嵌入式系統(tǒng)的電路板標(biāo)準(zhǔn)

由于有限的預(yù)算和縮短的計(jì)劃周期，迫使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在中小批量的高性能嵌入項(xiàng)目中，例如醫(yī)療儀器、軍用系統(tǒng)、通信安裝以及過程自動(dòng)化等，避免采用專有設(shè)計(jì)而采用開放標(biāo)準(zhǔn)。他們面臨的挑戰(zhàn)是選擇一種可以提供性能、外形尺寸和成本優(yōu)勢，并能滿足當(dāng)前項(xiàng)目的要求，并在數(shù)據(jù)速率和加工需求上有預(yù)期可更新的大量擴(kuò)展能力的標(biāo)準(zhǔn)。今天的板級標(biāo)準(zhǔn)名目繁多，包括VMEbus、PCI、CompactPCI、PC/104和 AdvancedTCA（先進(jìn)電信計(jì)算架構(gòu)），還有一系列獨(dú)立模塊和子卡的標(biāo)準(zhǔn)。每種標(biāo)準(zhǔn)都針對不同的用戶群，并有一個(gè)行業(yè)團(tuán)體的支持，該團(tuán)體負(fù)責(zé)伴隨性能預(yù)期的進(jìn)步而對規(guī)范作修改和擴(kuò)展，保持其可行性。

嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者采用開放標(biāo)準(zhǔn)，確保預(yù)設(shè)計(jì)的現(xiàn)成系統(tǒng)元件有充裕的選擇余地，至少能滿足每個(gè)新項(xiàng)目中的一部分要求。開放標(biāo)準(zhǔn)使設(shè)計(jì)者能夠從任何供應(yīng)商采購到部件，并確保軟硬件的互操作性?；跇?biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)機(jī)箱、處理器卡、外設(shè)和現(xiàn)成的用戶接口都可以將一個(gè)典型的嵌入系統(tǒng)項(xiàng)目降低到很少或無需硬件設(shè)計(jì)和專用軟件。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供對兼容操作系統(tǒng)、供應(yīng)商提供的驅(qū)動(dòng)程序以及試樣源碼的訪問，從而方便了軟件開發(fā)工作。電路板標(biāo)準(zhǔn)還消除了要獲得最佳冷卻性能和機(jī)械校正所需的試錯(cuò)式重復(fù)設(shè)計(jì)。
　　
雖然電路板標(biāo)準(zhǔn)試圖吸引嵌入系統(tǒng)業(yè)的主要部分，但在規(guī)范發(fā)展與認(rèn)證過程中仍存在固有問題?？傮w而言，標(biāo)準(zhǔn)化組織對技術(shù)的發(fā)展響應(yīng)太慢，因?yàn)樗麄儽仨毜却蓡T達(dá)成一致才能最終更新。然而，如果他們試圖跟上早期的變化，選擇的數(shù)量會(huì)使業(yè)界迷惑，降低可互操作產(chǎn)品的可能性。例如，AdvancedTCA 標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)串行數(shù)據(jù)交換替代方案，包括以太網(wǎng)、FibreChannel、InfiniBand、StarFabric、PCIe（PCI Express），和 RapidIO。雖然有些電路板廠商會(huì)開發(fā)獨(dú)特設(shè)計(jì)以適應(yīng)多種選項(xiàng)，但業(yè)界未能選定一種或兩種交換結(jié)構(gòu)技術(shù)，這可能會(huì)損害到COTS（商業(yè)現(xiàn)貨）產(chǎn)品的不斷成功。



