CN1521664B - 简化的CardBus控制器 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种可以减少信号数量和电路板空间的CardBus控制器。在一个典型实施例中，该控制器能在一个两个PC卡系统中多路复用选定信号，因此信号线不被重复使用。该选定信号包括两个PC卡之间的共用信号。为更有效地操控两PC卡，该控制器还包括早期检测电路、仲裁电路和电源管理电路。在另一个典型实施例中，本发明给出了一种通过映射一个内部信号到一条外部地址线来节省PC卡控制器集成电路的芯片空间的方法。

Description

简化的CardBus控制器

技术领域

本发明涉及到半导体设备和计算机系统的设计、生产和制作。更具体地说，本发明涉及提供PCI-CardBus功能的半导体设备的设计、生产和制作。本发明要求2003年2月11日提交的申请号为60/446,590的临时申请的优先权。

背景技术

PCI-CardBus脚垫(footprint)的现有技术背景

De-facto标准的PCI-CardBus脚垫(footprint)存在着一些问题，1997年首次上市的由德州仪器公司(Texas Instruments)推出的PCI-CardBus控制器是以144个引脚封装的，就如PCI1210。它是广泛的用在桥路连接PCI本地总线和用32位CardBus协议增强的单PC卡插槽的产品。德州仪器公司还推出了另一个产品PCI1130，其用来将一个PCI本地总线和两个独立的用32位CardBus协议增强的双PC卡插槽进行桥路连接。该产品，即PCI1130，是以208个引脚封装的，也被广泛地采用。208个引脚接受PCI信号和PC卡标准指定的两组信号.并允许两个PC卡插槽同时工作。

一些公司，包括德州仪器公司，生产的产品和PCI1210是引脚兼容的。德州仪器公司的PCI1410是引脚兼容的，O2Micro公司的OZ6912是引脚兼容的，Ricoh公司的R5C475是引脚兼容的，大多最近推出的ENE的CB1410也是引脚兼容的。每年数百万的以这种脚垫(footprint)封装的芯片被销售到笔记本电脑和其他PC卡系统，行业里众所周知的是德州仪器公司推出了de-facto标准的PCI-CardBus的脚垫(footprint)，其他公司也相继的推出。

虽然德州仪器公司在PCI1510 PCI-CardBus控制器中增加了大量的新技术，正如这部分的数据手册所述，它仍保持了与de-facto标准的PCI1410脚垫(footprint)的很高的引脚兼容性。

用208个引脚进行封装来使两个PC卡插槽同时工作的理念也被广泛地采用。德州仪器公司在新推出的PCI1510中延续了这个传统，一些竞争对手，包括Ricoh、O2Micro和ENE都采用了PC卡标准指定的两组信号来使得PC卡插槽同时工作。

电路板空间问题的现有解决方案

迷你PCI环境经常受电路板面积所限制，因为它们常常用在要求小且轻便的移动产品上(例如笔记本电脑)。De-facto标准的144个引脚封装是20毫米×20毫米的QFP脚垫(footprint)和13毫米×13毫米的mBGA脚垫(footprint)。PCI-CardBus的数据手册给出了QFP和mBGA的机械差别。由于材料、装配、测试夹具、生产量和其他因素的影响，QFP和mBGA封装之间有很大的成本增量。尽管这样，一些迷你PCI系统还是采用了mBGA封装来节省电路板的空间而牺牲了QFP封装的价格优点。但是，这些因封装增加的成本对系统而言并无实际的功能价值。

同样的折衷方案也用在208个引脚封装的双插槽PCI-CardBus桥接设备上。该208个引脚封装为30毫米×30毫米的QFP脚垫(footprint)和16毫米×16毫米的mBGA脚垫(footprint)。大多数迷你PCI系统不能适应208个引脚的QFP脚垫(footprint)，而且迷你PCI系统也极少使用208个引脚的QFP脚垫(footprint)。相反，增加的成本主要是花在208个引脚的mBGA脚垫(footprint)上，而且除了可以增加电路板空间之外就没有其他的额外实际价值。

