CompactPCI/PXI關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展
2003/11/20
作為一種能夠滿足不同行業(yè)需要的高性能、高可靠、高可用和經(jīng)濟(jì)型的工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)，CompactPCI/PXI技術(shù)正在廣泛地被電信、數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)電話集成系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、監(jiān)控和數(shù)采系統(tǒng)（SCADA）、測(cè)試和測(cè)量自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、航空航天、軍工與國(guó)防等領(lǐng)域所關(guān)注和采用，從而成為了我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新亮點(diǎn)。
然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們由好奇變成了關(guān)切，迫切需要得到諸如“CompactPCI的關(guān)鍵技術(shù)以及未來(lái)發(fā)展方向是什么？CompactPCI、PICMG 2.16、AdvancedTCA之間的關(guān)系？它們產(chǎn)生的出發(fā)點(diǎn)和應(yīng)用范圍有什么不同？該如何進(jìn)行選擇？”等問(wèn)題的答案。
CompactPCI總線核心技術(shù)
1992年Intel公司定義了PCI總線作為局部總線，直接用于互聯(lián)CPU與周邊器件，如與顯示控制器、網(wǎng)絡(luò)控制器、內(nèi)存控制器等的互聯(lián)。同時(shí)，為了研制和管理PCI標(biāo)準(zhǔn)，成立了PCI總線特別興趣組織（PCISIG），并先后推出了PCI Local Bus Specification Rev. 2.1、Rev. 2.2和最新版本Rev. 2.3，為此PCI總線也由芯片級(jí)互聯(lián)總線發(fā)展成了板級(jí)互聯(lián)總線。
PCI總線的32位/33MHz標(biāo)準(zhǔn)具有132MB/秒數(shù)據(jù)傳輸速度，其64位/66MHz標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到528MB/秒，所以相對(duì)于ISA或VME總線每秒幾MB或幾十MB的傳輸速度而言，PCI是高速總線。為了將PCI總線應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，1994年成立了PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)（PICMG），主要?jiǎng)訖C(jī)就是為嵌入式計(jì)算機(jī)（如工業(yè)計(jì)算機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備、交通設(shè)備和軍事系統(tǒng)等）研制通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在PICMG在全球有三個(gè)分會(huì)，即PICMG PRC（中國(guó)分會(huì)）、 PICMG Europe（歐洲分會(huì)）和 PICMG Japan（日本分會(huì)）。
1997年8月，PICMG發(fā)布了第一個(gè)CompactPCI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.0 Rev. 1.0，9月發(fā)布了PICMG 2.0 Rev. 2.1，10月發(fā)布了PICMG 2.0 Revision 3.0。
PICMG 2.0 Revision 3.0是CompactPCI總線的核心標(biāo)準(zhǔn)，也是CompactPCI技術(shù)的精髓。它由三項(xiàng)領(lǐng)先技術(shù)綜合而成：PCI局部總線的電氣特性（PCISIG）、工業(yè)級(jí)歐洲卡封裝結(jié)構(gòu)和規(guī)格（IEC 60297-3 and -4）和IEC 2mm堅(jiān)固的米制針孔連接器（IEC-61076-4-101）。
PICMG 2.0 Revision 3.0規(guī)定了背板上各插槽之間、系統(tǒng)槽與背板、I/O模板與背板之間嚴(yán)格的互聯(lián)關(guān)系，定義了背板、模板和前后面板的結(jié)構(gòu)、尺寸，定義P1支持32位PCI操作，P1和P2支持64位PCI操作，P3、P4和P5留給用戶使用或作為總線擴(kuò)展用。同時(shí)，規(guī)范還為33MHz和66MHz工作頻率的時(shí)鐘信號(hào)分布，定義了嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則；定義了系統(tǒng)管理總線，并為背板上每個(gè)插槽定義了唯一對(duì)應(yīng)的物理地址。CompactPCI系統(tǒng)由金屬外殼和前、后面板組成的整體導(dǎo)電和ESD電路設(shè)計(jì)，使得CompactPCI具有電磁輻射屏蔽和靜電釋放能力，表現(xiàn)出良好的電磁兼容性。
