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ExpressCard接口解释说明

发布时间:2010-12-28 15:42:00 浏览次数:10832次 类别:技术工艺
   本文概述了PCMCIA的ExpressCard标准,简要介绍了ExpressCard技术的电气、模组、连接器以及相关设计方面的Issues。

1. 标准介绍

ExpressCard最初提出的目的就是为了取代CardBus Card/PC Card,Express Card相对于它们来说具有很好的优势。ExpressCard速度快,模组小。

1.1 Introduction

ExpressCard最初由2005年提出,它实际上PCI Express x1 和USB2.0的结合体。最初版本的ExpressCard1.2支持PCI Express单通道接口,支持低速、全速以及高速的USB2.0接口标准。后来的ExpressCard2.0标准于2009年2月提出,带宽速度提升近10倍,其支持PCI Express 2.0标准,以及Super Speed USB 3.0标准。下图为ExpressCard的系统组成示意图:

从上图可以看出,ExpressCard实际上就是PCI Express总线和USB总线的结合体。这里需要注意的是:在我们设计过程中,ExpressCard主机接口必须支持PCI Express单通道接口,也必须支持低速、全速以及高速的USB接口标准,提供对这两种接口的支持是成为ExpressCard合规主机平台的必要条件。 但是对于ExpressCard模组来说,则没有这一限制,模组可以选择两种传输方式中的任意一种,即仅支持USB2.0或者仅支持PCI Express均可。

The ExpressCard standard supports both the USB 2.0 and PCI Express interfaces. Card manufacturers are able to choose that whichever bus is appropriate to their application; the performance of PCI Express, or from the wide range of solutions supported by USB. However, All host PC ExpressCard slots will support cards using either interface. The host platform no longer needs to incorporate a bridge chip between the chipset and the socket. PCI Express and USB 2.0 are fully hotpluggable.

1.2 ExpressCard模组

传统的CardBus PC Card,其大小是CardBus (Type II): 54 mm (W) x 86 mm (L) x 5 mm (H),如下图所示:

而ExpressCard的模组大小则不然。ExpressCard的模组有两种类型:体积较大的ExpressCard/54规格与ExpressCard/34规格。每种规格的大小是:

ExpressCard/34: 34 mm (W) x 75 mm (L) x 5 mm (H)

ExpressCard/54: 54 mm (W) x 75 mm (L) x 5 mm (H)

它们对应的示意图如下图所示:

因此,两种规格的ExpressCard的厚度都是5mm,长度都是75mm,只是在宽度上有差别。但是无论是哪种规格,都比Cardbus PC Card有较大改进。

1.3 ExpressCard Slot

从前面可以,ExpressCard Module有两种规格,对应的,接口的Slot也有两种类型。如下图所示。这里需要说明,这两种插槽的I/O接口信号定义与功能均完全相同。尽管体积较大的ExpressCard/54规格与ExpressCard/34规格相比,名义上具备140%的内部体积以及160%的散热效率,但是两种规格所对应的的I/O接口信号定义及其性能以及驱动电源完全相同。

但是,ExpressCard/34规格的模组可以兼容两种Slot的任意一种,但对于ExpressCard/54规格的模组,只兼容其中的一个大的Slot,如下图所示,这个很好理解,并竟它们机械结构大小都不一样嘛。

2. Design Issue

由上面可以,ExpressCard接口就是PCI-E接口和USB接口的总线技术结合体,本部分主要讲解在ExpressCard接口设计过程中需要注意的问题。


  

2.1 ExpressCard接口定义

对于ExpressCard最初的标准(Ver1.2,不包含Ver2.0)来说,Each slot of the ExpressCard host interface must support a single PCI Express lane (x1) operating at the baseline 2.5 Gbps data rate, in each direction, as defined by the PCI Express Base Specification 1.0a as published and maintained by the PCI Special Interest Group (PCI-SIG). The ExpressCard host interface must also support the low-, full- and high-speed USB data rates as defined by the USB 2.0 Specification as published and maintained by the USB Implementers Forum (USB-IF). Support of both interfaces is a condition for being an ExpressCard-compliant host platform. An ExpressCard module may use one or both of the standard interfaces depending on the application requirements.

