CPCI 技术简介

概述 特性 PCI总线简介 电气需求 机械需求

一. 概述

什么是CPCI Compact PCI（Compact Peripheral Component Interconnect）简称CPCI，中文又称紧凑型PCI，是国际工业计算机制造者联合会（PCI Industrial Computer Manufacturer's Group，简称PICMG）于1994提出来的一种总线接口标准。是以PCI电气规范为标准的高性能工业用总线。

CPCI 规范改进自 PCI 电气规范 2.1，应用于工业和嵌入式领域。它使用工业机械组装标准，具有高性能连接技术， 可以提供一套最优化系统以便于不同应用。 CPCI 在电气方面可以兼容PCI规范，允许低成本PCI 组件

CPCI系统卡

CPCI扩展卡

CPCI背板

CPCI机箱

CPCI的特点 继续采用PCI局部总线技术；

版本 CPCI规范自制定以来，已历经多个版本。最新的PICMG 3.0所规范的CPCI技术架构在一个更加开放、标准的平台上，有利于各类系统集成商、设备供应商提供更加便捷快速的增值服务，为用户提供更高性价比的产品和解决方案。PICMG 3.0标准是一个全新的技术，与PICMG 2.x完全不同，特别在速度上与PICMG 2.x相比，PICMG 3.0速度每秒可达2Tb。PICMG 3.0主要将应用在高带宽电信传输上，以适应未来电信的发展，PICMG 2.x则仍是目前CPCI的主流，并将在很长时间内主宰CPCI的应用。

CPCI的应用 CPCI所具有高开放性、高可靠性、可热插拔（Hot Swap），使该技术除了可以广泛应用在通讯、网络、计算机电话整和（Computer Telephony），也适合实时系统控制（Real Time Machine Control）、产业自动化、实时数据采集（Real-Time Data Acquisition）、军事系统等需要高速运算、智能交通、航空航天、医疗器械、水利等模块化及高可靠度、可长期使用的应用领域。由于CPCI拥有较高的带宽，它也适用于一些高速数据通信的应用，包括服务器、路由器、交换机等。

二.特性

外形特征 CPCI 板的封装结构基于 IEC 60297-3、 IEC 60297-4 以及 IEEE 1101.10定义的欧式板卡外形。 共定义了3U（100 mm × 160 mm）和6U（233.35 mm × 160 mm）两种板卡尺寸。

3U型板卡

一个 CPCI 系统由一个或多个 CPCI 总线段组成。每个总线段又由 8 个 CPCI 插槽组成（33MHZ 情况） ，板中心间距 20 一个 CPCI 系统由一个或多个 CPCI 总线段组成。每个总线段又由 8 个 CPCI 插槽组成（33MHZ 情况） ，板中心间距 20.32mm（0.8 inch） 。每个 CPCI 总线段包括一个系统槽和最多 7个外围设备槽。

3U CPCI 背板示例

系统槽为总线段上的所有适配器提供仲裁、时钟分配以及复位功能。系统槽通过管理每个局部适配器上的 IDSEL 板选信号完成系统初始化。实际上，系统槽可以被固定在背板上的任意位置。为了简单起见，技术规范假定每个CPCI 总线段上的系统槽都定位于总线段的最左端，当我们从背板的前方看过去时。

外围槽可安装简单适配器也可以安装智能化从设备或PCI 总线主适配卡。采用系统槽位于总线段左边或右边、板间距为20. 32mm（0 外围槽可安装简单适配器也可以安装智能化从设备或PCI 总线主适配卡。采用系统槽位于总线段左边或右边、板间距为20.32mm（0.8inch）的线性排列结构。

连接器 CPCI 连接器是由 IEC 60917 和IEC 61076-101 定义的屏蔽式 2mm间距 5 行的连接器。 CPCI 总线互联被定义成一个 5 行 47列的引脚阵， 这些引脚逻辑上被分成与物理连接器相对应的两组。32 位 PCI 和连接器编码键区安排在一个连接器 J1 上。另一个连接器 J2 被定义位64位传输、后面板IO或物理寻址。