CompactPCI總線熱插拔技術(shù)
可維護(hù)性是嵌入式計(jì)算機(jī)非常重要的特性。此外，面向特定應(yīng)用的系統(tǒng)（如電信設(shè)備、電力保護(hù)設(shè)備、車載控制系統(tǒng)和軍事系統(tǒng)等）還需要熱插拔（Hot Swapping）功能和容錯(cuò)（Fault Tolerance）設(shè)計(jì)。
CompactPCI技術(shù)規(guī)范使得流行的PCI總線兼容架構(gòu)可以用歐洲卡規(guī)格實(shí)現(xiàn)。這種模塊化的CompactPCI模板可以靈活地組合成適合各種不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的系統(tǒng)。為了提高CompactPCI系統(tǒng)的可維護(hù)性，需要在CompactPCI產(chǎn)品上增加熱插拔功能，使得CompactPCI模板可以在不必關(guān)斷電源的情況下，插入或拔出正在運(yùn)行的系統(tǒng)，而不影響或破壞系統(tǒng)的正常工作，從而為高可用性設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。為此，PICMG成立了熱插拔工作組，并于1998年8月發(fā)布了熱插拔標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.1 R1.0。隨后于2001年1月推出了修訂版本PICMG 2.1 R2.0，2002年5月發(fā)布了熱插拔基礎(chǔ)軟件規(guī)范PICMG 2.12 R2.0。
PICMG 2.1 R2.0標(biāo)準(zhǔn)定義了三種不同的熱插拔模型。
基本熱插拔模型 基本模型允許在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中拔出或插入CompactPCI模板，但必須由訓(xùn)練有素的操作員通過(guò)人機(jī)接口向操作系統(tǒng)發(fā)出控制命令才能實(shí)現(xiàn)，軟件連接不能自動(dòng)進(jìn)行。
完全熱插拔模型 在完全模式下的軟件連接是自動(dòng)完成的，不需要人為的干預(yù)。完全熱插拔模型應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)型工業(yè)計(jì)算機(jī)主要發(fā)展的目標(biāo)。
高可用性模型 高可用性要求系統(tǒng)始終處于運(yùn)行狀態(tài)，幾乎沒(méi)有故障。
為了控制拔出或插入模板的電氣和軟件連接過(guò)程，CompactPCI的連接器插針采用長(zhǎng)、中、短三層結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)針為模板提供預(yù)充電電源；中針連接工作電源和CompactPCI信號(hào)；短針為BD_SEL和IDSEL信號(hào)，用于啟動(dòng)板上電源控制，并通知該系統(tǒng)模板所處的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：CompactPCI 熱插拔控制電路要求設(shè)計(jì)在模板上，而不是在無(wú)源背板上，以縮短更換故障部件的時(shí)間。這樣相同功能的CompactPCI模板將以兩種形式存在，即一種是普通模板，另一種是支持熱插拔的模板。實(shí)踐證明，CompactPCI熱插拔設(shè)計(jì)的75%工作量是軟件設(shè)計(jì)，而硬件設(shè)計(jì)只占25%。
為了支持熱插拔, PICMG 2.1 R2.0定義了三種獨(dú)立于硬件的硬件抽象層接口：Hot Swap System Driver（熱插拔系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序）、Hot Swap Service（熱插拔服務(wù)程序）和High Availability Service（高可用性服務(wù)程序），但對(duì)程序具體如何編制并沒(méi)有明確規(guī)定。但是，值得注意的是，2003年初在美國(guó)拉斯維加斯舉行的摩托羅拉計(jì)算機(jī)事業(yè)部年會(huì)上，很多著名軟件操作系統(tǒng)公司都展示了支持CompactPCI熱插拔標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，如Lynx的LynxOS、Microware的OS-9、Enea的OSE、Wind River的VxWorks、Integrated Systems的pSOS等。當(dāng)然，最引人注目的要數(shù)GoAhead的SelfReliant和 Jungo的Go-HotSwap軟件，因?yàn)樗鼈兪仟?dú)立于操作系統(tǒng)的。雖然如此，由于缺少Windows通用操作系統(tǒng)的支持，在一定程度上延緩了CompactPCI熱插拔技術(shù)的推廣速度。
