CompactPCI总线工控机技术的现状与应用

2002年3月13日，中国计算机行业学会PICMG/P.R.C.在信息产业部电子六所召开了2002年首次年会。从事CompactPCI(以下简称CPCI)总线工控机研究与设计工作的24位专家、学者和委员参加了会议。会上，专家们对CPCI总线工控机的现状和应用前景展开了热烈的研讨，一致认为CPCI总线工控机技术目前已经发展成熟，开始进入广泛应用阶段。学会专家们还对国内自主研制的国产化CPCI总线工控机取得的成绩给予了充分肯定，制定了"十五"期间国内CPCI工控机的发展战略，并协调了个各委员单位的工作，为CPCI总线工控机在2002年的进一步发展奠定了基础。

CPCI总线工控机之所以被业界所青睐，是因为其既具有PCI总线的高性能又具有欧洲卡结构的高可靠性，是符合国际标准的真正工业型计算机，适合在可靠性要求较高的工业、和军事设备上应用。CPCI总线工控机定义了两种板卡尺寸，3U(100mm×160mm)和6U(233mm ×160mm)，主要具有以下特点：

·标准欧洲卡尺寸，符合IEEE1101.1结构标准；
·气密性、高密度2mm针－孔连接器，符合IEC－1076国际标准；
·板卡垂直地面安装，利于散热降温；
·板卡正向安装，反向拔出，四面固定；
·良好的抗振动和冲击特性；
·金属前面板，便于安装、固定和指示；
·现场I/O信号由板后通过针－孔连接器引出，弹性连接，抗腐蚀、抗振动性能好；
·标准金属机箱(铝)，EMC、ESD性能好，抗干扰能力强；
·支持热插拔和热切换(HotSwap)；
·多处理器和多操作系统支持；
·无源母板，标准插槽，可扩展性和伸缩性能好；
·支持混合总线系统。

CPCI总线是一个开放式、国际性技术标准，由PCI总线工业计算机制造商组织PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)负责制定和支持。PICMG现有成员企业650个，其中主要包括PICMG China、Lucent Technologies、Motorola Computer Group、 National Instruments、PEP Modular Computers GmbH、Performance Technologies、Radisys Corporation、Siemens AG、Microsoft Corporation、Force Computers、Dy4 Systems、Hewlett－pack－ard、IBM、International Test Technologies、SBS Embedded Computers、Ziatech、Compaq Computer Corporation等。国际上研制工控机及其相关设备的著名企业或公司几乎都是PICMG的成员单位，具有广泛的代表性。

1 CPCI总线工控机与VME总线工控机的共存

几年前，业界普遍认为，随着CPCI总线工控机技术的发展与应用，势必影响或危及传统VME总线工控机的生存。因此有人断言，VME总线工控机即将消亡。经过几年的发展。VME总线工控机经过不断地改革，也在寻求发展，在一定时期内，CPCI总线工控机和VME总线工控机还要共存，共同发展。但是被业界广泛接受的新技术终究要代替旧的传统技术，至于什么时候代替，只是个时间问题。现将CPCI总线与VME总线技术作个简单的比较。

从时间上来看，VME总线工控机诞生于1981年。20年来，在高性能的实时应用领域一直处于主导地位。然而，昔日先进的总线架构，今天已经发展到尽头，失去了发展的空间。为了生存，从VME32，改进到VME64、VME64x，直到VME320，但市场接受状况并不理想。
对比之下，问世于1995年11月的CPCI总线工控机，源于现在和将来十几年内流行于桌面机的WIntel架构和PCI总线标准，是未来工控机发展的主流总线，是现代先进技术的代表之一。

从CPU核心技术来看，VME总线工控机基于的是68K系列处理器，从68000到68060，68060已经是68K发展的生命终点。Motorola从68K转向了PowerPC，但PowerPC难遂人愿。所以Motorola公司及时调整了技术路线，兼并了美国Pro-log公司，成立了Motorola Computer Group，致力于高可用性(High Availability)CPCI总线工控机的研制。