编码键可以防止因疏忽将 5V 适配器安装到 3.3V 系统上的。下表给出了背板连接器和适配板连接器相关联的不同编码键的色码。通用适配器可在任意环境包括没有编码键的情况下工作。背板连接器必须依据背板段上的信号线进行键控。

模块化 CPCI 的一个重要特性是系统模块化。系统的模块化是通过使用不同的欧式板卡结构和多样化IEC-61076-4-101 连接器实现的。3U结构、6U结构或是两个的结合体都可以直接被用来创建一个系统。IEC-61076-4-101 连接器适用于多种外形结构中的不同应用。

热插拔功能 CPCI技术中最突出、最具吸引力的特点是热插拔（Hot Swap）。简言之，就是在运行系统没有断电的条件下，拔出或插入功能模板，而不破坏系统的正常工作的一种技术。热插拔一直是电信应用的要求，也为每一个工业自动化系统所渴求。它的实现是：在结构上采用三种不同长度的引脚插针，使得模板插入或拔出时，电源和接地、PCI总线信号、热插拔启动信号按序进行；采用总线隔离装置和电源的软启动；在软件上，操作系统要具有即插即用功能。

三.PCI总线简介

PCI（Peripheral Component Interconnect）外围组件接口技术既可以作为中间层的总线也可以作为周边总线系统使用。与其他普通总线规范想对照，PCI 总线为高速I/O设备提供了更好的支持（比如图形适配器、网络接口控制器、磁盘控制器，等等）。

现行的标准允许在33Mhz下使用64根数据线，纯传输速率可达2 现行的标准允许在33Mhz下使用64根数据线，纯传输速率可达2.11Gbps。但是PCI吸引人的地方不在于它的高速度，它适应了现代I/O设备对系统的要求，并且只需要很少的芯片就可以实现并支持其他总线系统。

PCI被设计为支持各种处理器环境，所以它提供了很多通用的功能，这些功能是构筑在同步时序和中央仲裁机制基础上的。

典型的PCI局部总线系统的结构

PCI总线定义 PCI能够作为32或64位总线使用。它们可以按照功能不同化为以下几组： 1．系统引脚：包括时钟和重启引脚。 2．地址和数据引脚：包括32条传输地址和数据的引线，其余的引线是为了配合它而使用的。 3．接口控制引脚：用来保持master和target之间通信的一致性。

4．仲裁引脚：和其他的PCI信号线不同，这些不是共享的数据线。每一个PCI master都有它自己的仲裁信号线来直接和ARBITOR相连接。 5．错误监测引脚：用于奇偶校验和其他错误的报告。 除此而外，PCI还提供了另外50条可选的信号线来支持中断、缓存、及64位扩展等功能。

PCI总线定义

读操作

写操作

仲裁

四.电气需求（33MHz）

CPCI 适配器设计必须遵循 PCI 规范中给出的台式PCI 适配器的标准设计需求。 适配器设计准则 CPCI 适配器设计必须遵循 PCI 规范中给出的台式PCI 适配器的标准设计需求。

退耦需求 每个CPCI 适配器须装备退耦装置以满足已有应用。下表给出了必须用到的最低需求。对于CPCI 热插拔适配器，还需对这些需求做修改。

CPCI 附加信号 CPCI使用PCI局部总线规范定义的PCI信号和一些附加信号。这些附加信号不但不会影响PCI信号，还能通过提供一些功能来增强系统操作性能，这些功能包括添加重启按钮、供电状态、系统槽识别、物理寻址、系统管理以及继起IDE设备中断支持特性。

CPCI 端接终端 适配卡上许多PCI总线信号都在CPCI连接器接口处串接一个10欧姆排终端电阻。

需要加终端电阻的信号包括：AD0-AD31，C/BE0#-C/BE3#，PAR，FRAME#， IRDY#，TRDY#，STOP#，LOCK#，IDSEL，DEVSEL#，PERR#，SERR#以及RST#。 以下信号如果被适配器引用时，也需要端接终端电阻：INTA#，INTB#，INTC#，INTD#，AD32-AD63，C/BE4#-C/BE7#，REQ64#，ACK64#以及PAR64。 下信号则不需要端接终端电阻：CLK，REQ＃以及GNT＃。