CompactPCI交換式以太網(wǎng)背板技術(shù)
CompactPCI總線最初只是單一的總線標(biāo)準(zhǔn)。但當(dāng)1997年P(guān)ICMG將H.110 Telephony Bus增加到CompactPCI背板上時(shí)，激發(fā)了人們的創(chuàng)新靈感，去探索“將行業(yè)專業(yè)總線移植到CompactPCI背板上，使單一的PCI數(shù)據(jù)傳輸總線演變成控制總線”的可能。事實(shí)上，這一方面反映了“主流電信設(shè)備供應(yīng)商希望用CompactPCI架構(gòu)滿足一些高端應(yīng)用的要求”；另一方面也說(shuō)明人們已經(jīng)開(kāi)始尋求打破CompactPCI總線插槽數(shù)量限制和高速數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的手段。為此，PICMG協(xié)會(huì)成立了由Performance Technologies牽頭、50多家公司參加的PICMG 2.16工作組，目標(biāo)就是將交換式以太網(wǎng)機(jī)制增加到CompactPCI架構(gòu)中。經(jīng)過(guò)幾年卓有成效的工作，PICMG于2001年9月發(fā)布了以太網(wǎng)包交換背板標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.16。
PICMG 2.16的發(fā)布說(shuō)明了什么呢？
首先，它代表了人們追求不斷提升信息交流速度的愿望，打破了并行總線對(duì)傳輸速度的物理限制。
其次，它預(yù)示著CompactPCI架構(gòu)的板級(jí)互聯(lián)方式，從一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的并行總線，步入到了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行總線互聯(lián)時(shí)代。
第三，它表明了人們?cè)趯で筇嵘到y(tǒng)性能途徑之時(shí)，傾向和選擇已經(jīng)成熟的交換機(jī)制技術(shù)，如Switched Ethernet（交換式以太網(wǎng)）、Switched Starfabric（交換式Starfabric）以及Switched Infiniband（交換式Infiniband）技術(shù)等，而且有些已經(jīng)形成了產(chǎn)品。因?yàn)槿哂嘣O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、故障容易隔離、更換方便，因此基于交換機(jī)制的架構(gòu)更適合設(shè)計(jì)高可用性系統(tǒng)。
PICMG 2.16主要是面向電信應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。PICMG 2.16使用雙冗余的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)以太網(wǎng)交換板實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)到點(diǎn)互聯(lián)，消除了單點(diǎn)故障，可以提供大約40倍PCI總線的傳輸性能，以及高度的可靠性和靈活性�；赑ICMG 2.16可以構(gòu)成刀片式服務(wù)器集群，電信設(shè)備商或服務(wù)商可以用來(lái)研制下一帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)品，如2.5G和3G無(wú)線設(shè)備、VoIP媒體網(wǎng)關(guān)、軟交換設(shè)備、信令網(wǎng)關(guān)、IP DSLAM、語(yǔ)音/視頻/數(shù)據(jù)服務(wù)器和呼叫中心服務(wù)器等。所有這些設(shè)備都需要高可用性、高密度、高可靠性和高數(shù)據(jù)吞吐量，這正是PICMG 2.16所具備的特征。
AdvancedTCA技術(shù)方興未艾
人們不禁要問(wèn)：“融合了PICMG 2.16技術(shù)的CompactPCI架構(gòu)，難道可以滿足未來(lái)數(shù)年之內(nèi)電信技術(shù)發(fā)展的所有需要嗎？”
答案肯定是“不能”。
首先，隨著寬帶技術(shù)的發(fā)展，需要可以切換每秒Terabits傳輸能力的處理平臺(tái)架構(gòu)相適應(yīng)。而目前使用的CompactPCI連接器不具備傳輸這么高速的低壓差分信號(hào)的能力。
其次，目前CompactPCI模板的尺寸小，不能滿足日益增加的功能和容量設(shè)計(jì)要求。
第三，隨著處理器以及其它關(guān)鍵芯片性能的迅速提升，功耗也大幅度增加，目前CompactPCI的供電能力不能滿足要求。