从软件来看，VME总线工控机因为没有统一的软件标准，所以其软件研制环境是特定的，并依赖于硬件。软件研制一直是VME总线工控机的最大弊端，为此客户须付出高昂的费用和漫长的研制周期。由于CPCI总线是与PCI总线兼容的开放式架构，可以利于PC技术的软件资源，产品研制周期短、成本低。

从总线速度上看，32位33MHz的CPCI总线最大传输速度为每秒132兆字节，64位33MHz的为每秒264兆字节，64位66MHz时的峰值速度可达每秒528兆字节；而32位的VME总线最大理论带宽为40兆字节，实际仅能达到每秒15兆字节左右的传输速度。

CPCI总线工控机可以自动识别板卡，并自动配置系统资源，很容易实现即插即用；而VME总线工控机目前还做不到。
CPCI和VME一样，都有丰富的I/O子板，如PMC和IndustryPack，借助于载板，很容易插入到系统中使用。
VXI总线(VME extension for Instrumentation)是基于VME的仪器仪表扩展总线；PXI总线 PCI extension for Instrumentation)是基于CPCI的仪器仪表扩展总线。

CPCI/PXI总线是开放式架构，VME/VXI是封闭式架构。封闭式架构已经逐渐不再被市场所接受，这是业界的共识。从"封闭"走向"开放"也是历史的必然。

2 CPCI总线工控机主要产品现状

国际上许多VME总线工控机大型制造商，如Motorola和Force Computers,皆斥巨资研制CPCI总线工控机。Motorola兼并STD总线工控机的主要制造商Pro-log，成立了摩托罗拉计算机事业部(Motorola Computer Group)，主要从事高可用性(High Availability)CPCI工控机的研制，同时继续支持VME和STD总线工控机。MCG最新推出的基于PIII处理器的CPCI总线单板计算机为CPN5368和CPN5365，主要面向IP电话和电信；面向工业、军事和航天设备的CPCI总线工控机平台为CPN5350，PII-266/333MHz。英特尔(Intel)公司兼并了原最大的STD32总线工控机制造商Ziatech和VME总线工控机制造商Dialogic，主要从事CPCI总线工控机的研制和应用。Ziatech于2001年5月18日推出了基于PIII-500MHz的ZT5531和PIII-850MHz的ZT5521 CPCI总线工控机，主要针对电信和互联网市场。Force Computers于2001年4月30日发布的CPCI总线工控机CPCI-735/736，CPU为PIII-700MHz。Radisys也于2001年5月21日推出了基于Intel 815E芯片组的CPCI工控机EPC-3325，支持PIII-600/866MHz。德国控创集团(Kontron Embedded Computers)在2002年初成立了北京办事处，将其高性能的基于Intel Pentium III Processor-M 的CPCI产品引入了中国市场。日本的CPCI总线工控机技术相对落后，ADTEK公司CPCI产品仅做到Pentium 75-233MHz。英国的CPCI总线工控机技术也在迅速发展，其中BVM公司的CPCI产品主要采用AMD K6系列、奔腾系列和Cyrix MII系列处理器，速度达到500MHz。总之，经过短短的五、六年，CPCI总线工控机的制造商已经发展到了数百家，产品形成了系列化，市场发展迅速。Motorola和Force Computers都通过代理打入了国内市场，发展势头看好。