外围适配器信号端接长度 对于32位或64位信号，其信号端接长度应小于或等于63.5mm（2.5英尺） ，这个长度是指从连接器引脚经端接或排终端电阻到PCI设备引脚的距离。这个长度要比PCI规范中要求的长度大，但是同样包含电阻的总轮廓长度。

阻抗特性 适配器必须被制作成能够为CPCI信号线提供如表所示的阻抗特性

系统槽适配器信号端接长度 对32位或64位适配器来讲，系统槽的信号线端接长度应小于或等于63.5mm（2.5英尺）。 在每个PCI背板段上，每个系统槽信号上可以挂两个PCI负载，以适应实际操作中基于PCI的CPU设计需求。当系统槽适配器上添加负载时，每个PCI信号上只需要端接一个终端电阻。 当系统槽上挂接两个负载时， 信号必须以直线形式从连接器接到第一个负载然后再到第二个负载。端接第一个负载的长度应该小于0.5英尺。

外围适配器 PCI 时钟信号长度 外围适配器的PCI信号长度应为63.5 mm±2.54 mm（2.5inches±0.1 inches)，并且每块适配器只能挂接一个负载。

上拉定位 PCI规范所需的上拉电阻必须位于系统槽适配器上。信号上拉定位所需的上拉电阻必须连接在适配器中端接终端电阻的旁边。上拉电阻的端接长度应小于0.5英尺，并且这个端接长度包含上拉电阻尺寸长度。

当系统槽适配器为32位时，必须为REQ64＃和ACK64＃信号提供上拉电阻，即使系统适配器没有使用这些信号。上面的要求适用于64位外围适配器用在32位或64位系统适配器的情形。上拉电阻同时可以阻止64位适配器上REQ64＃和ACK64＃信号漂移。 使用GNT＃信号的每块外围适配器都需要接一个100千欧的上拉电阻，用来阻止GNT＃信号未被系统槽适配器驱动时出现漂移输入。

适配板连接器屏蔽需求 J1和J2连接器需在适配板的F行加载一个屏蔽罩。此屏蔽罩可以在适配板和CPCI背板之间为逻辑地形成一个低阻抗回路。没有使用屏蔽罩的适配板不能兼容所有的CPCI拓扑系统，更不能确保在所有CPCI系统中正常运行。

背板设计准则 系统插槽为其他7个插槽提供时钟、仲裁、配置以及中断处理功能。 背板应能提供相互分离的3.3V、5V电源和接地面。当V(I/O)被配置成3.3V或5V时，V(I/O)需要占用一个单独的电源面。

阻抗特性 背板将被制作成能够提供具有下表所示的阻抗特性的CPCI信号线。

背板终端 为了精确配置系统，需在背板末端所有总线PCI信号线上最远离系统槽的地方添加一个快速肖特基二极管信号终端，如下图所示。这个二极管可直接加在背板上也可以经由一个最远离系统槽的插槽二极管终端适配器连接到背板上。一旦使用，对每个PCI信号而言，这个二极管将尽量近的靠近网络的末端。

信号环境 每个CPCI背板提供5V或3.3V信号环境。连接器上的V（I/O）激励脚用来激励外围适配板上的缓冲器。这个缓冲器允许一个板卡被设计成能同时工作在两种接口模式下。CPCI为这种双重接口配置的每个系统提供了唯一一个备板连接器编码键。CPCI备板可以是一个固定信号环境的备板也可以是可配置的。在任一模式下，当配置成5V操作时，5V编码键（亮蓝色）将被使用。同理，配置成3.3V操作时，3.3V编码键（镉黄色）将被安装在备板连接器中。 通过以上机制，可以插入与备板相匹配的带有编码键的适配板，同样也可以阻止不匹配适配板插入。3.3V或5V适配器不具备编码键，因此可以被插入到两个系统中的任意一个。