Pin信号定义以及Input/Output方向定义如下图所示,下图中提示,是按照Host为基准定义的I/O方向,不过个人认为下图定义的I/O方向是应该以Module为基准的。但是原图来自于PCMCIA官方的白皮书,应该不会出错,手上又没有详细的spec,因此不是很确定。(后面关于I/O方向定义的问题暂时以个人认为的为假设前提):

由上图可以看出,REFCLK+/-差分信号是Input,即该100MHz的PCIE差分时钟是由Host提供给模组的。同时,有时为了满足Host提供管理功能,Host可以将其SMBus总线连接到Slot上,如果可能的话,模组可以支持该接口,但不是必须的,If available, ExpressCard modules may provide support for such features as remote alerting and sideband radio control.

2.2 电源供电要求

ExpressCard Slot提供三种电源+3.3V,+3.3VAUX和+1.5V,这些电源要求Host提供。同时ExpressCard标准对其有一些要求,如下图所示:

其中,Average标准允许模组消耗的最大平均电流,而Max表示所允许模组瞬间消耗电流的平均值,同时要求,+3.3V和+3.3VAUX平均消耗电流最大1000mA(虽然它们单独进行限制时是1000mA+250mA,但是当两者无需同时供电,同一时刻只需其中一个供电即可,平均值两者加起来不得超过1000mA)。

关于散热问题,spec要求All ExpressCard modules, independent of the amount of power drawn from the host system, shall not exceed the thermal power limits defined for modules: 1.3W for ExpressCard/34 modules and

2.1W for ExpressCard/54 modules. Thermal limits are based on an assumption of uniformly heated module with a maximum case temperature of 90ºC in a host environment of 65ºC, and consider heating due to adjacent modules.当然这是Module提供商所负责的问题。在我们设计ExpressCard Host时,只需要按照spec要求,提供满足要求的电源即可。

2.3 Power Management

ExpressCard的Slot的电源管理由主机系统内的相关硬件控制其导通和关断。当ExpressCard模组插入主机Slot后,主机系统通过相应针脚判断模组的存在并准备向模组供电以便模组可以进行相关操作。

Host系统应通过模组的存在逻辑决定在开启、关闭以及休眠这三种系统状态下是否应该向ExpressCard插槽供电。当ExpressCard模组插入处于关闭或者休眠状态的系统时,主机不会向模组供电。当ExpressCard模组插入处于开启状态的系统时,主机会向模组供电。如果ExpressCard模组在主机系统开启前或者从休眠状态恢复到开启状态已经插入插槽,那么主机在开启后会向模组供电。 一般都有专门的IC负责这部分电源的管理,如下图所示,它是ROHM提供的Power Switch ICs for ExpressCard-BD4153FV,BD4153EFV的原理框图。

由上图可知,Host是否想Slot供电,取决于CPPE#,CPUSB#和SYSR的逻辑。这里的CPPPE#和CPUSB#信号是由Module通过Slot提供的。

2.4 Hot-Plug

由于PCI-E和USB的标准都具有热插拔特性,因此,ExpressCard接口的热插拔特性不需要额外的Chip来实现,唯一需要的就是需要一个IC来控制电源的导通和关断,如上面的描述。

对于所有ExpressCard模组,主机系统必须首先检测到ExpressCard模组的存在才能向插槽供电并启用相应端口。

模组探测与操作:

Host对于模组的探测与操作是由下面几方面构成。

<1>: CPPE#与CPUSB#信号的状态

<2>: PERST#信号的状态 (仅适用于基于PCI Express的模组)

<3>: REFCLK to the slot based on the state of CPPE# and/or CLKREQ#(可选)

<4>: Wakeup requests based on the state of WAKE# (PCI Express-only)