台湾的CPCI总线工控机技术相对比较先进，有代表性的是研华、凌华、大众、磐仪、立端等公司，产品已经开始投放大陆市场。但需要在产品的系统性和配套性、价格及服务等因素上进一步改进，估计近几年会得到迅速发展。北京康拓公司是大陆第一家自行研制和生产CPCI总线工控机的厂家，并有自己的创新点，在标准CPCI总线系统中，无缝嵌入了AT96(IEEE996)总线，在保证系统高性能、高可靠的同时，显著降低了成本和开发难度，更有利于推广和应用。产品CPU板从80186-16MHz、80386-80MHz、5x86-133MHz到PIII-600MHz、乃至超低功耗的片上系统(system-on-chip)-Crusoe TM5400-600MHz，已经形成系列。配套I/O模板种类齐全，组态软件，金属机箱，1+1冗余模块化工业电源，提供了一步到位(One-Stop)的解决方案。国内主要从事CPCI总线工控机技术研究的单位还有华为、716所、707所和32所等，相信今年会有新产品不断推向市场。

3 CPCI总线工控机的应用

1998年，美国Marconi公司采用开放式架构CPCI工控机为美国空军F16 Fighting Falcon战斗机研制了第三代测试设备IAIS(Improved Avionics Intermediate Shop)。1990年的第二代IAIS采用的是VXI。

Alta Technology采用CPCI/VME混合系统，为部署在美国西南部的导弹测试基地研制测控设备。设备采集从各种电子对抗设施(ECM)传来的数据，处理后，确定目标(如雷达)。

美国海军正在将用于部署在China Lake和Pt. Magoo的QF4战斗机上的VME总线工控机升级为CPCI总线工控机系统，以增强电子对抗能力。
Excalibur Systems Inc．将CPCI工控机系统用在了军事运输机C-17上。

在欧美，CPCI工控机取代VME工控机，逐渐应用在空防、海防和陆地军事武器和航天地面测控设备上，如SBS Technologies的CR6 CPCI工控机系统等。

在国内，西安空军工程大学采用北京康拓公司生产的APCI5094(5x86-133MHz) CPCI总线工控机系统研制成功了进口战斗机地面测试设备，并通过了总装备部、空军组织的产品鉴定。中国核动力研究院设计院采用康拓公司的CPCI产品研制了"九五"重点攻关项目"核电站数字化反应堆保护系统"原理样机，并通过了中国核工业集团公司组织的鉴定。"核电站反应堆保护系统"是核电站重要的安全系统，有较高的可靠性要求。这是国产化的工控机和国产化设备首次应用?quot;核保护装置"上，推进了核电站保护设备的国产化过程和相关领域的技术进步。浙江绍兴精工集团采用北京康拓公司生产的CPCI工控机系统研制成功了国产化先进的"喷气"纺织机。国产化的CPCI总线工控机在国内航天领域的《神通一号》卫星动量轮地面测试系统、《风云二号》气象卫星自旋线路系统测试设备、《东方红四号》通信卫星推进系统地面测试设备中也得到了成功应用。在这以前，由于没有国产高性能的工控机可用，我国卫星地面测试设备基本被进口设备所垄断，如VME总线和VXI总线测试设备，用价格惊人来形容毫不过分，同时国防信息安全也没有保证。国产化的CPCI总线工控机在海军、电力、铁路、公路隧道等方面已经有数十家用户，产品已经被市场认可，并正在继续发展。

综上所述，CompactPCI总线技术在军工通讯领域得到成功应用之后，近几年在工业自动化总线型工控机领域中已获得突破性进展。北京康拓公司2001年11月研制成功的采用CompactPCI总线和AT96总线双总线结构的《APCI5000系列工控机》，已经通过航天科技集团组织的新产品技术成果鉴定会，标志着中国有了自己的CompactPCI总线工控机平台。这从技术水平上提高了我国企业进入WTO以后的市场竞争力，对我国传统产业升级改造和优化产业结构，都具有十分积极的作用，对提高我国的国防实力都具有十分重要的意义。随着人们对CPCI总线工控机认识的深入，随着技术的进步和思想的解放，CPCI总线工控机以其系统的开放性、软件硬件的标准化、高性能和高可用性，必将在可靠性要求很高的工业和国防领域中得到越来越广泛的应用，为实现国家"信息化带动自动化"的目标，作出应有贡献。