老當(dāng)益壯

標(biāo)準(zhǔn)化組織在升級或擴(kuò)展電路板規(guī)范的性能水平時(shí)，還必須面對與傳統(tǒng)兼容性的問題。設(shè)計(jì)者希望有大量兼容的電路板可選，但標(biāo)準(zhǔn)的一次重大升級會(huì)造成大批產(chǎn)品與新硬件無法互操作。通常，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許你用不重疊的卡邊沿連接器，或能為每個(gè)版本提供一些插槽的特殊背板，將新、舊技術(shù)同時(shí)用于同一系統(tǒng)中。例如，VMEbus 標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)行最老的嵌入系統(tǒng)架構(gòu)，但多數(shù)早期產(chǎn)品仍能與最新產(chǎn)品兼容。標(biāo)準(zhǔn)還必須解決長期的可獲性問題，這是對高性能嵌入產(chǎn)品的一項(xiàng)基本要求。盡管臺式機(jī)部件的平均壽命大約為18個(gè)月，但用戶期望典型的嵌入產(chǎn)品能在五年或更長時(shí)間內(nèi)保持服務(wù)。

CompactPCI亦有一種尋找正確特性組合的更新史，為的是滿足多數(shù)嵌入系統(tǒng)領(lǐng)域的要求。CompactPCI在一個(gè)堅(jiān)固的外殼中封裝了低成本、基于PCI的臺式硬件，使嵌入系統(tǒng)開發(fā)者能夠使用現(xiàn)成的硅片和臺式軟件程序。PICMG（PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造小組）控制著CompactPCI規(guī)范，它基于定義了3U和6U板尺寸的Eurocard工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。比較常用的6U 板在卡后方有多達(dá)五個(gè)連接器，兩個(gè)用于 CompactPCI 總線，其余三個(gè)用于可選用戶定義 I/O 連接。通過一系列針對高性能應(yīng)用的更新，PICMG 擴(kuò)展了 CompactPCI 規(guī)范，使之包含了一個(gè)分組交換背板，為用戶定義管腳增加了雙重交換的 10/100/1000 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

近來，PICMG 跟蹤著臺式技術(shù)的發(fā)展，在 CompactPCI 規(guī)范中加入了PCIe。CompactPCI Express 提供可比例縮放的高帶寬數(shù)據(jù)路徑、分組式數(shù)據(jù)協(xié)議，以及與PCI硬件和驅(qū)動(dòng)軟件的兼容性。基本的PCIe連接包含兩個(gè)信號路徑，采用LVDS（低壓差分信令）和恒流線驅(qū)動(dòng)器，能在每個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)5Gbps的通信。簡單地增加信號對（或通道）即可增加單個(gè) PCIe連接的帶寬，直至達(dá)到所需性能水平。MEN Micro 提供一種3U CompactPCI Express 單板機(jī)，它使用英特爾2.16GHz Core 2 Duo處理器（圖 1）。 MEN Micro的F17采用英特爾的 Mobile 945GM Express 芯片組，帶有六個(gè)PCIe通道，以及兩個(gè) SATA（串行先進(jìn)技術(shù)連接）線。該板的內(nèi)存包括 Core 2 Duo中集成的 4MB L2 緩存，以及多達(dá)4GB高速DDR2 DRAM。前面板上的標(biāo)準(zhǔn)I/O包括一個(gè) VGA 連接器、兩個(gè)用PCIe連接的千兆位以太網(wǎng)接口，以及兩個(gè)USB2.0端口。由于采用了英特爾嵌入系統(tǒng)產(chǎn)品系列的元件，F(xiàn)17可保證最少五年的標(biāo)準(zhǔn)可用性。MEN Micro提供對 Windows、Linux、VxWorks和QNX 的電路板支持包。F17 的價(jià)格為 2920 美元。

從頭開始

另一個(gè)為各種應(yīng)用尋找完美架構(gòu)的方案是從頭開始，建立一種新的規(guī)范，在其上采用最新技術(shù)，而不考慮傳統(tǒng)產(chǎn)品。例如，AdvancedTCA于2003 年開始出現(xiàn)，它建立了一套全新的電路板、背板和軟件規(guī)范，用于下一代電信設(shè)備。AdvancedTCA有較大的外形尺寸、高可用特性以及高速交換互連結(jié)構(gòu)，它希望成為電信業(yè)中大量專有設(shè)備的一種可行的現(xiàn)貨替代品。AdvancedTCA規(guī)范為所有電路板和有源模塊提供熱插拔能力，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)甚至超過所謂的“五個(gè)9”可用性（99.999%）。結(jié)構(gòu)化接口提供一種全網(wǎng)格互連，其中每個(gè)插槽都與其它任一插槽直接連接。

