔支持

在热插拔模式下，PCI2250提供三个终端来支持热插拔功能：HS_ENUM（输出）、HS_SWITCH（输入）和HS_LED（输出）。HS_ENUM输出向系统指示插入事件发生或移除事件即将发生；HS_SWITCH输入指示板卡弹出手柄的状态；HS_LED输出点亮蓝色LED，以信号插入和移除准备状态。

3.14 PCI时钟运行功能

当处于时钟运行模式时，PCI2250支持PCI时钟运行协议。当系统的中央资源通过驱动主时钟运行（P_CLKRUN）信号高电平来指示希望停止PCI时钟（P_CLK）时，桥接器可以通过保持P_CLKRUN为高电平来表示可以停止PCI时钟，或者通过驱动P_CLKRUN为低电平来指示系统保持时钟运行。

3.15 PCI电源管理

PCI电源管理接口规范为操作系统控制PCI功能的电源提供了基础设施。PCI2250支持PCI功能的四种电源管理状态：D0（完全开启状态）、D1和D2（中间状态）以及D3（关闭状态）。在不同的电源状态下，桥接器的行为有所不同。在TI模式下，PCI2250支持D0、D1、D2和D3hot电源状态；在Intel模式下，仅支持D0和D3hot电源状态。在低功率状态下，桥接器不接受任何I/O或内存事务，但会接受类型0配置周期，对于类型1配置周期，在低功率状态下不会传递到二级总线，类型1配置写操作会被丢弃，读操作返回全1。

四、桥接配置头与扩展寄存器

4.1 桥接配置头

PCI2250的桥接配置头符合PCI-to-PCI桥接架构规范，包含了一系列标准的PCI状态和控制寄存器，用于对桥接器进行配置和管理。这些寄存器包括厂商ID寄存器、设备ID寄存器、命令寄存器、状态寄存器、修订ID寄存器、类代码寄存器等，每个寄存器都有其特定的功能和用途。例如，命令寄存器用于控制桥接器对主PCI总线的接口，包括系统错误（SERR）启用、奇偶校验错误响应启用、VGA调色板窥探启用等功能；状态寄存器则提供设备信息给主机系统，如检测到的奇偶校验错误、发出的系统错误（SERR）、收到的主设备中止和目标设备中止等状态信息。

4.2 扩展寄存器

TI扩展寄存器位于标准PCI-to-PCI桥接设备配置空间之外（即PCI2250中PCI配置空间的40h - FFh寄存器），可以通过配置读写进行访问。这些扩展寄存器为标准PCI-to-PCI桥接器增加了灵活性和性能优势，并且在从D3状态转换到D0状态时不会被复位。扩展寄存器包括芯片控制寄存器、扩展诊断寄存器、仲裁器控制寄存器等，每个寄存器都有其独特的功能，例如芯片控制寄存器可以控制某些PCI事务的功能，仲裁器控制寄存器用于桥接器的内部仲裁。

五、电气特性与机械数据

5.1 电气特性

文档中详细给出了PCI2250的电气特性，包括绝对最大额定值、推荐工作条件、电气特性在推荐工作条件下的参数、PCI时钟/复位时序要求、PCI时序要求以及参数测量信息等。这些电气特性数据为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据，确保桥接器在合适的电压、电流、时钟频率等条件下正常工作。

5.2 机械数据

PCI2250提供了两种封装形式：160引脚的PCM（S-PQFP-G***）和176引脚的PGF（S-PQFP-G176）塑料四方扁平封装。文档中给出了这两种封装的机械尺寸图和相关说明，工程师可以根据实际的PCB布局和安装要求选择合适的封装形式。

六、总结

德州仪器的PCI2250 PCI-to-PCI桥接器以其丰富的功能、出色的性能和灵活的配置选项，为电子工程师在PCI总线连接和数据传输方面提供了强大的支持。无论是在电源管理、热插拔、数据传输效率还是仲裁机制等方面，PCI2250都表现出色。在实际设计中，工程师可以根据具体的应用需求，结合桥接配置头和扩展寄存器的设置，充分发挥PCI2250的优势，实现高效、稳定的PCI总线桥接解决方案。希望本文对电子工程师们在了解和使用PCI2250时有所帮助，大家在实际应用过程中有任何问题或经验，欢迎在评论区交流分享。