浅谈嵌入式系统的电路板标准

由于有限的预算和缩短的计划周期，迫使设计团队在中小批量的高性能嵌入项目中，例如医疗仪器、军用系统、通信安装以及过程自动化等，避免采用专有设计而采用开放标准。他们面临的挑战是选择一种可以提供性能、外形尺寸和成本优势，并能满足当前项目的要求，并在数据速率和加工需求上有预期可更新的大量扩展能力的标准。今天的板级标准名目繁多，包括VMEbus、PCI、CompactPCI、PC/104和 AdvancedTCA（先进电信计算架构），还有一系列独立模块和子卡的标准。每种标准都针对不同的用户群，并有一个行业团体的支持，该团体负责伴随性能预期的进步而对规范作修改和扩展，保持其可行性。

　　嵌入系统设计者采用开放标准，确保预设计的现成系统元件有充裕的选择余地，至少能满足每个新项目中的一部分要求。开放标准使设计者能够从任何供应商采购到部件，并确保软硬件的互操作性。基于标准的系统机箱、处理器卡、外设和现成的用户接口都可以将一个典型的嵌入系统项目降低到很少或无需硬件设计和专用软件。行业标准提供对兼容操作系统、供应商提供的驱动程序以及试样源码的访问，从而方便了软件开发工作。电路板标准还消除了要获得最佳冷却性能和机械校正所需的试错式重复设计。
　　
　　虽然电路板标准试图吸引嵌入系统业的主要部分，但在规范发展与认证过程中仍存在固有问题。总体而言，标准化组织对技术的发展响应太慢，因为他们必须等待成员达成一致才能最终更新。然而，如果他们试图跟上早期的变化，选择的数量会使业界迷惑，降低可互操作产品的可能性。例如，AdvancedTCA 标准有多个串行数据交换替代方案，包括以太网、FibreChannel、InfiniBand、StarFabric、PCIe（PCI Express），和 RapidIO。虽然有些电路板厂商会开发独特设计以适应多种选项，但业界未能选定一种或两种交换结构技术，这可能会损害到COTS（商业现货）产品的不断成功。



　　老当益壮

　　标准化组织在升级或扩展电路板规范的性能水平时，还必须面对与传统兼容性的问题。设计者希望有大量兼容的电路板可选，但标准的一次重大升级会造成大批产品与新硬件无法互操作。通常，多数标准允许你用不重叠的卡边沿连接器，或能为每个版本提供一些插槽的特殊背板，将新、旧技术同时用于同一系统中。例如，VMEbus 标准是现行最老的嵌入系统架构，但多数早期产品仍能与最新产品兼容。标准还必须解决长期的可获性问题，这是对高性能嵌入产品的一项基本要求。尽管台式机部件的平均寿命大约为18个月，但用户期望典型的嵌入产品能在五年或更长时间内保持服务。

　　CompactPCI亦有一种寻找正确特性组合的更新史，为的是满足多数嵌入系统领域的要求。CompactPCI在一个坚固的外壳中封装了低成本、基于PCI的台式硬件，使嵌入系统开发者能够使用现成的硅片和台式软件程序。PICMG（PCI工业计算机制造小组）控制着CompactPCI规范，它基于定义了3U和6U板尺寸的Eurocard工业标准。比较常用的6U 板在卡后方有多达五个连接器，两个用于 CompactPCI 总线，其余三个用于可选用户定义 I/O 连接。通过一系列针对高性能应用的更新，PICMG 扩展了 CompactPCI 规范，使之包含了一个分组交换背板，为用户定义管脚增加了双重交换的 10/100/1000 以太网结构。

　　近来，PICMG 跟踪着台式技术的发展，在 CompactPCI 规范中加入了PCIe。CompactPCI Express 提供可比例缩放的高带宽数据路径、分组式数据协议，以及与PCI硬件和驱动软件的兼容性。基本的PCIe连接包含两个信号路径，采用LVDS（低压差分信令）和恒流线驱动器，能在每个方向上实现5Gbps的通信。简单地增加信号对（或通道）即可增加单个 PCIe连接的带宽，直至达到所需性能水平。MEN Micro 提供一种3U CompactPCI Express 单板机，它使用英特尔2.16GHz Core 2 Duo处理器（图 1）。 MEN Micro的F17采用英特尔的 Mobile 945GM Express 芯片组，带有六个PCIe通道，以及两个 SATA（串行先进技术连接）线。该板的内存包括 Core 2 Duo中集成的 4MB L2 缓存，以及多达4GB高速DDR2 DRAM。前面板上的标准I/O包括一个 VGA 连接器、两个用PCIe连接的千兆位以太网接口，以及两个USB2.0端口。由于采用了英特尔嵌入系统产品系列的元件，F17可保证最少五年的标准可用性。MEN Micro提供对 Windows、Linux、VxWorks和QNX 的电路板支持包。F17 的价格为 2920 美元。

　　从头开始

　　另一个为各种应用寻找完美架构的方案是从头开始，建立一种新的规范，在其上采用最新技术，而不考虑传统产品。例如，AdvancedTCA于2003 年开始出现，它建立了一套全新的电路板、背板和软件规范，用于下一代电信设备。AdvancedTCA有较大的外形尺寸、高可用特性以及高速交换互连结构，它希望成为电信业中大量专有设备的一种可行的现货替代品。AdvancedTCA规范为所有电路板和有源模块提供热插拔能力，使系统能够实现甚至超过所谓的"五个9"可用性（99.999%）。结构化接口提供一种全网格互连，其中每个插槽都与其它任一插槽直接连接。

　　为实现高性能应用的最多用途，AdvancedTCA设计者增加了可更换的插入模块或有很多相同特性的子卡作为基本架构。形成的 AdvancedMC（先进中间卡）标准为设计者提供一种可热插拔、可现场更换的模块，以降低维护成本和减少停机时间。AdvancedMC模块具有远程管理与交换结构技术的特点，外形尺寸约为 3英寸×7英寸。模块以单尺寸或双尺寸与紧凑、中等和全尺寸面板相配置。AdvancedMC使用了 AdvancedTCA载卡所需IPMI（智能平台管理接口）的一个子集。这种管理接口规范可以用本地和远程监控设备作电源管理、冷却、电子锁和热插拔处理。

　　Emerson Network Power（前身是 Artesyn Communication Products）最近宣布了一个采用基于英特尔 Pentium M处理器的AdvancedMC模块KosaiPM（图2）。该模块提供各种应用所需的局部马力，如协议处理、分组处理、数据管理以及I/O管理等。该模块具有工作在高达 1.8 GHz 频率下的低功耗处理器，2MB Level 2 缓存，高达 2GB的带 ECC（纠错码）的DDR SDRAM，一个USB2.0接口，以及一个前面板的RS-232接口。为支持卡内外的高速分组数据传输，KosaiPM同时采用PCIe和双千兆位以太网接口与底板连接。KosaiPM 还使用基于I2C的IPMI，可以监控并远程控制模块。KosaiPM 亦可热插拔，降低了备件成本和平均维修时间。