嵌入式系統(tǒng)的電路板標準

由于有限的預(yù)算和縮短的計劃周期，迫使設(shè)計團隊在中小批量的高性能嵌入項目中，例如醫(yī)療儀器、軍用系統(tǒng)、通信安裝以及過程自動化等，避免采用專有設(shè)計而采用開放標準。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，并能滿足當前項目的要求，并在數(shù)據(jù)速率和加工需求上有預(yù)期可更新的大量擴展能力的標準。今天的板級標準名目繁多，包括VMEbus、PCI、CompactPCI、PC/104和 AdvancedTCA（先進電信計算架構(gòu)），還有一系列獨立模塊和子卡的標準。每種標準都針對不同的用戶群，并有一個行業(yè)團體的支持，該團體負責伴隨性能預(yù)期的進步而對規(guī)范作修改和擴展，保持其可行性。

嵌入系統(tǒng)設(shè)計者采用開放標準，確保預(yù)設(shè)計的現(xiàn)成系統(tǒng)元件有充裕的選擇余地，至少能滿足每個新項目中的一部分要求。開放標準使設(shè)計者能夠從任何供應(yīng)商采購到部件，并確保軟硬件的互操作性。基于標準的系統(tǒng)機箱、處理器卡、外設(shè)和現(xiàn)成的用戶接口都可以將一個典型的嵌入系統(tǒng)項目降低到很少或無需硬件設(shè)計和專用軟件。行業(yè)標準提供對兼容操作系統(tǒng)、供應(yīng)商提供的驅(qū)動程序以及試樣源碼的訪問，從而方便了軟件開發(fā)工作。電路板標準還消除了要獲得最佳冷卻性能和機械校正所需的試錯式重復(fù)設(shè)計。
　　
雖然電路板標準試圖吸引嵌入系統(tǒng)業(yè)的主要部分，但在規(guī)范發(fā)展與認證過程中仍存在固有問題?？傮w而言，標準化組織對技術(shù)的發(fā)展響應(yīng)太慢，因為他們必須等待成員達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)量會使業(yè)界迷惑，降低可互操作產(chǎn)品的可能性。例如，AdvancedTCA 標準有多個串行數(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開發(fā)獨特設(shè)計以適應(yīng)多種選項，但業(yè)界未能選定一種或兩種交換結(jié)構(gòu)技術(shù)，這可能會損害到COTS（商業(yè)現(xiàn)貨）產(chǎn)品的不斷成功。



老當益壯

標準化組織在升級或擴展電路板規(guī)范的性能水平時，還必須面對與傳統(tǒng)兼容性的問題。設(shè)計者希望有大量兼容的電路板可選，但標準的一次重大升級會造成大批產(chǎn)品與新硬件無法互操作。通常，多數(shù)標準允許你用不重疊的卡邊沿連接器，或能為每個版本提供一些插槽的特殊背板，將新、舊技術(shù)同時用于同一系統(tǒng)中。例如，VMEbus 標準是現(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。標準還必須解決長期的可獲性問題，這是對高性能嵌入產(chǎn)品的一項基本要求。盡管臺式機部件的平均壽命大約為18個月，但用戶期望典型的嵌入產(chǎn)品能在五年或更長時間內(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在一個堅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)計算機制造小組）控制著CompactPCI規(guī)范，它基于定義了3U和6U板尺寸的Eurocard工業(yè)標準。比較常用的6U 板在卡后方有多達五個連接器，兩個用于 CompactPCI 總線，其余三個用于可選用戶定義 I/O 連接。通過一系列針對高性能應(yīng)用的更新，PICMG 擴展了 CompactPCI 規(guī)范，使之包含了一個分組交換背板，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)動軟件的兼容性?；镜腜CIe連接包含兩個信號路徑，采用LVDS（低壓差分信令）和恒流線驅(qū)動器，能在每個方向上實現(xiàn)5Gbps的通信。簡單地增加信號對（或通道）即可增加單個 PCIe連接的帶寬，直至達到所需性能水平。MEN Micro 提供一種3U CompactPCI Express 單板機，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PCIe通道，以及兩個 SATA（串行先進技術(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4GB高速DDR2 DRAM。前面板上的標準I/O包括一個 VGA 連接器、兩個用PCIe連接的千兆位以太網(wǎng)接口，以及兩個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準可用性。MEN Micro提供對 Windows、Linux、VxWorks和QNX 的電路板支持包。F17 的價格為 2920 美元。