第四，目前CompactPCI插槽之間的0.8英寸間距，已經(jīng)不能適應(yīng)系統(tǒng)散熱等功能的要求，如加大的散熱片、變高的內(nèi)存模塊和制冷氣流流量的增大等。因此，市場(chǎng)迫切需要發(fā)明新的交換技術(shù)，以滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)具有每秒Terabits傳輸性能的開(kāi)放式架構(gòu)平臺(tái)的需求。這就是新興的PICMG 3.x - AdvancedTCA技術(shù)。
從PICMG 2.16到AdvancedTCA，以太網(wǎng)嵌入到底板上的技術(shù)在不斷地發(fā)展。與PICMG 2.16低成本的、冗余的、Gigabit以太網(wǎng)背板相比，AdvancedTCA以太網(wǎng)背板已經(jīng)超越了Gigabit，達(dá)到了數(shù)十Gigabit，而且還在繼續(xù)發(fā)展。
CompactPCI總線與PICMG 2.16、AdvancedTCA的關(guān)系
在今后5～10年，CompactPCI總線與PICMG 2.16、AdvancedTCA在相互補(bǔ)充中共存。CompactPCI總線主要面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，將逐漸取代VME（Versa Module Eurocard）和IPC，牢牢占據(jù)基礎(chǔ)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化層。而PICMG 2.16和AdvancedTCA將主要針對(duì)電信應(yīng)用，畢竟那是個(gè)具有1000億美元的大市場(chǎng)。作為已經(jīng)量產(chǎn)并投入運(yùn)行的PICMG 2.16產(chǎn)品，憑借其高可用性、低成本將主要占據(jù)用量比較大的電信邊緣設(shè)備市場(chǎng)。而剛剛發(fā)布的在2004年以后才可能投入運(yùn)行的AdvancedTCA，將主要占據(jù)價(jià)位高、用量小的電信核心設(shè)備市場(chǎng)，與PICMG 2.16形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
PXI技術(shù)的特點(diǎn)
PXI的技術(shù)特點(diǎn)主要有兩個(gè)：首先是基于CompactPCI，并兼容CompactPCI；其次是面向測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用設(shè)計(jì)。PXI的規(guī)格也有兩種：3U和6U。3U的PXI主要應(yīng)用方向?qū)⑹墙M成便攜或小型的測(cè)試、SCADA、監(jiān)視與控制以及工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。6U的PXI主要向高采樣速度、高帶寬、高精度、多通道容量的中、大型自動(dòng)測(cè)試設(shè)備應(yīng)用發(fā)展。
PXI和VXI（是以VME計(jì)算機(jī)總線IEEE1014-1987為基礎(chǔ)的模塊化儀器結(jié)構(gòu)。）將在既競(jìng)爭(zhēng)又互補(bǔ)中共存很長(zhǎng)一段時(shí)間，最終PXI將取代VXI，成為主流工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)。同時(shí)PXI將向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域擴(kuò)展，與CompactPCI形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，與CompactPCI共同奠定未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)。
關(guān)于CompactPCI
PICMG協(xié)會(huì)于1994年提出了CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)。作為新一代電信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)，融合了電腦與工業(yè)設(shè)備諸多已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，使電信設(shè)備具有高效能和如同專屬架構(gòu)的高可靠度，同時(shí)又可享受PCI標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。其開(kāi)放、可程式化的高可用性，完全可以滿足電信領(lǐng)域應(yīng)用中的高端要求，使用戶可以享受到低成本、高彈性與Time-to-Market等多重優(yōu)勢(shì)。
關(guān)于PXI
PXI是一種專業(yè)的模塊化儀器平臺(tái)，PXI具備PCI總線的電氣性能、CompactPCI總線的可靠性能、VXI總線的定時(shí)和觸發(fā)信號(hào)。它為PCI Extensions for Instrumentation 的縮寫，是由PXISA（PXI System Alliance）制訂并推廣。PXISA成立于1987年，是一個(gè)非營(yíng)利組織。
