CompactPCI-Express系統在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展

　　1 CompactPCI-Express發(fā)展現狀

　　CompactPCI規范成熟之后，產(chǎn)品應用不斷拓寬，同時(shí)，CompactPCI性能、帶寬等問(wèn)題也日益凸顯。2005年，CompactPCI-Express規范誕生，此規范的主要目的在于促進(jìn)CompactPCI在軍事防御與航空航天市場(chǎng)的發(fā)展。時(shí)至今日，CompactPCI-Express并沒(méi)有像想象中那樣快速發(fā)展，國內外僅有少數幾家廠(chǎng)商少量研發(fā)生產(chǎn)CompactPCI-Express產(chǎn)品，并且集中在3U簡(jiǎn)單系統方面，很少涉及6U CompactPCI-Express大型系統開(kāi)發(fā)。CompactPCI-Express優(yōu)勢明顯，為何未能在過(guò)去三年中得到大規模的應用?其應用模式是否將轉換?它在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展前景如何?

　　2 CompactPCI-Express核心技術(shù)

　　CompactPCI-Express采用串行數據傳輸機制，將110根CompactPCI并行數據地址線(xiàn)、控制線(xiàn)、仲裁線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)、系統復位線(xiàn)、中斷線(xiàn)減少到4根差分傳輸線(xiàn)，且串行機制中包括PCI-Express所有通信協(xié)議?？偩€(xiàn)數量的將少，使得產(chǎn)品化過(guò)程中的PCB制作、布線(xiàn)變得更容易。同時(shí)，CompactPCI-Express背板FR4 PCB布線(xiàn)可達50厘米，而CompactPCI卻局限于PCB布線(xiàn)長(cháng)度、PCI橋擴展機制的影響。所以，CompactPCI-Expres在系統設計難度、擴展性方面勝于CompactPCI。

　　CompactPCI-Express板間互聯(lián)采用Link點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)接，每一個(gè)Link可由X1、X2、X4、X8、X16個(gè)Lane聯(lián)接，每一個(gè)Lane由一對TX差分信號對和一對RX差分信號對組成，數據雙向傳輸。X1 Lane單向速度為250Mbytes/s，雙向即為500Mbytes/s，而傳統的33MHz/32Bit CompactPCI 總線(xiàn)僅為132 Mbytes/s。CompactPCI-Express采用點(diǎn)對點(diǎn)的互聯(lián)，CompactPCI則是共享總線(xiàn)帶寬，這樣，CompactPCI-Express速度優(yōu)勢更為明顯。另外，CompactPCI-Express高速信號ADF差分連接器性能優(yōu)于CompactPCI 2mm HM連接器，進(jìn)一步增強系統傳輸性能。

　　CompactPCI-Express系統還具備熱插拔、IPMI系統管理功能。熱插拔增強了系統的可維護性，是工控產(chǎn)品經(jīng)久不衰的特性。IPMI在A(yíng)TCA、MTCA、服務(wù)器等產(chǎn)品方面應用廣泛，側重于電信領(lǐng)域，在工控領(lǐng)域不會(huì )得到大規模的實(shí)際應用!

　　鑒于以上分析，CompactPCI-Express最核心、最適用的技術(shù)既是：擴展性能強、傳輸性能高、可熱插拔、設計難度低!

　　3 CompactPCI-Express為何未能得到大規模應用?

　　CompactPCI最早主要用于電信，伴隨著(zhù)電信領(lǐng)域對產(chǎn)品性能、數據傳輸帶寬的高要求，CompactPCI應用減少，而ATCA規范得到發(fā)展，并逐漸在電信骨干網(wǎng)、核心網(wǎng)、接入網(wǎng)中得到大規模的應用。CompactPCI-Express雖然充分利用了PCI-Express的速度，但是CPCI架構的板卡尺寸、供電能力不足以滿(mǎn)足高性能、大功耗要求，因此，對于2005年以后的電信硬件平臺，ATCA規范的產(chǎn)品得到大力發(fā)展，CompactPCI-Express卻是風(fēng)平浪靜!ATCA、MTCA的誕生，基本上使得CompactPCI-Express從電信領(lǐng)域出局，僅能占據少量的電信設備邊緣市場(chǎng)，比如，僅有少數廠(chǎng)家用CompactPCI-Express做CTI語(yǔ)音業(yè)務(wù)。

　　同時(shí)，工控領(lǐng)域產(chǎn)品種類(lèi)多，產(chǎn)品生命周期較長(cháng)，新技術(shù)的采用也有一個(gè)較長(cháng)的過(guò)程。CompactPCI-Express產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應用，不僅需要基礎平臺(機箱、背板、主控板)開(kāi)發(fā)商大力推崇，還需CompactPCI-Express IO卡(擴展卡、應用卡)開(kāi)發(fā)商積極參與，缺少任何一個(gè)環(huán)節，CompactPCI-Express都無(wú)法得到產(chǎn)品化。目前，基礎平臺商想開(kāi)發(fā)CompactPCI-Express而擔心投資回報，IO卡廠(chǎng)家作為中間環(huán)節而處于觀(guān)望中，終端客戶(hù)的各廠(chǎng)家、科研院所看好CompactPCI-Express，礙于已有產(chǎn)品技術(shù)的穩定，叫好不叫座!

