基于PCIE／104总线的高速数据接口设计

摘要：PC／104作为一种工业嵌入式的总线标准，由于其小尺寸结构、低功耗，以及软件通用性而被广泛用于航空航天、工业控制等领域。这里主要介绍了下一代总线技术PCIE总线在PC／104标准下的应用。阐述了数据接口卡的系统组成和各单元的功能，以及驱动在linux操作系统下的实现原理。自行设计并实现了板卡原理图和PCB，同时简述了高速PCB仿真方面的知识，并针对PCIE差分线进行了版级仿真。最后利用PLX公司提供的开发套件在Linux操作系统下完成了板卡驱动的开发和调试。
关键词：PCIe总线；PC／104；嵌入式；PCB仿真

0 引言
PCIE总线是由Intel公司提出用来取代现行PCI总线的下一代总线技术，被公认为未来总线的发展方向，目前已经成功应用在了商业机上。相对于目前流行的PCI总线，它具有如下特点：
采用了串行点对点模式，数据总线从并行走回向串行无疑是一个趋势，如现在流行的SATA总线、PCIE总线和rapidIO总线都是串行总线。现在串行总线在速度上的优势可以说是毋庸置疑的。PCIE总线在每个方向上都有X1，X2，X4，X8，X16或X32个信号对，用户可根据不同的需求采用不同的配置。同时串行信号还具有管教更少，便于调试的优点。
PCIE采用了基于数据包的协议来编码事物，而不是PCI体系结构的总线周期。数据包被串行发送和接受，并被字节拆分来通过物理链路。链路上实现的通道越多，数据包发送的数据越快，链路的带宽也越宽。同时PCIE还定义了各种类型的数据包，如存储器读／写请求、I／O读／写请求、配置读／写请求、消息请求和完成数据包等。
PC／104标准是一种嵌入式的总线标准，具有功耗低，尺寸小，堆栈式结构的特点。随着目前各种应用数据传输量的增大，现行的PCI总线在带宽方面已经略显疲态，而新近瑞士逻辑提出的PC／104 Express标准，使得PCIE总线技术被成功地应用在了PC／104标准的板卡上。本文采用了PLX公司的PEX8311桥接芯片，完成了PCIE到局部总线接口的转换，应用PLX公司提供的开发工具在Linux操作系统下实现了板卡的驱动应用。在软硬件两方面进行了设计，完成了PCIE／104板卡的功能，升级了系统的总线。

1 PCIE／104高速信号接口卡的系统
PCIE／104高速信号接口卡的系统设计方案如图1所示。

外部传感器采集到的数据通过LVDS，RS 422等电平方式，以固定的不同串口波特率传到FPGA内部集成的各自对应的双口RAM中。当写入了固定字节后，设定标志位stage为1，同时发出中断信号LINT#给PEX8311。PEX8311产生了assert_INT1信息，并通过PCIE接口发给上位机。上位机保存好现在的任务后，通过PCIE开始发出存储器读命令给PEX8311。PEX8311获得命令后，向FPGA发出本地总线申请信号，FPGA作为本地端的控制器将本地总线控制权交给PEX8311。PEX8311开始读数据，首先要进行的是读取标志位，在读取了标志位后，上位机就知道是哪几路串口信号需要读入。然后，把标志位清掉，这样相当于清掉了中断信号。接着，中断服务程序在进入到各个串口的RAM中，来读取相应的数据。在多路串口信号传输过来时，针对该系统，采用的是优先满足高速串口的原则，也就是采用高速串口的标志位作为中断信号，每次产生中断后查询其他标志位。数据到上位机后待处理。该系统目前实现的是两路串口，而多路串口原理相同。