嵌入式系統的電路板標準

由于有限的預算和縮短的計劃周期，迫使設計團隊在中小批量的高性能嵌入項目中，例如醫療儀器、軍用系統、通信安裝以及過(guò)程自動(dòng)化等，避免采用專(zhuān)有設計而采用開(kāi)放標準。他們面臨的挑戰是選擇一種可以提供性能、外形尺寸和成本優(yōu)勢，并能滿(mǎn)足當前項目的要求，并在數據速率和加工需求上有預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(jìn)電信計算架構），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(hù)群，并有一個(gè)行業(yè)團體的支持，該團體負責伴隨性能預期的進(jìn)步而對規范作修改和擴展，保持其可行性。

嵌入系統設計者采用開(kāi)放標準，確保預設計的現成系統元件有充裕的選擇余地，至少能滿(mǎn)足每個(gè)新項目中的一部分要求。開(kāi)放標準使設計者能夠從任何供應商采購到部件，并確保軟硬件的互操作性?；跇藴实南到y機箱、處理器卡、外設和現成的用戶(hù)接口都可以將一個(gè)典型的嵌入系統項目降低到很少或無(wú)需硬件設計和專(zhuān)用軟件。行業(yè)標準提供對兼容操作系統、供應商提供的驅動(dòng)程序以及試樣源碼的訪(fǎng)問(wèn)，從而方便了軟件開(kāi)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設計。
　　
雖然電路板標準試圖吸引嵌入系統業(yè)的主要部分，但在規范發(fā)展與認證過(guò)程中仍存在固有問(wèn)題?？傮w而言，標準化組織對技術(shù)的發(fā)展響應太慢，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 標準有多個(gè)串行數據交換替代方案，包括以太網(wǎng)、FibreChannel、InfiniBand、StarFabric、PCIe（PCI Express），和 RapidIO。雖然有些電路板廠(chǎng)商會(huì )開(kāi)發(fā)獨特設計以適應多種選項，但業(yè)界未能選定一種或兩種交換結構技術(shù)，這可能會(huì )損害到COTS（商業(yè)現貨）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范的性能水平時(shí)，還必須面對與傳統兼容性的問(wèn)題。設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(huì )造成大批產(chǎn)品與新硬件無(wú)法互操作。通常，多數標準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)用于同一系統中。例如，VMEbus 標準是現行最老的嵌入系統架構，但多數早期產(chǎn)品仍能與最新產(chǎn)品兼容。標準還必須解決長(cháng)期的可獲性問(wèn)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(gè)月，但用戶(hù)期望典型的嵌入產(chǎn)品能在五年或更長(cháng)時(shí)間內保持服務(wù)。

CompactPCI亦有一種尋找正確特性組合的更新史，為的是滿(mǎn)足多數嵌入系統領(lǐng)域的要求。CompactPCI在一個(gè)堅固的外殼中封裝了低成本、基于PCI的臺式硬件，使嵌入系統開(kāi)發(fā)者能夠使用現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(zhù)CompactPCI規范，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(gè)連接器，兩個(gè)用于 CompactPCI 總線(xiàn)，其余三個(gè)用于可選用戶(hù)定義 I/O 連接。通過(guò)一系列針對高性能應用的更新，PICMG 擴展了 CompactPCI 規范，使之包含了一個(gè)分組交換背板，為用戶(hù)定義管腳增加了雙重交換的 10/100/1000 以太網(wǎng)結構。

近來(lái)，PICMG 跟蹤著(zhù)臺式技術(shù)的發(fā)展，在 CompactPCI 規范中加入了PCIe。CompactPCI Express 提供可比例縮放的高帶寬數據路徑、分組式數據協(xié)議，以及與PCI硬件和驅動(dòng)軟件的兼容性?；镜腜CIe連接包含兩個(gè)信號路徑，采用LVDS（低壓差分信令）和恒流線(xiàn)驅動(dòng)器，能在每個(gè)方向上實(shí)現5Gbps的通信。簡(jiǎn)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(gè)PCIe通道，以及兩個(gè) SATA（串行先進(jìn)技術(shù)連接）線(xiàn)。該板的內存包括 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(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產(chǎn)品系列的元件，F17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(jià)格為 2920 美元。