IO泄漏(IO Leakage)问题的现有解决方案

运用迷你PCI的移动产品通常配备一块电池，因此功率消耗就成为一个要考虑的关键问题。一些电源管理技术用来减少功率消耗，其中很多就采用了去除PCI总线电源的方案。如果当PCI总线电源被去除了之后，一些与PCI总线相连的设备信号仍然带电的话，通过这些引脚泄漏的可能性就很大。正如英特尔的Andrew Groves在12/11/02的Wall Street期刊中指出的，在该行业中，泄漏，内部泄漏和外部泄漏，正逐渐成为一个很大的关注。

De-facto144引脚封装的一些多功能引脚(位于QFP的60，61，64，65，67，68和69引脚，通常称为MFUNC6:0或MF6:0)是用来实现PCI功能的，例如发送中断信号、通过LOCK#的专用访问控制和PCI时钟控制。在配置这些PCI功能时，如果PCI总线电源被去除，从防止泄漏的角度看，就应该把这些引脚断电。引脚通常根据IO电源需求来分组。两个电源需求不同的相邻引脚确定分组。IO根据电源需求来分组的原因是为了限制IO电源环路的个数，总线电源通过该电源环路给芯片的IO单元供电。增加IO电源环路就会增加死区和成本。因为多功能引脚比PCI引脚有不同分组，所以De-facto144引脚封装要增加IO电源环路是很难实现的。作为一个在PCI电源被去除时也需要供电的信号，位于de-factor 144引脚的59引脚处的PME#信号是由PCI电源管理规范定义的。因此，一个分组在57脚(PCI电源地址/数据信号AD0)至59脚之间。

如图1所示，一个解决这种IO泄漏的现有技术方案是增加一个IO电源环路来为PME#信号提供备用电源，同时也为分布在MFUNC引脚的信号提供PCI电源。

图1所示是一种提供两个独立的电源给芯片上的需要不同电压的输入/输出单元的常规方法，并且这些输入/输出单元没有清楚的分组从而电源环路可分配到多个组。PCI IO1、2和3(101、102、103)都需要由PCI VCC电源100供电。一个IO单元104独立于上述PCI IO，要求从备用电源(AUX VCC)105供电。增加AUX VCC电源105会使得芯片面积增加，而且同时也增加了芯片成本。

发明内容

从而，在一个典型实施例中，该发明给出了一个用于驱动PC卡的系统。该系统包括一个可以控制至少两块独立的PC卡的控制器。该控制器能产生控制至少两个独立的PC卡的PC卡信号线，且多路复用选定的信号线从而该选定信号可以操控至少两个独立的PC卡。

在另一个典型实施例中，本发明给出了一种节省PC卡控制器集成电路的芯片空间的方法。该方法包括以下步骤：选择至少两种电源环路来给PC卡提供电源；重新排列集成电路的选定IO引脚；以及对选定引脚进行分组并连接到一种选定的电源环路上。

在另一个典型实施例中，本发明给出了另一种节省PC卡控制器集成电路的芯片空间的方法，该方法包括映射一个内部IDSEL信号到一条外部地址线。

本发明将参考PCI电源管理规范、PCI规范、迷你PCI规范以及PC卡标准。本领域的技术人员都熟悉这些工业标准，还有PCMCLA/SmartCard/CardBus中的标准和扩展卡技术，这些资料都会被认为是本发明的背景技术资料。

值得本领域的技术人员重视的是，虽然下面的详细描述是基于给出的较佳实施例及其使用方法，但是本发明并不仅仅局限于这些实施例和使用方法。反而，本发明涉及范围广泛，其范围仅由相应权利要求限定。

本发明的其他特征和优点将在下面的详细描述过程中得到充分体现，详细描述中请参照附图及其相关数据、部件标号。

附图说明

图1所示为一种提供两个独立的电源给芯片上的需要不同电压的输入/输出单元的常规方法。

图2所示为一个本发明重新对信号分组的实施例。

图3所示为一个支持同时工作的两个独立的PC卡插槽接口的常规PC卡控制器的框图。

图4所示为一个根据本发明的PC卡控制器的框图。

具体实施方式

在过去，PCI-CardBus控制器是设计用来支持PCI系统的。PCI系统是遵守PCI规范而设计的，该规范能支持10个以上的电负载，一些电负载可以是PCI插槽。PCI系统的电特性是灵活的可配置的。

