PI7C9X110：PCI Express到PCI可逆桥接器的技术剖析与应用指南

在当今的电子科技领域，PCI Express和PCI技术是I/O互连技术市场的重要组成部分。然而，将现有的PCI产品集成到PCI Express系统中是一项具有挑战性的任务。Diodes Incorporated的PI7C9X110可逆桥接器为这一问题提供了有效的解决方案，它能够无缝地将PCI技术与PCI Express技术连接起来。本文将深入探讨PI7C9X110的特性、功能、配置寄存器以及应用场景，为电子工程师在设计中提供全面的参考。

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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的桥接器。它支持透明和非透明两种操作模式，以及正向和反向桥接功能。在正向桥接模式下，它具有一个x1 PCI Express上游端口和一个32位PCI下游端口；在反向桥接模式下，则具有一个32位PCI上游端口和一个x1 PCI Express下游端口。此外，PI7C9X110的配置寄存器与现有的PCI桥接软件和固件向后兼容，无需对原有软件和固件进行修改。

1.1 主要特性

• PCI Express特性：符合相关规范，支持物理层接口（x1链路，数据速率为2.5Gb/s）、Lane极性切换、虚拟同步操作、ASPM支持、信标支持、CRC（16位）、LCRC（32位）、ECRC和高级错误报告等功能。
• PCI特性：符合PCI本地总线规范，支持PME、3.3V PCI信号（5V I/O容限）、两级仲裁支持、16位地址解码、子系统供应商和设备ID支持，最低支持PCI频率为10MHz。
• 通用特性：符合高级配置和电源接口规范、系统管理总线规范，支持正向和反向桥接、透明和非透明模式、GPIO、电源管理、伪装模式、EEPROM（I2C）接口、SM总线接口、辅助电源支持，典型功耗约为1.0瓦，工作温度范围为-40°C至85°C，完全无铅且符合RoHS标准。

二、引脚定义与模式选择

2.1 引脚定义

PI7C9X110的引脚涵盖了PCI Express信号、PCI信号、模式选择和跨接信号、JTAG边界扫描信号以及其他杂项信号。每个引脚都有明确的功能和类型定义，例如PCI Express信号中的REFCLKP和REFCLKN用于连接外部100MHz差分时钟，RP和RN为差分数据接收器输入信号，TP和TN为差分数据发射器输出信号等。PCI信号中的AD [31:0]为复用的地址和数据总线，CBE [3:0]为命令/字节使能信号等。

2.2 模式选择与引脚跨接

通过TM2、TM1、TM0、CFN_L和REVRSB等引脚可以选择不同的操作模式，如EEPROM（I2C）支持、SM总线支持、透明模式、非透明模式、内部仲裁器或外部仲裁器、正向桥接模式或反向桥接模式等。当TM2跨接为高电平时，PI7C9X110使用TM1、TM0和MSK_IN作为跨接引脚，实现不同的测试功能。

三、桥接模式

3.1 正向和反向桥接

PI7C9X110支持正向和反向桥接的组合模式。在正向和非透明桥接模式下，其PCI Express接口连接到根复合体，PCI总线接口连接到PCI设备，这种模式可以将I/O处理器与主机处理器及其内存映射隔离开来，避免内存地址冲突。在反向和透明桥接模式下，PI7C9X110成为PCI到PCI Express的桥接器，使传统的PCI主机系统具备PCI Express能力。

3.2 透明和非透明桥接

• 透明模式：在透明桥接模式下，PI7C9X110的基类代码设置为06h（桥接设备），子类代码设置为04h（PCI到PCI桥接），编程接口为00h。它具有类型1配置头，配置寄存器与传统的透明PCI-to-PCI桥接器相同，并且与支持传统透明PCI-to-PCI桥接器的软件向后兼容。
• 非透明模式：在非透明桥接模式下，基类代码同样为06h，但子类代码为80h（其他桥接），编程接口为00h。它具有类型0配置头，有一组用于主接口的配置寄存器和另一组用于辅助接口的配置寄存器，同时实现了控制和状态寄存器（CSRs）以支持主总线和辅助总线之间的内存或I/O传输。

四、PCI Express功能概述

4.1 TLP结构

PCI Express TLP（事务层数据包）结构由格式、类型、流量类别、属性、TLP摘要、TLP中毒和数据有效负载长度组成。PI7C9X110定义了四种TLP格式，数据有效负载范围从4字节到256字节。它支持三种TLP路由机制：地址路由、ID路由和隐式路由。

4.2 虚拟同步操作

PI7C9X110默认禁用虚拟同步支持，通过设置偏移量40h的位[26]为1可以启用该功能。控制位用于选择用于上游（PCI Express到PCI）的流量类别（TC1 - 7），下游（PCI Express到PCI）仅接受配置、I/O和消息数据包的TC0数据包。

五、配置寄存器

PI7C9X110支持Type-0（非透明桥接模式）和Type-1（透明桥接模式）配置空间头以及多种能力ID。配置寄存器分为多个部分，包括配置寄存器映射、PCI Express扩展能力寄存器映射、控制和状态寄存器映射等。不同的寄存器用于控制和监测设备的各种功能，如命令寄存器用于启用或禁用I/O空间、内存空间、总线主功能等，状态寄存器用于反映设备的状态信息，如主数据奇偶校验错误检测、目标中止、系统错误等。

5.1 透明桥接模式下的PCI配置寄存器

在透明桥接模式下，各个寄存器具有特定的功能和类型。例如，供应商ID寄存器（偏移量00h）用于标识设备的供应商，设备ID寄存器用于标识设备型号，命令寄存器用于控制设备的操作模式，状态寄存器用于记录设备的状态信息等。