IDSEL 板选信号分配 为达到配置目的，使用PCI板选信号IDSEL给每块局部插槽提供唯一访问。通过连接地址线AD31～AD25中的一条到和每块适配板的IDSEL引脚（J1:B9），配置阶段每块适配板都对应了唯一的一个地址。 每块插槽上的IDSEL信号必须以最短的长度连接到已有插槽上。

REQ＃/GNT＃信号线分配 系统槽接口对应的7对REQx＃/GNTx＃引脚分别称为REQ0＃- REQ6＃和GNT0＃-GNT6＃。每块外围适配器接口对应的一对REQx＃/GNTx＃信号使用引脚REQ＃（J1:A6）和GNT＃（J1:E5）。

PCI中断绑定

系统管理总线 J1/P1上定义了三个引脚IPMB_SCL，IPMB_SDA和IPMB_PWR，用来整合系统管理特性，包含适配板识别、环境控制和电压控制等。 J2/P2上预留了三个引脚IPMB_SCL， IPMB_SDA和IPMB_PWR以备非背板总线系统管理功能使用。 每个插槽上，IPMB_PWR背板线的载流能力最小为100mA。

电源分配 CPCI系统通过背板进行电源分配。每块背板必须能够提供下表所示的标准直流电压。

电源去耦 作为开关电流的一种合理管理方式，所有的电源电压必须接地去耦。低阻抗电源层和低等效串联阻抗电容线路被使用。纵使一个系统没有使用3.3V或5V，未被使用的电源引脚也应进行连接和去藕操作以提供一个附加AC回路。下表给出了每个连接器所使用的旁路引导线的最小值。

健全（Healthy＃） 这个引脚被预留来用于热插拔系统。背板应该保持HEATHY＃引脚悬空（未连接）。这个引脚应该通过一个0.01uF的电容旁路到背板的每个插槽以保持AC线的屏蔽能力。有些热插拔平台可能用到额外需求。

33MHzPCI时钟分配 系统槽适配器需要给系统中的所有PCI外围设备提供时钟信号，也包括系统槽适配板上的设备。外围适配板上的时钟信号由CPCI背板提供。33MHz系统之上的任意两个PCI设备之间，输入到集成电路的时钟会有最大为2ns的时钟倾斜。

背板时钟线路设计准则 CPCI背板应该被设计成能够为系统槽适配器提供一个有关背板时钟线路选择的可靠的环境。 系统槽提供7个时钟信号，这7个时钟信号被唯一的分配给7个外围插槽。时钟信号和物理槽的一一对应关系是任意的。 背板使用这些时钟线为每个插槽提供一个简单的时钟线。时钟线不能被共享。这些时钟线长度必须保持在135mm（5.3inches）到185mm（7.3inches）之间。 系统槽适配器使能这7条时钟线。

系统槽适配板时钟线路设计准则 系统槽时钟分配线路必须被设计成能够满足最多1.2ns的背板时钟倾斜。系统槽上的时钟分配电路应该为每个CPCI连接器引脚提供一个分立的时钟信号正如定义的PCI时钟（CLK0，CLK1，CLK2，CLK3，CLK4，CLK5，CLK6）一样。这些信号线在长度上必须相互匹配。 连接到CPCI总线上的任意板上PCI外设包括PCI-PCI桥，都被提供给一个时钟信号。这个时钟已被延迟为了符合背板时钟的最大传输时延和PCI外设2ns的整体时钟倾斜要求。板上时钟分配允许最大800ps的时钟倾斜。为了调节最好和最坏两种背板时延以及外围适配板上63.5mm的金属线时延，这个板上时钟信号必须被延迟超过背板时钟线传输时间。

