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CompactPCI/PXI關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展

2003/11/20

　　作為一種能夠滿(mǎn)足不同行業(yè)需要的高性能、高可靠、高可用和經(jīng)濟型的工業(yè)計算機技術(shù)，CompactPCI/PXI技術(shù)正在廣泛地被電信、數據通信、計算機電話(huà)集成系統、工業(yè)自動(dòng)化、監控和數采系統（SCADA）、測試和測量自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)、航空航天、軍工與國防等領(lǐng)域所關(guān)注和采用，從而成為了我國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新亮點(diǎn)。

　　然而，隨著(zhù)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(xiàn)核心技術(shù)

　　1992年Intel公司定義了PCI總線(xiàn)作為局部總線(xiàn)，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、內存控制器等的互聯(lián)。同時(shí)，為了研制和管理PCI標準，成立了PCI總線(xiàn)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(xiàn)也由芯片級互聯(lián)總線(xiàn)發(fā)展成了板級互聯(lián)總線(xiàn)。

　　PCI總線(xiàn)的32位/33MHz標準具有132MB/秒數據傳輸速度，其64位/66MHz標準可以達到528MB/秒，所以相對于ISA或VME總線(xiàn)每秒幾MB或幾十MB的傳輸速度而言，PCI是高速總線(xiàn)。為了將PCI總線(xiàn)應用于嵌入式領(lǐng)域，1994年成立了PCI工業(yè)計算機制造商協(xié)會(huì )（PICMG），主要動(dòng)機就是為嵌入式計算機（如工業(yè)計算機、醫療設備、通信設備、交通設備和軍事系統等）研制通用技術(shù)標準。現在PICMG在全球有三個(gè)分會(huì )，即PICMG PRC（中國分會(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)標準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(xiàn)的核心標準，也是CompactPCI技術(shù)的精髓。它由三項領(lǐng)先技術(shù)綜合而成：PCI局部總線(xiàn)的電氣特性（PCISIG）、工業(yè)級歐洲卡封裝結構和規格（IEC 60297-3 and -4）和IEC 2mm堅固的米制針孔連接器（IEC-61076-4-101）。

　　PICMG 2.0 Revision 3.0規定了背板上各插槽之間、系統槽與背板、I/O模板與背板之間嚴格的互聯(lián)關(guān)系，定義了背板、模板和前后面板的結構、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(hù)使用或作為總線(xiàn)擴展用。同時(shí)，規范還為33MHz和66MHz工作頻率的時(shí)鐘信號分布，定義了嚴格的設計規則；定義了系統管理總線(xiàn)，并為背板上每個(gè)插槽定義了唯一對應的物理地址。CompactPCI系統由金屬外殼和前、后面板組成的整體導電和ESD電路設計，使得CompactPCI具有電磁輻射屏蔽和靜電釋放能力，表現出良好的電磁兼容性。

　　CompactPCI總線(xiàn)熱插拔技術(shù)

　　可維護性是嵌入式計算機非常重要的特性。此外，面向特定應用的系統（如電信設備、電力保護設備、車(chē)載控制系統和軍事系統等）還需要熱插拔（Hot Swapping）功能和容錯（Fault Tolerance）設計。

　　CompactPCI技術(shù)規范使得流行的PCI總線(xiàn)兼容架構可以用歐洲卡規格實(shí)現。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)現場(chǎng)應用的系統。為了提高CompactPCI系統的可維護性，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，插入或拔出正在運行的系統，而不影響或破壞系統的正常工作，從而為高可用性設計奠定基礎。為此，PICMG成立了熱插拔工作組，并于1998年8月發(fā)布了熱插拔標準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)布了熱插拔基礎軟件規范PICMG 2.12 R2.0。

　　PICMG 2.1 R2.0標準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運行過(guò)程中拔出或插入CompactPCI模板，但必須由訓練有素的操作員通過(guò)人機接口向操作系統發(fā)出控制命令才能實(shí)現，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。完全熱插拔模型應該是經(jīng)濟型工業(yè)計算機主要發(fā)展的目標。

　　高可用性模型 高可用性要求系統始終處于運行狀態(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(cháng)、中、短三層結構。長(cháng)針為模板提供預充電電源；中針連接工作電源和CompactPCI信號；短針為BD_SEL和IDSEL信號，用于啟動(dòng)板上電源控制，并通知該系統模板所處的狀態(tài)。標準規定：CompactPCI 熱插拔控制電路要求設計在模板上，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?xún)煞N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熱插拔設計的75%工作量是軟件設計，而硬件設計只占25%。