用于增强的PCI-CardBus脚垫(footprint)的特定具体环境称为“迷你PCI母板环境”。迷你PCI规范为基于PCI的小版型产品，例如轻薄的笔记本电脑，定义了一个小版型连接器。和PCI母板一起，迷你PCI母板上的设备是设计在系统里面的，就是说，他们不会出现在扩展板上。母板上的设备可以按母板的特定寻址和配置方案来定制(例如SMBus配置和BIOS系统配置)，而这些在扩展板上都是没有的。PCI规范对PCI母板设备有不同的要求，这与那些在扩展板上的设备相对。例如，PCI规范的3.7.2部分定义了母板不同于扩展板的奇偶校验的要求。

IO泄漏：

INTA#、CLKRUN#和IRQSER信号，以及在迷你PCI环境中典型用到的信号，它们分别被发送到de-factor 144个引脚的QFP的引脚60、65和69，并且当把PCI总线电源去除的时候，通过这些信号就存在着典型的泄漏。本发明重新把这些信号分配到PCI总线电源分组中，使得这些信号可以由PCI总线电源输入对其停止供电，而不需要在该芯片上设计额外的电源环路。图2所示的是依据本发明对信号重新分组的典型实施例。图2表示图1中对信号重新分组是如何节省一种电源环路。如图所示，IO信号101、102和103都与PCI VCC电源100为一组，而IO信号104则与AUX VCC电源105为一组。当然，这只是一个典型实例，本领域的技术人员都知道，根据引脚的数量可以存在很多分组。所有的这些分组都被认为在本发明的精神范围之内。

电路板空间：

当采用正方形的封装且引脚间距为0.5毫米时，128个引脚的QFP封装是18毫米×18毫米，其比PCI-CardBus的144个引脚的de-factoQFP节省百分之十九的封装空间。本发明给出了一种简化引脚的PCI-CardBus设备。例如，本发明可以用在为简化的PCI-CardBus设备制作的128个引脚QFP。

该迷你PCI环境是一个可控制的环境。尽管PCI规范的3.2.2.3.5部分明确指出一种PCI设备“不能在地址线和内部IDSEL信号之间进行内部连接来节省一个引脚”，他们给出了主桥接器(host bridge)的一个例外。本发明详述了在这个例外中，一个可控制的迷你PCI环境中IDSEL映射被固定在母板设备的地址线上，因此该引脚就可以被去除。从而本发明给出了一个去除迷你PCI环境上的IDSEL引脚的装置，来实现本发明的128个引脚的PCI-CardBus设备。

一种去除IDSEL引脚的示范性方法包括的步骤有：在复位期间(即在PCI_RESET#有效期间并紧跟着几个PCI时钟)对VCCD0和VCCD1信号采样来决定IDSEL映射为一个AD 31:16信号。例如：

复位期间采样{VCCD0，VCCD1}

00-AD18作为IDSEL连接

01-AD20作为IDSEL连接

10-AD24作为IDSEL连接

11-AD25作为IDSEL连接

本领域的技术人员知道VCCD0和VCCD1信号是规范的一部分。在设计迷你PCI系统的阶段，PCI-CardBus设备的电源和接地的电特性是可被仔细的调整的。因此，为实现这些系统，可以用尽量少的电源和接地引脚。节省电源和接地引脚也是本发明实现128个引脚的PCI-CardBus设备的一个步骤。

在de-facto脚垫(footprint)中的一个不必要的特定的电源信号是VCCB信号，也称为SOCKET_VCC。该信号可以用来给IO单元供电或者根据CardBus的PC卡标准AC规范的5.3.2.1.2部分提供钳位保护。因此，本发明给出了一种PCI-CardBus设备，其要求CardBus电源与IO的PCI-CardBus电源是外部相连，从而去除VCCB引脚实现128个引脚的PCI-CardBus装置。

如今的迷你PCI系统可能只有一个或两个通过一些焊接连接的PCI插槽。本发明认为：当被用在迷你PCI环境中支持小于10个PCI插槽时，CardBus控制器可以设计得更经济高效。

如图3所示，常规的双插槽PC卡控制器300需要大量的信号来支持PC卡插槽A接口302和PC卡插槽B接口303同时工作。常规的双插槽PC卡控制器300为PC卡插槽A信号304和PC卡插槽B信号305提供独立的路径，这需要大量的输入和输出。PC卡标准给每个插槽定义了一个68引脚的接口。双插槽PC卡控制器300利用一个与双插槽PCMCIA电源切换设备301相连的控制信号组306把电源要求传达给PC卡插槽。电是从电源切换设备301经输出307和308来供给PC卡插槽的。