五.机械需求

适配板需求 CPCI定义了两种板卡尺寸：3U和6U

3U为100mm×160mm规格。PCB板为1.6 0.2 mm厚。使用一个2mm连接器来连接CPCI总线段。图6给出了3U板卡的尺寸和连接器情况。J1用作32位PCI，J2用作64位PCI、后面板I/O或系统槽功能。 6U为233.35mm×160mm规格。图7给出了6U板卡的尺寸和连接器情况J1，J2，J3，J4和J5。J1用作32位PCI，J2用作64位PCI、后面板I/O或系统槽功能。J3，J4和J5可用作后面板I/O。 后面板I/O可由用户定义，也可使用PICMG规范中的定义。

ESD 静电导出条 所有适配板都应具备IEEE 1101.10和IEEE 1101.11定义的ESD保护特性。对每块适配板来讲，最低的ESD环境也应该是沿着板卡底部两侧固定一个静电导出条。

当适配器插入系统时，ESD卡接线柱连接到适配板的边缘，并为适配板上的ESD能量提供一个放电到底盘的途径。在下级引导卡上提供一个ESD接线柱。这个接线柱必须被安放在离前面附属板35mm 5mm (1.38 inches 0.2 inches)的距离，如图5所示。注意，这个尺寸比IEEE 1101.10定义的位置要小。这个尺寸既可以用于前面引导卡也可以用于后面引导卡。

剖视图 右图给出了一个剖视图，它展示了前面板、适配板、连接器和背板之间的关系。了解更多细节请查阅IEEE 1101.1和IEEE 1101.10（EMC）。

构件略图和翘曲（Component outline and warpage） 右图给出了适配板的构件略图和翘曲。构件的总高度/总铅垂长和翘曲（弓形和螺旋型）应保持在板间隔离带确定的边界内。查看IEEE 1101.1和IEEE 1101.10了解更多细节。

焊料侧盖 由于需要一个起保护作用的焊料侧盖来防止背部组件在适配板插入或拔出子架， 因此所有带有背部组件或通孔引脚的适配板都已经装备一个保护罩。 这些适配板都配备了焊料侧盖。需要为IEEE 1101.10提到的保护罩提供一个安装孔。

前面板 CPCI适配板提供一个符合欧洲板卡封装形式的前面板接口。CPCI适配板使用符合IEEE 1101.1（平面板）和IEEE 1101.10（EMC面板）标准的前面板。

通用需要用到符合IEEE 1101.10标准的排出器/注射器手柄。3U板卡使用1个排出器手柄，6U板卡使用2个手柄。填充面板并不需要手柄。 模板上的功能符也应该位于前面板上。这些功能符有： ·三角形 系统槽 ·圆形 外围槽

系统槽识别 使用一个红色的指示幅来显示CPCI子架上的系统槽。这样可以让用户很容易的定位系统槽。外围槽不允许使用红色指示幅。

后面板I/O适配器需求 前端插入适配器可以通过背板上的J2/P2，J3/P3，J4/P4以及J5/P5连接器对访问I/O，使用任意通用连接器。对于很多应用，不经过背板访问这个I/O的唯一可行方法是使用一个带有标准I/O连接器的后面I/O转接板，每种类型I/O对于特定的I/O连接器。

机械部件 IEEE 1101.11为后面板I/O转接板定义了一般机械部件。后面板I/O转接板和子架上的机械部件实现必须符合IEEE 1101.11标准以适合80mm深的模板和子架。 使用与前面CPCI模板相同的前面板、手柄、编码键、引脚阵以及相同在EMC、ESD结构。 使用与子架前边相同的子架杆、引导卡、EMC支持、ESD支持、编码键、针孔阵以及注入器抽取器栅，尤其是引导卡深度。

电源 很多应用中，后面板转接适配器带有有源器件。电源既可以通过前面适配板传给I/O引脚，也可以通过标准的电源和接地引脚供电，此引脚定义为J1/P1和J2/P2连接器引脚的一部分。

