TI PCI2040：PCI - DSP桥接器的深度解析

在电子设计领域，桥接器扮演着至关重要的角色，它能够实现不同接口之间的无缝连接，提升系统的整体性能。TI的PCI2040作为一款PCI - DSP桥接器，为TMS320C54X或TMS320C6X的主机端口接口（HPI）与高性能PCI总线之间提供了无胶合连接，下面将对其进行详细剖析。

文件下载：pci2040.pdf

一、PCI2040概述

1.1 产品描述

PCI2040提供了一个32位PCI主机接口，以及适用于TI的C54x和C6x系列DSP处理器的8位和16位主机端口接口（HPI）端口的接口。它符合PCI本地总线规范，是一个仅支持目标模式的PCI接口，兼容3.3 - V或5 - V信号环境。该器件还具备串行ROM接口，可用于预加载多个寄存器，包括子系统ID和子系统供应商ID，并且支持低功耗特性，有助于降低系统功耗。

1.2 产品特性

• PCI总线支持：仅支持PCI总线目标模式，支持单字读写操作，还具备写事务后置功能，可提高PCI总线性能。
• 多DSP连接：能够为C54x和/或C6x的主机端口接口（HPI）端口提供无胶合接口，最多可连接四个DSP设备。
• 通用接口：拥有一个16位通用总线（GPB），可与TI JTAG TBC实现无胶合接口，还有6个通用输入/输出（GPIO）接口，设计灵活性高。
• 低功耗设计：采用先进的亚微米、低功耗CMOS技术，核心逻辑为3.3 - V，且具备多种低功耗特性。
• 封装选择：提供144引脚的器件，有TQFP或12 mm x 12 mm MicroStar BGA两种表面贴装封装可供选择。
• 总线频率：支持高达33 MHz的PCI总线频率。

1.3 相关文档

在设计过程中，我们需要参考一些相关文档，如Compact PCI Hot Swap Specification PICMG 2.1（修订版1.0）、PCI Bus Power Management Interface Specification（修订版1.1）、PCI Local Bus Specification（修订版2.2）和PC 98/99等。

1.4 订购信息

PCI2040有特定的订购编号，如PCI2040，其电压为3.3 V、5 - V Tolerant IVOs，封装有144 - pin LQFP和144 - ball PBGA两种选择。

二、终端描述

2.1 引脚图

文档中给出了PCI2040的引脚图（Figure 2 - 1），这对于我们进行硬件设计时的引脚连接至关重要。同时，还通过多个表格详细列出了卡信号名称及其终端分配，包括按GGU/PGE引脚编号排序和按信号名称排序的情况。

2.2 终端功能分类

• 电源供应：包括GND（设备接地终端）、Vcc（核心逻辑电源供应终端，3.3 V）、VCCH（HPI接口信号电压）和VccP（PCI接口信号电压）。
• PCI系统功能：涵盖32位复用地址/数据总线（PCI_AD31 - PCI_AD0）、PCI命令和字节使能（PCI_C/BE3 - PCI_C/BE0）、PCI时钟（PCI_PCLK）、设备选择（PCI_DEVSEL）等多个信号，这些信号共同实现了PCI总线的通信功能。
• 其他功能：还有杂项终端功能（如GRST、PME、GPIO等）、主机端口接口终端功能（如HAD、HR/W、HDS等）、紧凑型PCI热插拔接口（HSENUM、HSLED、HSSWITCH）和通用总线接口（GPD、GPA、GP_CS等）。

三、PCI2040功能描述

3.1 PCI接口

PCI2040集成了一个符合PCI本地总线规范的32位PCI总线接口，作为PCI总线目标，它支持内存读取、内存写入、配置读取和配置写入等操作，还支持PCI_LOCK功能，但不提供PCI主控功能。