從頭開(kāi)始

另一個(gè)為各種應用尋找完美架構的方案是從頭開(kāi)始，建立一種新的規范，在其上采用最新技術(shù)，而不考慮傳統產(chǎn)品。例如，AdvancedTCA于2003 年開(kāi)始出現，它建立了一套全新的電路板、背板和軟件規范，用于下一代電信設備。AdvancedTCA有較大的外形尺寸、高可用特性以及高速交換互連結構，它希望成為電信業(yè)中大量專(zhuān)有設備的一種可行的現貨替代品。AdvancedTCA規范為所有電路板和有源模塊提供熱插拔能力，使系統能夠實(shí)現甚至超過(guò)所謂的“五個(gè)9”可用性（99.999%）。結構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)現高性能應用的最多用途，AdvancedTCA設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。形成的 AdvancedMC（先進(jìn)中間卡）標準為設計者提供一種可熱插拔、可現場(chǎng)更換的模塊，以降低維護成本和減少停機時(shí)間。AdvancedMC模塊具有遠程管理與交換結構技術(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。這種管理接口規范可以用本地和遠程監控設備作電源管理、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）。該模塊提供各種應用所需的局部馬力，如協(xié)議處理、分組處理、數據管理以及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(gè)USB2.0接口，以及一個(gè)前面板的RS-232接口。為支持卡內外的高速分組數據傳輸，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(shí)間。

 

由于有AdvancedMC的大功率、熱插拔、交換結構以及管理功能，設計者可以考慮將這些模塊直接插入到一塊背板，構成小型獨立系統。經(jīng)過(guò)業(yè)界一致的不懈努力，PICMG在2006年7月公布了MicroTCA規范。MicroTCA提供帶一個(gè)背板的獨立機箱，它可以直接接納AdvancedMC卡，因此無(wú)需AdvancedTCA的載板。較小的外形尺寸使它更可用于電信中的低預算的應用以及各種嵌入系統項目。



PICMG網(wǎng)站上還出現了 MicroTCA 規范的短格式版本，它將一個(gè)最小MicroTCA系統定義為多個(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(xiàn)器、一個(gè)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(gè) MicroTCA 承載集線(xiàn)器組合有控制與管理架構，以及在單個(gè)模塊中支持多達12個(gè) AdvancedMC 所需的互連結構資源。Micro TCA電源模塊獲得輸入電源，將其轉換為12V，為每個(gè) AdvancedMC模塊提供有效負載電源。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)典型的 MicroTCA 系統包括多達12個(gè)AdvancedMC、一個(gè)或兩個(gè)承載集線(xiàn)器、多個(gè)電源模塊、負載共享、冷卻子系統、一個(gè)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(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(xiàn)器槽（圖4）。三只插入式風(fēng)扇托盤(pán)帶有空氣過(guò)濾裝置，提供冷卻功能。5U MicroTCA 機架的價(jià)格按照不同選項，起價(jià)低于2000美元。



無(wú)論一個(gè)標準是來(lái)自以前版本還是從頭開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)者都在尋求相同的東西：一個(gè)穩定而開(kāi)放的規范，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、嵌入系統開(kāi)發(fā)過(guò)程的關(guān)鍵。正如嵌入系統開(kāi)發(fā) 者所言，不存在可以適用每個(gè)項目的萬(wàn)能開(kāi)放標準，而且今后永遠也不可能出現。隨著(zhù)電子技術(shù)繼續遵循摩爾定律，你會(huì )看到標準在穩步地更新，并且還會(huì )出現很多全新的思路（見(jiàn)附文“堆疊型尋求新方向”）。另一種替代方案是回到過(guò)去，即那種有漫長(cháng)研制時(shí)間和巨額預算的自創(chuàng )式專(zhuān)有設計。

附文：堆疊型尋求新方向

電路板標準會(huì )轉變，以適應最新的系統需求，或者慢慢銷(xiāo)聲匿跡，像 S-100 總線(xiàn)或 Multibus。PC/104 標準最近一直在掙扎著(zhù)應付 ISA總線(xiàn)硅片的消亡。雖然 PC/104 聯(lián)盟已將標準更新為包含 PCI 總線(xiàn)（PC/104-Plus），然后刪掉了 ISA 總線(xiàn)（PCI-104），但多數現成電路板仍需要 ISA 信號才能運行。PC/104 在嵌入系統設計者之間很流行，因為它不需要背板，可以像積木一樣堆疊模塊。每個(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(cháng)期的 PC/104 供應商，它最近開(kāi)始了一項活動(dòng)，即建立一個(gè)全新的可堆疊架構，外形尺寸借自 PC/104。新架構使用一個(gè)更現代的通信協(xié)議 USB，但保留了 PC/104 的尺寸和堆疊優(yōu)點(diǎn)。StackableUSB支持多達16種外設板，有USB即插即用的優(yōu)點(diǎn)，用內置穿透式連接器消除了電纜。為了鼓勵各家供應商的支持，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)數字 TTL I/O 線(xiàn)，還有三個(gè)16位定時(shí)器/計數器。所有分離I/O 線(xiàn)都可以通過(guò)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，如10位 A/D轉換器、兩個(gè)UART以及其它用戶(hù)可用外設。Micro/sys 提供一個(gè)預定義的協(xié)議，用于通過(guò) USB 輸送數據，因此用戶(hù)無(wú)需開(kāi)發(fā)微控制器代碼。USB148 起價(jià)為 125 美元（單只）。你可以跟蹤 StackableUSB 標準的進(jìn)展。