背板需求

连接器位置 下图给出了从系统底盘前方看过去的总线段连接器位置。 系统槽可以安装在背板的任意位置但是必须安装在总线段的最左端或最右端

槽间距 CPCI规范和所有背板仿真都假定线性拓扑结构使用20.32mm（0.8inch）的板中心间距。其他形式的拓扑结构必须经过仿真或其他手段验证了能符合PCI规范后才能使用。

插槽标号 背板插槽按照从1到N的方式标号，这里的N是指插槽的个数。例如，一个8插槽背板标记背板槽为1－8并带有功能符。插槽标号从前面看过去的顶端左侧开始。

总线段 总线段可以提供64位操作或者为每块适配板插槽的REQ64＃和ACK64＃信号提供上拉电阻。系统槽使用J1和J2来允许总线仲裁和时钟信号通过系统槽适配器传递到背板。为实现热插拔操作，连接器要求引脚分段。 CPCI总线段必须能在段内所有插槽中传输所有信号，除了插槽特有信号：CLK,REQ#和GNT＃。为了能构造（即插即用）译码，每个逻辑槽都有唯一一个板选信号IDSEL连接一个上部ADxx信号。 背板应该连接系统槽上的DEG＃（P2:C16）和 FAL# （P2:C15）信号，这些信号由电源或其他系统管理功能提供。

背板尺寸 由于系统设计需求、终端网络等其他因素，背板的左端和右端可以制作的稍大些。当需要扩展时，最终尺寸可以有5.08mm的增量。背板和子架的部件结构允许增加

连接器实现 所有的3U/6UCPCI板卡和背板都都是通过下所示的连接器实现互联的。这些连接器都属于IEC 61076-4-101定义的2mm高密度量家族。

连接器位置 连接器位置从下到上被指派为编号1到5。前插入板卡的连接器分配的前缀是“J”。底板前面的连接器则分配了前缀“P”。底板后面的连接器分配了前缀“rP”。后面板I/O的连接器分配了前缀“rJ”。

构架类型 连接器的构架类型由类型A、类型B和类型AB给出。类型A连接器具有调整特性和编码按键，类型B连接器不具备这些特性。类型AB连接器具有调整特性但没有编码按键。 为了避免混淆，所有产品包括后面I/O模板（模板、系统、背板等）都应该清楚地在用户手册中给出，这个用户手册既要符合CPCI规范中的R 2.X也要符合R 3.X。 系统和背板供应商应该在rP2/rP3/rP5位置提供类型AB防护罩，以确保后面生产的模板同已有后面I/O模板兼容，以及先前生产的模板同今天正在生产的后面I/O模板兼容。

连接器末端长 为后面板I/O定义的连接器必须具备16mm长度的穿透末端，为未被定义成后面板I/O的连接器应该被feed-to。

背板/板卡可选数量 最低意义上来讲，J1连接器被用作32位CPCI而J2被用作64位CPCI信号。其他的连接器需要根据系统需求来决定是否安装。

预留引脚 预留的通信引脚 BRSVPxxx信号应该在连接器间相互传送，它被留作预定义。 预留的非通信引脚 BSR信号不会在连接器间互传，它被用作预定义。

电源引脚 所有的CPCI连接器都提供了+5V,+3.3V,+12V和-12V电源。标记为+V(I/O)的附加电源引脚用来为通用模板提供电源，利用I/O缓冲器驱动+5V或+3.3V背板信号。

5V/3.3V PCI按键 CPCI实现了一个按键机制，用来区分5V和3.3V信号操作。这个按键机制被设计来防止一种缓冲器技术（5V或3.3V）构建的适配板插入到设计成其他缓冲器技术（分别对应3.3V或5V）的系统中。通用适配板既可以运行在5V系统又可以运行在3.3V系统，而不需要键控。CPCI连接器的12位到14位被用作键控机制。这就要求背板被配置成5V或3.3V，并且提供适当的按键。不可能实现一个通用背板。

参考文档： CompactPCI® Core Specification PICMG 2.0 R3.0 10/1/99 PCI Local Bus Specification Revision 2.3 3/29/02

谢谢 ！