CompactPCI應(yīng)用廣泛
近幾年，無(wú)論是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域、測(cè)試和測(cè)量自動(dòng)化領(lǐng)域還是電信等其它領(lǐng)域，人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性和面向未來(lái)的技術(shù)的追求，有力地驅(qū)動(dòng)著CompactPCI/PXI技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。與此同時(shí)，CompactPCI/PXI技術(shù)也逐漸被內(nèi)地市場(chǎng)所接納和認(rèn)同，應(yīng)用氣氛十分活躍，應(yīng)用效果明顯。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，CompactPCI/PXI應(yīng)用的成績(jī)顯著。
唐山大學(xué)基于CompactPCI/PXI技術(shù)研制的鍋爐供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，成功地應(yīng)用在唐山市熱力總公司供熱項(xiàng)目上，開(kāi)發(fā)周期短，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。
陜西海泰電子研制的多通道瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)器件電起爆/點(diǎn)火瞬態(tài)響應(yīng)特性，解決了石油行業(yè)中火工品器件的參數(shù)測(cè)試問(wèn)題。
上海寶鋼采用CompactPCI/PXI研制的軋機(jī)震動(dòng)紋自動(dòng)監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)，應(yīng)用于軋鋼廠冷軋平整機(jī)組，為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作、進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制以及設(shè)備維護(hù)提供了科學(xué)手段。
清華大學(xué)利用基于CompactPCI/PXI技術(shù)建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室熱工水利學(xué)測(cè)控平臺(tái)，研制成功了先進(jìn)的熱工測(cè)量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，完成了海水淡化等重要課題研究。
天津大學(xué)采用CompactPCI/PXI研制的原油管道泄露遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功應(yīng)用于勝利油田和華東輸油管理局的集輸管線和長(zhǎng)輸管線，取得了很好的效果。
北京航空航天大學(xué)應(yīng)用CompactPCI/PXI技術(shù)成功完成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)管道聲模態(tài)及非定常特性測(cè)量的數(shù)據(jù)采集和分析課題。中國(guó)科學(xué)院上海所采用CompactPCI/PXI技術(shù)，研制成功的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的信號(hào)分析系統(tǒng)和整星測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。
清華大學(xué)基于CompactPCI/PXI技術(shù)，研制成功了數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于中國(guó)的核電站建設(shè)。
鐵科院基于CompactPCI/PXI技術(shù)研制成功的列車調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)得到應(yīng)用。
西安翔宇航空科技有限公司在充分分析和借鑒國(guó)外先進(jìn)ATE技術(shù)基礎(chǔ)上，采用CompactPCI/PXI研制成功了航空機(jī)載電子設(shè)備全自動(dòng)綜合測(cè)試系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)通訊、導(dǎo)航、儀表和機(jī)載計(jì)算機(jī)的維修測(cè)試過(guò)程。
中國(guó)空間技術(shù)研究院采用CompactPCI/PXI研制了一系列星載計(jì)算機(jī)及其測(cè)控系統(tǒng)的地面測(cè)試設(shè)備，完成新技術(shù)改造任務(wù)。
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