為實(shí)現(xiàn)高性能應(yīng)用的最多用途，AdvancedTCA設(shè)計(jì)者增加了可更換的插入模塊或有很多相同特性的子卡作為基本架構(gòu)。形成的 AdvancedMC（先進(jìn)中間卡）標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)者提供一種可熱插拔、可現(xiàn)場更換的模塊，以降低維護(hù)成本和減少停機(jī)時(shí)間。AdvancedMC模塊具有遠(yuǎn)程管理與交換結(jié)構(gòu)技術(shù)的特點(diǎn)，外形尺寸約為 3英寸×7英寸。模塊以單尺寸或雙尺寸與緊湊、中等和全尺寸面板相配置。AdvancedMC使用了 AdvancedTCA載卡所需IPMI（智能平臺管理接口）的一個(gè)子集。這種管理接口規(guī)范可以用本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備作電源管理、冷卻、電子鎖和熱插拔處理。

Emerson Network Power（前身是 Artesyn Communication Products）最近宣布了一個(gè)采用基于英特爾 Pentium M處理器的AdvancedMC模塊KosaiPM（圖2）。該模塊提供各種應(yīng)用所需的局部馬力，如協(xié)議處理、分組處理、數(shù)據(jù)管理以及I/O管理等。該模塊具有工作在高達(dá) 1.8 GHz 頻率下的低功耗處理器，2MB Level 2 緩存，高達(dá) 2GB的帶 ECC（糾錯(cuò)碼）的DDR SDRAM，一個(gè)USB2.0接口，以及一個(gè)前面板的RS-232接口。為支持卡內(nèi)外的高速分組數(shù)據(jù)傳輸，KosaiPM同時(shí)采用PCIe和雙千兆位以太網(wǎng)接口與底板連接。KosaiPM 還使用基于I2C的IPMI，可以監(jiān)控并遠(yuǎn)程控制模塊。KosaiPM 亦可熱插拔，降低了備件成本和平均維修時(shí)間。

 

由于有AdvancedMC的大功率、熱插拔、交換結(jié)構(gòu)以及管理功能，設(shè)計(jì)者可以考慮將這些模塊直接插入到一塊背板，構(gòu)成小型獨(dú)立系統(tǒng)。經(jīng)過業(yè)界一致的不懈努力，PICMG在2006年7月公布了MicroTCA規(guī)范。MicroTCA提供帶一個(gè)背板的獨(dú)立機(jī)箱，它可以直接接納AdvancedMC卡，因此無需AdvancedTCA的載板。較小的外形尺寸使它更可用于電信中的低預(yù)算的應(yīng)用以及各種嵌入系統(tǒng)項(xiàng)目。



PICMG網(wǎng)站上還出現(xiàn)了 MicroTCA 規(guī)范的短格式版本，它將一個(gè)最小MicroTCA系統(tǒng)定義為多個(gè)互聯(lián)部件的集合，其中包含至少一個(gè) AdvancedMC模塊、至少一個(gè) MicroTCA承載集線器、一個(gè)電源模塊，以及支持它們所必需的互連、冷卻和機(jī)械資源。一個(gè) MicroTCA 承載集線器組合有控制與管理架構(gòu)，以及在單個(gè)模塊中支持多達(dá)12個(gè) AdvancedMC 所需的互連結(jié)構(gòu)資源。Micro TCA電源模塊獲得輸入電源，將其轉(zhuǎn)換為12V，為每個(gè) AdvancedMC模塊提供有效負(fù)載電源。舉例來說，一個(gè)典型的 MicroTCA 系統(tǒng)包括多達(dá)12個(gè)AdvancedMC、一個(gè)或兩個(gè)承載集線器、多個(gè)電源模塊、負(fù)載共享、冷卻子系統(tǒng)、一個(gè)背板互連以及機(jī)械部件（圖3）。有源元件可以加倍，以提供冗余性。Elma Electronic最近推出了一款新的5U MicroTCA機(jī)架，它在單個(gè)模塊、全尺寸格式中帶有一個(gè)14 槽雙星形背板。背板提供10個(gè)AdvancedMC、兩個(gè)電源模塊以及兩個(gè) MicroTCA承載集線器槽（圖4）。三只插入式風(fēng)扇托盤帶有空氣過濾裝置，提供冷卻功能。5U MicroTCA 機(jī)架的價(jià)格按照不同選項(xiàng)，起價(jià)低于2000美元。