图4阐明了本发明的PC卡控制器的框图。在该实施例中，PC卡400复用两个PC卡插槽接口间的信号来消除同时工作。用这个控制器，PC卡控制器上的全部信号的数量就可以减少，节约了硅的成本和封装成本，并且节省了封装电路板空间。

当各自的插槽接口进行工作时，每个插槽上保持独立的信号才会被激活，这些信号被称为插槽控制信号：401和402。该插槽控制信号被看成是具有一定的协议，或者必须是相对于电用途(例如不同的电压需求)独立的一种插槽独立信号。在较佳实施例中，插槽控制信号是16位PCMCIA“芯片启动”信号、16位PCMCIA“数据”信号、CardBus“时钟”信号以及CardBus仲裁信号“REQ#”和“GNT#”。来自卡的16位PCMCIA输出被分类为控制信号，因为它们可以达到5伏的电平，这与CardBus3伏的电平是互不兼容的。

当PC卡插座A接口302或者PC卡插座B接口303工作时，共用信号403被激活。在较佳实施例中，该共用信号为PC卡标准所定义的16位PCMCIA“地址”信号或者CardBus“地址/数据”信号的最小值。共用信号403加上控制信号401和402构成了PC卡标准所定义的PC卡信号，如图3中的信号304和305。

为使一个双插槽PC卡控制器来实现上述的多路复用功能，有一些设计问题需要考虑。该设计可以包括早期检测插入事件(early-detectinsertion events)电路、设置两个插座接口或其中一个在挂起状态(例如不工作状态)电路、多路复用仲裁电路、和/或调节电源管理系统电路。这些电路没有在这里进行描述是因为它们对于理解本发明是不必须的。

早期检测插入事件可以保证当插入第二块PC卡时共用信号的信号属性。例如，如果当PC卡插座A302的第一块卡处于工作状态，再把第二块卡插入了PC卡插座B303里时，共用信号403可能在插入过程中和之后一段时期内处于一个未知状态，这是由于对传送至PC卡插槽B的共用信号电容上的电平未知，或者对放电的插槽B的电源308之间的连接未知。

解决这个问题的较佳方案是给改进的PC卡控制器400提供插入第二块卡的早期检测通知，把第一块PC卡插槽接口置于挂起状态，然后等待第二块PC卡插槽的电源被激活。电源可以由系统软件控制，或由与PC卡电源切换设备相连的PC卡控制器的控制信号306自动控制。

该较最佳早期检测通知是利用PC卡连接器的VCC/GND引脚的PC卡标准引脚长度定义来实现的。PC卡标准的“物理规范”中的4.2部分给出68个引脚的PC卡连接器的引脚长度的定义。电源/接地引脚比通用信号的引脚要长0.75毫米。只要共用信号403落入了依据PC卡标准的“通用”信号的范畴，则对电源/接地连接的识别就能给出早期检测通知。这种识别是通过给带一个上拉电阻的改进PC卡控制器一个输入信号而解决的，该输入信号和连接在68个引脚连接器的地信号相连，当一块PC卡被插入并和该连接器连接时(例如加长0.75毫米的电源/接地引脚接通)输入信号就被接地；否则该输入信号会被拉至一个高逻辑电平。

把一块卡设置在“挂起”状态的方法取决于插入的PC卡的类型。对于CardBus卡而言，可以通过运行依据PCI和CardBus协议规范的主卡启动(master-initiated)终端协议之一来使卡目标(card-target)工作处于挂起状态。通过使连接到CardBus卡的总线信号GNT#无效，并运行一个依据PCI和CardBus协议规范的目标启动(target-initiated)终端协议之一，来使CardBus卡-主卡(card-master)工作处于挂起状态。另外，CardBus时钟信号在挂起状态下可能被停止。

对于16位PCMCIA卡而言，依据PC卡规范，该卡一直作为一个目标卡。对16位PCMCIA的操作是由PC卡控制器高度控制的，并且可以通过使芯片使能信号无效而被PC卡控制器早期结束。该芯片使能信号在挂起期间可能保持无效。