　　為了支持熱插拔, PICMG 2.1 R2.0定義了三種獨立于硬件的硬件抽象層接口：Hot Swap System Driver（熱插拔系統驅動(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），但對程序具體如何編制并沒(méi)有明確規定。但是，值得注意的是，2003年初在美國拉斯維加斯舉行的摩托羅拉計算機事業(yè)部年會(huì )上，很多著(zhù)名軟件操作系統公司都展示了支持CompactPCI熱插拔標準的產(chǎn)品，如Lynx的LynxOS、Microware的OS-9、Enea的OSE、Wind River的VxWorks、Integrated Systems的pSOS等。當然，最引人注目的要數GoAhead的SelfReliant和 Jungo的Go-HotSwap軟件，因為它們是獨立于操作系統的。雖然如此，由于缺少Windows通用操作系統的支持，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(xiàn)最初只是單一的總線(xiàn)標準。但當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(zhuān)業(yè)總線(xiàn)移植到CompactPCI背板上，使單一的PCI數據傳輸總線(xiàn)演變成控制總線(xiàn)”的可能。事實(shí)上，這一方面反映了“主流電信設備供應商希望用CompactPCI架構滿(mǎn)足一些高端應用的要求”；另一方面也說(shuō)明人們已經(jīng)開(kāi)始尋求打破CompactPCI總線(xiàn)插槽數量限制和高速數據傳輸瓶頸的手段。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，目標就是將交換式以太網(wǎng)機制增加到CompactPCI架構中。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)包交換背板標準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(xiàn)對傳輸速度的物理限制。

　　其次，它預示著(zhù)CompactPCI架構的板級互聯(lián)方式，從一點(diǎn)對多點(diǎn)的并行總線(xiàn)，步入到了點(diǎn)對點(diǎn)的串行總線(xiàn)互聯(lián)時(shí)代。

　　第三，它表明了人們在尋求提升系統性能途徑之時(shí)，傾向和選擇已經(jīng)成熟的交換機制技術(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。因為冗余設計簡(jiǎn)單、故障容易隔離、更換方便，因此基于交換機制的架構更適合設計高可用性系統。

　　PICMG 2.16主要是面向電信應用而設計的。PICMG 2.16使用雙冗余的星型網(wǎng)絡(luò )結構，通過(guò)以太網(wǎng)交換板實(shí)現了節點(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(xiàn)的傳輸性能，以及高度的可靠性和靈活性。基于PICMG 2.16可以構成刀片式服務(wù)器集群，電信設備商或服務(wù)商可以用來(lái)研制下一帶網(wǎng)絡(luò )系統產(chǎn)品，如2.5G和3G無(wú)線(xiàn)設備、VoIP媒體網(wǎng)關(guān)、軟交換設備、信令網(wǎng)關(guān)、IP DSLAM、語(yǔ)音/視頻/數據服務(wù)器和呼叫中心服務(wù)器等。所有這些設備都需要高可用性、高密度、高可靠性和高數據吞吐量，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，難道可以滿(mǎn)足未來(lái)數年之內電信技術(shù)發(fā)展的所有需要嗎？”

　　答案肯定是“不能”。

　　首先，隨著(zhù)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架構相適應。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的能力。

　　其次，目前CompactPCI模板的尺寸小，不能滿(mǎn)足日益增加的功能和容量設計要求。

　　第三，隨著(zhù)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(mǎn)足要求。

　　第四，目前CompactPCI插槽之間的0.8英寸間距，已經(jīng)不能適應系統散熱等功能的要求，如加大的散熱片、變高的內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(mǎn)足日益增長(cháng)的對具有每秒Terabits傳輸性能的開(kāi)放式架構平臺的需求。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，達到了數十Gigabit，而且還在繼續發(fā)展。

　　CompactPCI總線(xiàn)與PICMG 2.16、AdvancedTCA的關(guān)系

　　在今后5～10年，CompactPCI總線(xiàn)與PICMG 2.16、AdvancedTCA在相互補充中共存。CompactPCI總線(xiàn)主要面向工業(yè)自動(dòng)化應用，將逐漸取代VME（Versa Module Eurocard）和IPC，牢牢占據基礎自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化層。而PICMG 2.16和AdvancedTCA將主要針對電信應用，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)并投入運行的PICMG 2.16產(chǎn)品，憑借其高可用性、低成本將主要占據用量比較大的電信邊緣設備市場(chǎng)。而剛剛發(fā)布的在2004年以后才可能投入運行的AdvancedTCA，將主要占據價(jià)位高、用量小的電信核心設備市場(chǎng)，與PICMG 2.16形成優(yōu)勢互補。