5.2 非透明桥接模式下的PCI配置寄存器

非透明桥接模式下的配置寄存器与透明模式有所不同，除了基本的供应商ID、设备ID、命令寄存器和状态寄存器外，还增加了用于内存和I/O地址映射的寄存器，如主CSR和内存0基地址寄存器、下游内存和I/O基地址寄存器等，以支持主总线和辅助总线之间的地址转换和数据传输。

六、其他功能与特性

6.1 GPIO引脚与SM总线地址

GPIO [3:0]引脚在不同的桥接模式下具有不同的功能定义，例如在正向桥接模式下用于PCI插槽卡存在检测、注意按钮按下检测、电源指示输出和注意指示输出等；在反向桥接模式下用于PCIe插槽卡存在检测、MRL传感器输入等。同时，GPIO [3:0]引脚还定义了SM总线设备ID的地址位。

6.2 时钟方案

PCI Express接口需要通过REFCLKP和REFCLKN引脚输入100MHz差分时钟，PCI接口需要连接到外部时钟源（最高66MHz，最低10MHz），并通过CLKOUT [8:0]输出时钟信号。PI7C9X110还需要将CLKOUT [8:0]中的一个信号连接到FBCLKIN以提供内部时钟。

6.3 中断

PI7C9X110支持PCIe侧的中断消息数据包和PCI侧的PCI中断（INTA, B, C, D）引脚或MSI（消息信号中断）。在反向桥接模式下，将中断消息数据包映射到PCI中断引脚或MSI；在正向桥接模式下，将PCI中断引脚或MSI映射到PCIe侧的中断消息数据包。

6.4 EEPROM（I2C）接口与系统管理总线

PI7C9X110支持EEPROM接口（通过I2C总线）和系统管理总线协议。通过TM1引脚可以选择使用EEPROM接口还是SM总线接口。在EEPROM接口模式下，引脚A2为EEPROM时钟（SCL），引脚A1为EEPROM数据（SDL）；在SM总线接口模式下，SMBCLK（引脚A2）和SMBDAT（引脚A1）分别作为时钟和数据引脚。

6.5 热插拔操作

PI7C9X110虽然没有集成标准热插拔控制器，但支持热插拔信号消息和寄存器，以简化热插拔系统的实现。在不同的桥接模式和应用场景下（如主板或扩展卡），它都能支持PCI总线或PCI Express总线的热插拔功能。

6.6 复位方案

PI7C9X110在正向桥接模式下需要基本复位（PERST_L）输入，在反向桥接模式下需要PCI复位（RESET_L）输入。它支持冷复位、热复位、暖复位和DL_DOWN复位等多种复位方式，并且在不同的复位情况下会对下游设备产生相应的影响。

6.7 JTAG控制器

PI7C9X110提供了符合IEEE 1149.1标准的JTAG控制器，用于板级连续性测试和诊断。它包括指令寄存器、旁路寄存器、设备ID寄存器和边界扫描寄存器等，通过特定的指令代码可以控制JTAG逻辑的操作。

6.8 电源管理

PI7C9X110支持D0、D3 - hot、D3 - cold电源状态，不支持D1和D2状态。PCI Express物理链路层支持PCI Express链路电源管理，PCI端口支持标准PCI电源管理状态。它还支持ASPM以实现链路节能，并且可以通过PME_L引脚请求电源管理状态变化。

6.9 电源排序

PI7C9X110需要3.3V I/O电压和1.8V核心电压，在设计电源供应时，可以同时施加所有电压，或者先施加3.3V电压，再在建议的时间范围内施加1.8V电压。在电源循环过程中，需要注意电压施加的时间间隔，以避免出现不确定的I/O状态和引脚毛刺。

七、电气和时序规格

7.1 绝对最大额定值

PI7C9X110的绝对最大额定值包括存储温度范围（-65°C至150°C）、最大结温（125°C）、不同电源引脚的电压范围以及输入电压范围等，超过这些额定值可能会对设备造成永久性损坏。

7.2 DC规格

DC规格定义了各个电源引脚的电压范围、输入输出电压和电流的要求，以及输入引脚的电容等参数。例如，VDDA、VDDP、VDDC等电源引脚的电压范围为1.6V至2.0V，PCI输入高电压（VIH）为1.55V至5.5V等。

7.3 AC规格

AC规格包括PCI总线时序参数和PCIe参考时钟时序参数。PCI总线时序参数规定了输入设置时间、保持时间、时钟到信号有效延迟等参数在66MHz和33MHz时钟频率下的要求；PCIe参考时钟时序参数规定了输入时钟频率范围、占空比、上升/下降时间等参数。

八、封装信息与订购信息

PI7C9X110采用12mm x 12mm LFBGA（160引脚）封装，球间距为0.8mm，球尺寸为0.5mm。订购信息提供了具体的产品型号（如PI7C9X110BNBE）、引脚封装和温度范围等信息。

九、总结

PI7C9X110作为一款功能强大的PCI Express到PCI可逆桥接器，为电子工程师在将现有PCI产品集成到PCI Express系统中提供了有效的解决方案。它具有丰富的功能特性，涵盖了PCI Express和PCI的各种功能，支持多种操作模式和桥接方式，并且提供了详细的配置寄存器和控制机制。同时，它在电源管理、热插拔、复位等方面也具有良好的设计，能够满足不同应用场景的需求。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择引脚配置、操作模式和寄存器设置，以充分发挥PI7C9X110的性能优势。希望本文能够为电子工程师在使用PI7C9X110进行设计时提供有价值的参考。你在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。