無論一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是來自以前版本還是從頭開發(fā)，開發(fā)者都在尋求相同的東西：一個(gè)穩(wěn)定而開放的規(guī)范，它可以使不同制造商提供先進(jìn)技術(shù)的電路板，這些電路板可以共同運(yùn)行，以獲得盡可能低的價(jià)格。大量已有 COTS 板的供給是高性能、嵌入系統(tǒng)開發(fā)過程的關(guān)鍵。正如嵌入系統(tǒng)開發(fā) 者所言，不存在可以適用每個(gè)項(xiàng)目的萬能開放標(biāo)準(zhǔn)，而且今后永遠(yuǎn)也不可能出現(xiàn)。隨著電子技術(shù)繼續(xù)遵循摩爾定律，你會(huì)看到標(biāo)準(zhǔn)在穩(wěn)步地更新，并且還會(huì)出現(xiàn)很多全新的思路（見附文“堆疊型尋求新方向”）。另一種替代方案是回到過去，即那種有漫長研制時(shí)間和巨額預(yù)算的自創(chuàng)式專有設(shè)計(jì)。

附文：堆疊型尋求新方向

電路板標(biāo)準(zhǔn)會(huì)轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)最新的系統(tǒng)需求，或者慢慢銷聲匿跡，像 S-100 總線或 Multibus。PC/104 標(biāo)準(zhǔn)最近一直在掙扎著應(yīng)付 ISA總線硅片的消亡。雖然 PC/104 聯(lián)盟已將標(biāo)準(zhǔn)更新為包含 PCI 總線（PC/104-Plus），然后刪掉了 ISA 總線（PCI-104），但多數(shù)現(xiàn)成電路板仍需要 ISA 信號才能運(yùn)行。PC/104 在嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者之間很流行，因?yàn)樗恍枰嘲澹梢韵穹e木一樣堆疊模塊。每個(gè)模塊尺寸  3.55英寸 × 3.775英寸，拐角有安裝孔，可以用支座作板間固定。



Micro/sys 是一家長期的 PC/104 供應(yīng)商，它最近開始了一項(xiàng)活動(dòng)，即建立一個(gè)全新的可堆疊架構(gòu)，外形尺寸借自 PC/104。新架構(gòu)使用一個(gè)更現(xiàn)代的通信協(xié)議 USB，但保留了 PC/104 的尺寸和堆疊優(yōu)點(diǎn)。StackableUSB支持多達(dá)16種外設(shè)板，有USB即插即用的優(yōu)點(diǎn)，用內(nèi)置穿透式連接器消除了電纜。為了鼓勵(lì)各家供應(yīng)商的支持，Micro/sys已推出了一個(gè)CPU板和一個(gè)通用I/O卡。USB148 I/O模塊（圖 A）可提供 48 個(gè)數(shù)字 TTL I/O 線，還有三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。所有分離I/O 線都可以通過軟件編程上拉或下拉。USB148的核心是一只 8051兼容微控制器單元，它運(yùn)行在48 MHz，集成了很多外設(shè)，如10位 A/D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)UART以及其它用戶可用外設(shè)。Micro/sys 提供一個(gè)預(yù)定義的協(xié)議，用于通過 USB 輸送數(shù)據(jù)，因此用戶無需開發(fā)微控制器代碼。USB148 起價(jià)為 125 美元（單只）。你可以跟蹤 StackableUSB 標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展。