3.2 访问内部寄存器

PCI配置空间可通过PCI配置读取和写入周期进行访问，HPI控制和状态寄存器（HPI CSRs）可进行内存和I/O映射。推荐将HPI CSR寄存器进行内存映射，这样可以通过字节、字或双字传输进行访问。

3.3 PCI_LOCK

PCI2040支持通过PCI定义的LOCK协议和PCI_LOCK终端实现独占访问。当主设备拥有对PCI2040的独占访问锁时，会驱动PCI_LOCK信号，在访问结束后释放该信号。

3.4 串行ROM接口

PCI2040提供了一个两线串行ROM接口，可在电源复位（GRST）后预加载寄存器。该接口包括串行时钟（SCL）输出和串行数据（SDA）输入/输出，通过将GPIO0和GPIO1终端上拉到VCC来启用。

3.5 主机端口接口

3.5.1 识别已实现的端口和DSP类型

PCI2040最多支持四个C54x和C6x类型的DSP，可通过HPI DSP实现寄存器和HPI数据宽度寄存器来确定连接的DSP数量和类型。

3.5.2 DSP芯片选择

PCI2040提供四个芯片选择输出（HCS3 - HCS0），通过解码PCI地址的特定位来选择要访问的DSP。

3.5.3 HPI寄存器访问控制

PCI2040根据PCI地址的特定位来确定HCNTL1和HCNTL0控制信号，从而选择要访问的DSP HPI寄存器和访问模式。

3.5.4 映射HPI DSP内存到主机

PCI地址的PCI_AD10 - PCI_AD0位不转发到HPI接口，允许主机为每个DSP直接映射2K字节的主机内存到HPI接口，实现快速内存块复制。

3.5.5 读写过程

在进行HPI空间的读写操作时，需要进行一系列初始化操作，包括预加载寄存器、配置相关地址寄存器、清除HPI复位寄存器等。读写操作还涉及到对HPI控制寄存器、地址寄存器和数据寄存器的操作，以及根据条件进行自动增量操作。

3.5.6 HPI接口特定注意事项

PCI2040支持C54x和C6x接口的多种HPI功能，如共享访问模式（SAM）、主机独占模式（HOM）、自动增量、字节交换等。

3.6 通用输入/输出接口

PCI2040有六个通用输入/输出（GPIO）终端，默认作为输入，可通过GPIO方向控制寄存器编程为输出。通过GPIO选择寄存器，这些终端还可被编程为其他信号功能。

3.7 中断

PCI2040报告两类中断：DSP中断和设备中断。通过中断事件寄存器和中断屏蔽寄存器来报告和控制中断，其中中断事件寄存器包含实际的中断请求位，中断屏蔽寄存器用于启用选定的中断源。

3.8 电源管理

3.8.1 PCI电源管理寄存器接口

PCI2040符合PCI总线电源接口管理规范修订版1.0和1.1，默认提供PCI PM 1.0寄存器集，可通过设置杂项控制寄存器的特定位来提供PCI PM 1.1寄存器集。

3.8.2 PCI电源管理设备状态和转换

PCI2040支持所有D0 - D3设备电源状态，在不同状态之间转换时，会根据特定条件完成当前的HPI周期或进行内部信号的断言。同时，还定义了PME上下文位，这些位在不同的复位操作中有不同的复位情况。

3.9 紧凑型PCI热插拔

PCI2040支持紧凑型PCI热插拔功能，符合相关规范要求。它通过HSENUM、HSSWITCH和HSLED三个终端来支持热插拔操作，并通过CPCI热交换控制和状态寄存器进行控制。

3.10 通用总线

PCI2040的通用总线是一个16位数据和6位地址的总线，地址总线直接映射到PCI地址位7 - 2，大部分信号复用在HPI总线上。通用总线的读写操作有特定的时序要求，可通过GP_RDY信号扩展总线的使用。