從頭開始

另一個為各種應(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，其中每個插槽都與其它任一插槽直接連接。

為實現(xiàn)高性能應(yīng)用的最多用途，AdvancedTCA設(shè)計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（先進中間卡）標準為設(shè)計者提供一種可熱插拔、可現(xiàn)場更換的模塊，以降低維護成本和減少停機時間。AdvancedMC模塊具有遠程管理與交換結(jié)構(gòu)技術(shù)的特點，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）的一個子集。這種管理接口規(guī)范可以用本地和遠程監(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 1.8 GHz 頻率下的低功耗處理器，2MB Level 2 緩存，高達 2GB的帶 ECC（糾錯碼）的DDR SDRAM，一個USB2.0接口，以及一個前面板的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)控并遠程控制模塊。KosaiPM 亦可熱插拔，降低了備件成本和平均維修時間。

 

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提供帶一個背板的獨立機箱，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，它將一個最小MicroTCA系統(tǒng)定義為多個互聯(lián)部件的集合，其中包含至少一個 AdvancedMC模塊、至少一個 MicroTCA承載集線器、一個電源模塊，以及支持它們所必需的互連、冷卻和機械資源。一個 MicroTCA 承載集線器組合有控制與管理架構(gòu)，以及在單個模塊中支持多達12個 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 AdvancedMC模塊提供有效負載電源。舉例來說，一個典型的 MicroTCA 系統(tǒng)包括多達12個AdvancedMC、一個或兩個承載集線器、多個電源模塊、負載共享、冷卻子系統(tǒng)、一個背板互連以及機械部件（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機架，它在單個模塊、全尺寸格式中帶有一個14 槽雙星形背板。背板提供10個AdvancedMC、兩個電源模塊以及兩個 MicroTCA承載集線器槽（圖4）。三只插入式風扇托盤帶有空氣過濾裝置，提供冷卻功能。5U MicroTCA 機架的價格按照不同選項，起價低于2000美元。



無論一個標準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：一個穩(wěn)定而開放的規(guī)范，它可以使不同制造商提供先進技術(shù)的電路板，這些電路板可以共同運行，以獲得盡可能低的價格。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項目的萬能開放標準，而且今后永遠也不可能出現(xiàn)。隨著電子技術(shù)繼續(xù)遵循摩爾定律，你會看到標準在穩(wěn)步地更新，并且還會出現(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間和巨額預(yù)算的自創(chuàng)式專有設(shè)計。

附文：堆疊型尋求新方向

電路板標準會轉(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 標準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)盟已將標準更新為包含 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 信號才能運行。PC/104 在嵌入系統(tǒng)設(shè)計者之間很流行，因為它不需要背板，可以像積木一樣堆疊模塊。每個模塊尺寸  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，它最近開始了一項活動，即建立一個全新的可堆疊架構(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。StackableUSB支持多達16種外設(shè)板，有USB即插即用的優(yōu)點，用內(nèi)置穿透式連接器消除了電纜。為了鼓勵各家供應(yīng)商的支持，Micro/sys已推出了一個CPU板和一個通用I/O卡。USB148 I/O模塊（圖 A）可提供 48 個數(shù)字 TTL I/O 線，還有三個16位定時器/計數(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，它運行在48 MHz，集成了很多外設(shè)，如10位 A/D轉(zhuǎn)換器、兩個UART以及其它用戶可用外設(shè)。Micro/sys 提供一個預(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 起價為 125 美元（單只）。你可以跟蹤 StackableUSB 標準的進展。