　　值得欣慰的是，工控行業(yè)的上下游廠(chǎng)商對CompactPCI-Express產(chǎn)品應用的討論越來(lái)越多，國內某些科研所也投資開(kāi)發(fā)CompactPCI-Express產(chǎn)品，所以，現在的形勢需要我們重新思考和定位CompactPCI-Express。

　　4 工控領(lǐng)域CompactPCI-Expres特種計算機系統的應用特性。

　　CompactPCI產(chǎn)品具備眾多優(yōu)點(diǎn)，如熱插拔、加固、防震、防腐蝕、易擴展等等，CompactPCI-Express保留了CompactPCI的優(yōu)點(diǎn)并且提高了傳輸帶寬。另外，基于CompactPCI-Express背板系統的板間互聯(lián)，各個(gè)模塊在本質(zhì)上屬于同一個(gè)計算機系統，板間互聯(lián)通訊僅需要各個(gè)模塊的驅動(dòng)程序、不需要任何其他協(xié)議。這是CompactPCI-Express特種計算機系統的主要特性。

　　從應用上講，PICMG為CompactPCI-Express系統定義了多種槽位，如Type1、Type2、Hybrid混合槽、傳統CompactPCI槽，這樣一來(lái)，整個(gè)CompactPCI-Express系統有多種槽位配置。經(jīng)調查，用戶(hù)的應用大都在于Type1、Type2共存系統，購買(mǎi)CompactPCI-Express混合系統著(zhù)實(shí)有些浪費，僅某些科研所用混合槽系統作測試設備。目前，國內外商家開(kāi)發(fā)的CompactPCI-Express系統大都是混合槽系統，可見(jiàn)，設備制造商對用戶(hù)需求的理解有失偏頗!

　　從另一個(gè)角看，設備制造商產(chǎn)品開(kāi)發(fā)遵從行業(yè)規范，3年前PICMG協(xié)會(huì )為了兼容傳統的CompactPCI板卡，從理論上定義多種槽位CompactPCI-Express系統，間接導致了設備制造商在產(chǎn)品化CompactPCI-Express系統時(shí)的迷茫!

　　鑒于此，重新定位CompactPCI Expres，發(fā)展純Type1/Type2 CompactPCI-Express系統符合主流市場(chǎng)需求，并能更好地推動(dòng)CompactPCI-Express產(chǎn)品化。下面是研祥預研的6U Type1/ Type2 CompactPCI-Express系統架構：

　　6U系統是CompactPCI-Express今后的主要發(fā)展方向。相比于3U系統它能充分發(fā)揮CompactPCI-Express的性能優(yōu)勢。

　　5 CompactPCI-Express系統發(fā)展前景

　　工業(yè)化程度的提高，必然要求工控機諸多性能的提高，工控特種計算機行業(yè)在不久的將來(lái)必然有一場(chǎng)產(chǎn)品變革。傳統IPC、EIP促進(jìn)了第二代工控機的大力發(fā)展，而今，其缺點(diǎn)正是CompactPCI工控機的優(yōu)點(diǎn)，比如：熱插拔、加固、防震、防腐蝕、易擴展等特性。由此可見(jiàn)，CompactPCI將主導第三代工控機的發(fā)展。

　　在計算機的體系結構技術(shù)中, 計算機I /O 技術(shù)始終是一個(gè)十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。其技術(shù)特性決定了計算機I /O 處理能力, 進(jìn)而決定了計算機的整體性能以及應用環(huán)境。從根本上講,無(wú)論現在還是將來(lái), I /O 技術(shù)都將制約著(zhù)計算機技術(shù)的應用與發(fā)展, 尤其在高端計算領(lǐng)域。PCI Express 技術(shù)是第三代先進(jìn)的I /O 總線(xiàn)技術(shù), 代表未來(lái)十年計算機總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向，它是目前唯一被驗證過(guò)高速計算機IO總線(xiàn)，能夠進(jìn)行板間直接擴展。目前，還沒(méi)有一種計算總線(xiàn)能像PCI-Express這樣兼顧傳輸帶寬與成熟的應用。所以，從技術(shù)發(fā)展的角度看，基于PCI-Expres的CompactPCI-Express將占領(lǐng)第三代工控機的至高點(diǎn)，而從應用的角度看，PCI帶寬限制了眾多應用，CompactPCI-Express將解決CompactPCI軍工、測控、航空航天等領(lǐng)域眾多的需求!

　　參考文獻:

　　[1] CompactPCI-Express PICMG EXP.0 R1.0 Specification June 27，2005

　　作者簡(jiǎn)介: 蒙佺，男，1980年9出生，畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現為研祥智能股份有限公司通訊產(chǎn)品事業(yè)部總監。

　　Email：sz.mengquan@evoc.cn