3.11 通用总线上的示例交易

3.11.1 通用总线字写入

在进行通用总线字写入操作时，首先所有信号处于非激活状态，然后驱动GP_CS和地址、数据总线，再驱动GP_WR信号进行写入操作，最后完成交易。

3.11.2 通用总线字读取

通用总线字读取操作开始时所有信号也处于非激活状态，驱动GP_CS和地址总线，驱动GP_RD信号进行读取，根据GP_RDY信号的状态来完成数据的锁存和交易的结束。

四、PCI2040编程模型

4.1 PCI配置寄存器

PCI2040的配置头符合PCI本地总线规范和PC98/99标准，包含了一系列PCI配置寄存器，如厂商和设备ID寄存器、PCI命令寄存器、PCI状态寄存器等。

4.2 各寄存器详细描述

文档中对每个寄存器进行了详细的描述，包括寄存器的名称、偏移量、默认状态、位字段名称、详细字段描述和字段访问标签等。例如，厂商和设备ID寄存器返回TI分配的唯一设备ID和PCI SIG分配给德州仪器的值；PCI命令寄存器用于控制设备对PCI周期的响应能力等。

五、HPI控制和状态寄存器

5.1 HPI CSR空间概述

PCI2040允许软件通过内存或I/O地址空间访问HPI配置，相关的HPI控制和状态寄存器包括中断事件寄存器、中断屏蔽寄存器、HPI错误报告寄存器、HPI复位寄存器等。

5.2 各寄存器功能

每个寄存器都有其特定的功能，如中断事件寄存器反映各种PCI2040中断源的状态，中断屏蔽寄存器用于启用不同的中断源，HPI错误报告寄存器反映HPI接口上的错误状态等。

六、DSP HPI概述

6.1 C54X主机端口接口

C54X的HPI是一个8位并行端口，用于主机设备与C54x DSP之间的通信。它有共享访问模式（SAM）和主机独占模式（HOM）两种操作模式，使用三个寄存器（HPI地址寄存器、HPI控制寄存器、HPI数据寄存器）进行通信。

6.2 C54X HPI控制寄存器

C54X HPI控制寄存器中的一些位控制着HPI的操作，如HINT位用于产生DSP到主机的中断，DSPINT位用于主机到DSP的中断，SMOD位确定操作模式，BOB位影响数据和地址传输。

6.3 C6X HPI接口

C6X HPI接口与C54x HPI端口类似，但有一些不同之处，如只有一种操作模式，不支持C54x的SAM或HOM，提供32位数据给CPU，使用16位宽的并行外部接口等。

七、电气特性

7.1 绝对最大额定值

文档给出了PCI2040在不同工作温度范围内的绝对最大额定值，包括供应电压范围、输入电压范围、输出电压范围、输入和输出钳位电流、存储温度范围和虚拟结温等。

7.2 推荐工作条件

推荐工作条件规定了输入和输出的电压范围以及工作温度范围等，同时需要注意未使用的引脚必须保持高电平或低电平，以防止其浮动。

7.3 电气特性

在推荐工作条件下，PCI2040的电气特性包括高电平输出电压、低电平输出电压、三态输出高阻抗状态电流、高电平输入电流和低电平输入电流等参数。

八、机械信息

PCI2040提供两种封装形式：144 - ball GGU BGA和144 - pin PGE封装。文档中给出了这两种封装的机械尺寸图和相关信息，以及不同订购型号的详细包装信息，包括状态、材料类型、包装数量、RoHS标准、引脚镀层/球材料、MSL评级/峰值回流温度和操作温度等。

在使用TI PCI2040进行设计时，我们需要综合考虑其各个方面的特性和功能，严格遵循相关的电气特性和工作条件，以确保设计的稳定性和可靠性。同时，对于编程模型和寄存器的配置，需要仔细研究以实现所需的功能。希望本文能为各位电子工程师在使用PCI2040进行设计时提供一些有价值的参考。大家在实际设计过程中遇到过哪些独特的问题呢？欢迎在评论区分享交流。