控制器400也可以在两个PC卡插槽之间进行仲裁。通常情况下，多路复用接口使用的仲裁取决于插入的PC卡的类型。其中一个方法是用传统的时分复用方案，该方案允许一个插槽先工作，然后再允许第二个插槽工作，等等。较佳的仲裁方案是用CardBus卡的REQ#信号来识别CardBus卡的卡启动(card-initiated)工作要求。对于16位的PCMCIA卡和CardBus目标环路而言，PC卡控制器启动了这些工作，并且更适宜用一种公平的仲裁方法来启动这些工作。

为了调节电源管理系统，当任意一个插槽工作时，两个插槽都应该供电。一些系统在插槽的中PC卡不工作时便会关掉该插槽的电源。这就是电源管理系统。用在改进的PC卡控制器400中的电路可以用来在任意一个插槽工作时，保持对两个插槽供电。这可以通过拒绝主系统断电的要求、忽略软件供电需求以及通过用PC卡电源切换控制接口306直接控制供电来实现。在该最佳实施例中，当一块卡被插入时，改进的PC卡控制器400自动给PC卡插槽供电，当PC卡被拔去时自动从这个插槽上断电，并且忽略主系统软件的供电需求。

该发明包括下述特性的一个或几个：

A)为把CardBus电源接到CORE_VCC电源环路上，外部连接3伏电源到PCMCIA切换器，从而给PCI-CardBus设备的CardBus IO驱动器供电，在符合PC卡标准AC规范的第5.3.2.1.2节的同时消除对VCCB(也称为SOCKET_VCC)的需求。

B)减少通过MF引脚的泄漏，通过重新分配PCI电源分组的引脚和消除制作双电源环路增加的死区成本来提供PCI功能。

C)使一个常规用途的PCI-CardBus设备适合于迷你PCI母板系统的功能平台，减少电源/接地需求和一些引脚功能，并且在母板环境下可以控制的特定的条件下以128个引脚封装。

D)为配置PCI_AD31:16信号与一个PCI设备的IDSEL信号的内部连结，在VCCD0和VCCD1信号上提供一个上拉/下拉配置选项。

E)用一个双插槽PC卡控制器来多路复用PC卡“共用信号”，因此可以减少PC卡控制器的信号数量。因为复用而减少信号数量会提供较小脚垫(footprint)的封装方法。

本领域的技术人员知道许多对本发明的改进。例如，前述的详细描述中给出了一种简化的CardBus控制器。但是，本领域的技术人员还知道本发明可以用于其他扩展卡技术，包括SmartCard，PCMCIA和/或其他新出现的扩展技术例如闪存设备(例如，Memory Stick，SecureDigital，CompactFlash)，和/或其他的扩展技术。同样，本发明还给出了减轻IO泄漏问题、减少电路板空间引脚数量的具体方法。但是，这些具体例子都被认为遵循其中阐述的原理来减少其它的信号。所有的这些改进都认为是在本发明的精神之内，都受限于本发明的权利要求。

Claims (12)

1.一种用于驱动PC卡的系统，其特征在于：所述系统包括一个能控制至少两个独立PC卡的控制器，所述控制器产生用于控制所述至少两独立PC卡的PC卡信号线、并且用于多路复用选定的所述信号线，所述选定信号可操控所述至少两独立PC卡。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多路复用信号为所述至少两个PC卡的共用信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括一个电源切换器，当至少其中一个所述PC卡存在时，所述控制器产生一个控制信号给所述电源切换器，所述电源切换器给所述至少PC卡供电。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括至少两个PC卡插槽，所述PC卡插槽能接收各自的所述至少两个PC卡之一。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述选定信号包括当所述PC卡中的一个处于工作状态时被激活的信号。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述选定信号包括PC卡标准所定义的16位PCMCIA地址信号。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述选定信号包括PC卡标准所定义的CardBus(32位)地址/数据信号。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述控制器还产生用于操控所述每一个PC卡的插槽控制信号。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述插槽控制信号从16位PCMCIA芯片启动信号、16位PCMCIA数据信号、CardBus时钟信号以及CardBus仲裁信号REQ#和GNT#信号组中选出。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述控制器还包括给第二PC卡的存在提供早期检测通知的早期检测电路，所述早期检测电路还把第一PC卡设置于挂起状态，并等待一个电源来激活第二PC卡。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括用于仲裁所述至少两个PC卡的控制工作的仲裁电路。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括电源管理电路，所述电源管理电路控制至少两个PC卡的供电。

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