PCIExpress与PC/104总线的转换设计

杨鹏　杭栋栋

摘 要：在兼容维修早期生产的一款基于PC/104总线的近红外光谱仪，在设计新的工控板时，增加了PCI Express总线转PC/104总线的设计。重点介绍了架构设计、PEX8311桥接芯片的直从工作模式和FPGA的控制时序，当PEX8311本地时钟频率为16.5 MHz时，测试的实际传输速率达到6.5 MB/s，能够满足仪器的需求。

关键词：PCI Express；PC/104；PEX8311；FPGA

中图分类号：TN79+2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.010

PC/104是尺寸缩小为96 mm×90 mm的ISA总线板卡，但是，PC/104与ISA的电气和机械规范不同，前者为自堆栈总线，省掉了昂贵的底板，而采用针孔总线连接器，不仅提高了其可靠性，还减小了总线驱动电流，降低了功耗和电路的驱动要求。

虽然ISA总线在1999年后就逐步停产了，但是，PC/104总线以其优异的结构和稳定的电气特性又使用了较长时间。早期生产的多种光谱仪器是基于PC/104接口设计的。随着第三代工业总线PCI Express（又简称PCIE）的普及，原生态支持PC/104总线的工控机退出市场，已销售的仪器在维修时出现了无零件替换的局面。为了实现新一代光谱仪工控板可兼容模块的维修，添加基于PCIE的PC/104总线设计是一种有效的解决方法。

1 硬件设计

1.1 架构设计

实现PCIE与PC/104总线转换的基本思路是先将PCIE总线转换为局部总线，然后通过FPGA编程实现PC/104总线的工作。PCIE与PC/104转换设计架构如图1所示。

1.2 PEX8311的工作模式

PEX8311作为PCIE与本地总线的桥接芯片，数据传输有3种工作方式，即DMA、直主和直从。本地端接口方式有数据线与地址线独立的C模式、数据线与地址线复用的J模式和专用的M模式。本地传输模式包括单周期模式、四周器模式和连续突发模式。

在设计过程中，考虑到频繁读写单个字节、少改动原光谱仪上位机软件和PC/104总线的工作方式等要求，选择PEX8311芯片在直从、单周期C模式下工作。在这种模式下，PEX8311将PCIE接口的IO地址和Memory地址映射到本地总线上，而上位机作为传输过程中的主设备，会发起对PCIE接口IO地址或Memory地址的读写操作，并在局部总线上实施。使用WinDrive软件生成PEX8311的驱动程序后，上位机程序只需简单更改设备接口函数即可实现对原近红外光谱仪数据采集卡的驱动。

图1 PCIE与PC/104转换设计架构图

1.3 FPGA逻辑设计

FPGA作为本地端的逻辑控制器，负责协调好本地端和PEX8311之间的时序关系，配置 PEX8311的工作模式，并将PC/104接口的24位地址、16位数据以及若干中断和控制信号映射到本地总线上。

PEX8311的控制信号主要包括握手信号LHOLD和LHOLDA，总线访问周期的开始和当前地址有效信号ADS#，总线的读写状态信号LW/R#，本地总线数据准备好信号Ready#，末尾数据信号BLAST#。PC104接口主要控制的信号包括存储器读信号MEMR#、存储器写信号MEMW#和存储器16位片选信号MEMCS16#。直从单周期模式读取时序仿真如图2所示，其中，LCLK为本地时钟。

图2 直从单周期模式读取时序图

2 分析与测试

PCIE与PC/104总线转换设计的数据传输速率是由图1所

示串联结构中最慢的部分决定的。PCIE×1在双工时的理论传输速率可达500 MB/s，PEX8311的本地总线传输速率受最高可达66 MHz的本地时钟频率限制，两者均远大于PC/104总线的16 MB/s，因此，该设计最终的数据传输速率受限于PC/104总线。通过改变PEX8311本地总线的时钟频率，可以调节该设计的传输速率。

PLXMon是PLX公司提供的专用调试软件，其中，Memory Access功能可以对指定起始地址系统内存批量填入指定数量的规律变化的数字，从而验证读写映射地址空间是否正确；Performance Measure功能可用来测量PCIE总线的读写速度。当PEX8311本地时钟频率为16.5 MHz时，测量的实际读取速率可以达到6.5 MB/s。转换后的PC/104总线读取速率测试如图3所示。

图3 转换后的 PC/104总线读取速率测试

3 结束语

使用基于PCIE的PC/104总线的转换设计，成功地在最新的工控板上实现对原有PC/104数据采集卡的支持，为早期基于PC/104接口的近红外光谱仪或其他设备提供模块化的兼容维修方案，并延长了此类设备的使用寿命。该设计方案同样适用于PCIE对其他总线的扩展，具有一定的应用市场。

参考文献

[1]姚亮，王宏志.基于CPLD的PC/104总线接口实现[J].长春工业大学学报（自然科学版），2008，29（4）：384-390.

[2]黄小红，李峰，倪卫芳.PEX8311 数据传输研究[J].电子工程师，2007，33（10）：64-65.

[3]陈志列，庞观士，刘志永，等.基于FPGA的LPC-ISA总线桥接设计与实现[J].工业控制计算机，2011，24（5）：3-5.

〔编辑：白洁〕