　　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；其次是面向測試和測量應用設計。PXI的規格也有兩種：3U和6U。3U的PXI主要應用方向將是組成便攜或小型的測試、SCADA、監視與控制以及工業(yè)自動(dòng)化系統。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)測試設備應用發(fā)展。

　　PXI和VXI（是以VME計算機總線(xiàn)IEEE1014-1987為基礎的模塊化儀器結構。）將在既競爭又互補中共存很長(cháng)一段時(shí)間，最終PXI將取代VXI，成為主流工業(yè)標準測試平臺。同時(shí)PXI將向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域擴展，與CompactPCI形成優(yōu)勢互補，與CompactPCI共同奠定未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的基礎。

　　關(guān)于CompactPCI

　　PICMG協(xié)會(huì )于1994年提出了CompactPCI標準。作為新一代電信網(wǎng)絡(luò )平臺的CompactPCI標準，融合了電腦與工業(yè)設備諸多已經(jīng)通過(guò)驗證的標準，使電信設備具有高效能和如同專(zhuān)屬架構的高可靠度，同時(shí)又可享受PCI標準帶來(lái)的規模經(jīng)濟。其開(kāi)放、可程式化的高可用性，完全可以滿(mǎn)足電信領(lǐng)域應用中的高端要求，使用戶(hù)可以享受到低成本、高彈性與Time-to-Market等多重優(yōu)勢。

　　關(guān)于PXI

　　PXI是一種專(zhuān)業(yè)的模塊化儀器平臺，PXI具備PCI總線(xiàn)的電氣性能、CompactPCI總線(xiàn)的可靠性能、VXI總線(xiàn)的定時(shí)和觸發(fā)信號。它為PCI Extensions for Instrumentation 的縮寫(xiě)，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應用廣泛

　　近幾年，無(wú)論是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域、測試和測量自動(dòng)化領(lǐng)域還是電信等其它領(lǐng)域，人們對標準化、開(kāi)放性和面向未來(lái)的技術(shù)的追求，有力地驅動(dòng)著(zhù)CompactPCI/PXI技術(shù)的進(jìn)步和應用。與此同時(shí)，CompactPCI/PXI技術(shù)也逐漸被內地市場(chǎng)所接納和認同，應用氣氛十分活躍，應用效果明顯。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，CompactPCI/PXI應用的成績(jì)顯著(zhù)。

　　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，成功地應用在唐山市熱力總公司供熱項目上，開(kāi)發(fā)周期短，系統運行可靠。

　　陜西海泰電子研制的多通道瞬態(tài)信號測試系統，檢測器件電起爆/點(diǎn)火瞬態(tài)響應特性，解決了石油行業(yè)中火工品器件的參數測試問(wèn)題。

　　上海寶鋼采用CompactPCI/PXI研制的軋機震動(dòng)紋自動(dòng)監測、診斷系統，應用于軋鋼廠(chǎng)冷軋平整機組，為指導現場(chǎng)操作、進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制以及設備維護提供了科學(xué)手段。

　　清華大學(xué)利用基于CompactPCI/PXI技術(shù)建設的實(shí)驗室熱工水利學(xué)測控平臺，研制成功了先進(jìn)的熱工測量技術(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程監測系統，成功應用于勝利油田和華東輸油管理局的集輸管線(xiàn)和長(cháng)輸管線(xiàn)，取得了很好的效果。

　　北京航空航天大學(xué)應用CompactPCI/PXI技術(shù)成功完成了航空發(fā)動(dòng)機壓氣機管道聲模態(tài)及非定常特性測量的數據采集和分析課題。中國科學(xué)院上海所采用CompactPCI/PXI技術(shù)，研制成功的實(shí)驗衛星的信號分析系統和整星測試系統已經(jīng)投入運行。

　　清華大學(xué)基于CompactPCI/PXI技術(shù)，研制成功了數字地震監測系統，用于中國的核電站建設。

　　鐵科院基于CompactPCI/PXI技術(shù)研制成功的列車(chē)調度、監控系統，已經(jīng)得到應用。

　　西安翔宇航空科技有限公司在充分分析和借鑒國外先進(jìn)ATE技術(shù)基礎上，采用CompactPCI/PXI研制成功了航空機載電子設備全自動(dòng)綜合測試系統，已經(jīng)應用于飛機通訊、導航、儀表和機載計算機的維修測試過(guò)程。

　　中國空間技術(shù)研究院采用CompactPCI/PXI研制了一系列星載計算機及其測控系統的地面測試設備，完成新技術(shù)改造任務(wù)。

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