<5>: 基于合适接口(PCI Express或USB或两种接口)的带内功能的I/O接口探

测、启动以及操作-- I/O interface detection, set-up and operation based on the

in-band capabilities of the appropriate interface, either PCI Express, USB, or

both。

PCI Express模组工作原理:

当主机提供电源后,模组端和主机端的PCI Express接口都必须处于开启状态,以便数据接口的本地探测和配置协议开始运行。

USB模组插入工作原理:

当主机提供电源后,USB模组操作紧随与USB唤醒连接器以及外置USB设备同时存在的USB连接模式之后进行。
  

3. Connector

本部分主要描述Module和Host使用的Connector定义。

3.1 模组用的连接器

ExpressCard标准仅定义了与主机连接器相连的模组连接器前端,并没有定义与模组印刷电路板接触的连接器后端。

PCMCIA建议,ExpressCard模组连接器使用表面贴装技术制造,元件封装上的焊点应以序号标明。请注意推荐模组连接器封装中未包括任何保护焊接接头免受反复插拔过程损坏的机械稳定特性。ExpressCard模组与连接器制造商应该确保ExpressCard模组连接器的机械完整性。

3.2 Host端的连接器

下图所示为ExpressCard主机连接器,该连接器适合ExpressCard/34以及ExpressCard/54模组。主机连接器必须具备一定的机械稳定能力以保证在模组插拔过程中连接器不会受到外力的影响。Spec规定,尽管上图显示了整个SMT焊盘,其他诸如螺丝以及透孔焊接接头等可由各系统制造商自由决定。

4. ExpressCard与CardBus比较

ExpressCard目前已经慢慢取代CardBus,但是它们的标准均由PCMCIA制订。PC Card、 CardBus及ExpressCard目前广泛应用在PC领域。

ExpressCard模组的尺寸和重量均约相当于PC Card模组的一半大小。在速度方面, ExpressCard接口的传输速率为CardBus接口的2.5倍,16-bit I/O PC Card接口的40倍(取决于具体应用)。

在设计方面,ExpressCard标准充分利用了与PCI Express以及USB接口的直接连接,大大简化了设计复杂性,同时有助于降低生产成本。由下图可知,CardBus接口需要一个Brige,而ExpressCard一般有Host Chip直接引出。

在易用性方面。ExpressCard模组及支持热插拔功能,也支持即插即用功能。

功耗。ExpressCard模组的功耗得到大幅降低。

尽管ExpressCard和PC Card关系密切,但出于简化ExpressCard产品设计的技术考虑,这两种技术并不相互兼容。

5. 接口电气特性测试

ExpressCard接口测试可以分为两部分,一部分是测试ExpressCard模组的电气特性,另一部分是如何测试提供ExpressCard Slot的主板的电气特性。

5.1 ExpressCard Host端测试

Host端提供ExpressCard的Slot,因此若测试该接口的电气一致性,需要类似一个模组的TestFigure将其中的PCI-E接口和USB接口分离出来,然后接到示波器或者其它信号分析仪进行一致性测试。如下图所示,该模组引出两个SMA Connector用作PCI-E信号的测试,即将其插到Host提供的Slot中,就可以对其中的PCI-E接口进行一致性测试了。Host提供商就是利用这个TestFigure进行PCI-E接口部分的兼容性测试的。

同样道理,如下图所示,该模组引出USB Connector用作USB信号的测试,即将其插到Host提供的Slot中,就可以对其中的USB接口进行一致性测试了。Host提供商就是利用这个TestFigure进行USB接口部分的兼容性测试的。

5.2 ExpressCard Module端测试

对于Module端的ExpressCard接口,若想测试其接口的电气一致性,需要一个TestFigure提供ExpressCard Slot以便ExpressCard Module可以插进去,同时,这个TestFigure要能够分出PCI-E接口和USB接口,一般进行相关的电气性测试。如下图所示, 任何待测的Module插到这个TestFigure上,然后就可以按照PCI-E接口和USB接口的测试方法分别对其进行一致性能够测试了。

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