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嵌入系统标准：避免追求高性能而产生的问题
EDAchina Warren Webb

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要点 ·有了高速结构技术附件，共享总线体系结构并继续支持今天的高性能嵌入系统。 ·大多数高性能嵌入系统都是专有的，或是基于PCI、VME、CompactPCI以及Advanced-TCA电路板标准的。 ·COTS（商用现成）产品使设计师能用较高的续生费用来换取开发费用的节省和开发周期的缩短。 ·可供选择的COTS电路板级规范的升级预示着可能会出现业界分裂问题和产品互操作问题。 ·嵌入式系统设计师们发现自己身处无休止的激战之中，管理部门要求减少预算、缩短开发时间，而顾客则坚持增加功能。按照传统，设计师应对这场激战的办法是在产品中采用从嵌入式计算市场买来的COTS（商用现成）处理器和外设模块。然而，当高性能嵌入系统超越技术极限时，COTS 制造商必须对自己的规范与产品进行升级并使之精益求精，才能满足不断增长的先进设备的需求。正是在医疗仪器、军用系统、通信设备以及过程自动化这几个领域中，快速提高的数据速率、业已增长的处理需求和设备复杂性均已加大了现成的电路板级技术的压力。中小型公司为 COTS 行业提供了大部分机箱、电源、底板和插件板。据Tek 微系统公司首席执行官 Andrew Reddig 说，“大约 70 家供应商竞争COTS电路板业务。在这70家供应商中，只有约 10 家的年销售额超过 2500 万美元。” 虽然嵌入系统市场很小，但金融分析师们预计该市场在不久的将来会得到增长。CIBC公司的资深分析师 Jeff Berson 预言：“嵌入系统市场会继续发展，增加投资机会。尽管该市场很小，但在华尔街看来，却极具吸引力，投资者如能及早参与成长周期，都将会从中获益。” 一个典型的嵌入系统项目可能包括一个现成的底板、处理器以及用户接口部分，并可能将定制设计工作减少到几乎没有硬件设计和专用软件。基于各种标准的设计可使用兼容的操作系统以及供应商提供的驱动程序和固件样品，从而也可减少软件开发工作。有了电路板级标准，也就不需要实现最佳冷却性能与机械对准所必需的反复试验反复设计。为了利用现成技术获得最大好处，许多制造商将他们高性能的嵌入系统建立在大众化的 COTS电路板体系结构上，如 PCI、VME、CompactPCI 和 AdvancedTCA 标准。这些开放标准概括了电路板和机箱的基本特性，以及可供选择的扩充功能，用以满足某些工业、医疗、电信、军用以及消费类应用系统的特定性能或可靠性需求。尽管在其基本配置中，这些规范大多使用具有固有带宽和升级限制的传统共享总线技术，但明智的升级与功能扩充却能提供先进的性能。对于高性能应用系统来说，各种标准现在都能提供某种形式的交换式体系结构，不存在与多点总线方案有关的种种问题。有了这种体系结构，电脑节点间的高速点对点路径就可以动态变化，支持多个并行的数据传输。一个先进的交换结构系统还可以使信号路由绕过故障路径或节点，从而提高系统的可用性。除了需要提高交换结构数据处理能力以外，高性能系统还需要在其它领域内进行规范扩充。电路板尺寸是一个良好的例子。尽管硅片设计师正在把更多功能塞到较小的空间内，但人们要求增加某些应用系统的复杂性和冗余度，这就要关注电路板面积。最流行的 VME 和 CompactPCI 电路板尺寸一直是 6U。但是，最新的电路板标准，即 AdvancedTCA，具有 8U 的形状系数，元件面积增加一倍以上。元件密度增加和电路板尺寸加大也会造成冷却问题和配电问题。VME 与 CompactPCI 采用的 0.8 英寸电路板间距，使每块电路板的功耗上限在强制冷却情况下不可超过50W。但现在有些传导冷却和液冷方案扩大了这一功耗范围。AdvancedTCA 在风冷情况下的功耗为每个插槽 200W。在高性能系统的底板功耗有可能接近 3 kW的情况下，传统电源电压（如 5V 或 3.3V，而电流为600A ～ 1000A）的分配就不切实际了。AdvancedTCA 规定，双 -48V 直流电源直接为每个插槽馈电再由 DC/DC 转换器提供局部的逻辑电平电压。老产品仍能吸引人在对电路板标准的性能水平进行升级与扩充时，与老产品的兼容性是一个最敏感的问题。VME 与 PCI 已经过多次升级，以提高共享总线的数据传输率，并使老产品能以原有的速度相互通信。最近的交换结构升级能在共享总线配置不使用的底板连线和边缘卡连线上传送高速数据。长期可用性也是对高性能嵌入产品的一个主要要求。虽然台式机部件的平均寿命约为 18 个月，但用户仍期望嵌入产品的寿命长达5年以上，有些军用项目要求达到 15 年的生存周期。 PCI 总线自20世纪 90 年代推出以来，已成为台式电脑行业的基石。最初的总线频率为 33 MHz， 32 位宽的并行数据通路具有 133 MB/s的数据速率。一系列保留老产品的升级已将时钟频率提升至 PCI-X 的 1 GB/s。当环境因素不是一个问题时，PCI 是低成本系统元件的一个重要来源。最新一代的PCI-Express总线提供可升级的高带宽数据路径、信息包化的数据协议以及与PCI硬件和驱动软件的兼容性。基本的PCI Express链路包括两个信号通路，这两个信号通路均使用LVDS（低压差分信号传输）驱动器和恒流线路驱动器来进行通信，每个方向的数据传输速率为2.5Gbps 。有一种升级正在进行之中，为的是将基本数据速率提高至5 Gbps。你只要增加信号线对或通道，就可以提高每个 PCI-Express链路的带宽，直至达到所需性能水平。 RadiSys公司的新型Endura AB915GM是一块9英寸×7.5英寸的ATX 主板，适用于低功耗高性能嵌入系统（图 1）。它支持具有533 MHz前侧总线和2MB 第二层超高速缓存器的PCI-Express 和 Intel Pentium M 处理器。AB915GM具有集成的高性能图形功能，支持双独立显示器。 PCI插槽、 PCI-Express 插槽、 MM/SD 闪存插槽以及PCI-Express 小型卡插槽都具有外设扩充功能。（图片） PICMG（PCI 工业计算机制造商小组）在电信业快速发展期间推出了 CompactPCI，旨在将低成本的 PCI 台式机硬件包装在一个牢固的外壳中。这种方案可以使嵌入系统开发人员使用现成的硅片和台式机应用软件。PICMG控制并支持CompactPCI，CompactPCI电路板是基于定义3U和6U板尺寸的Eurocard工业标准的。比较流行的6U电路板的后侧可有多达5个连接器，其中两个连接器用于 CompactPCI总线，其它3个用于用户定义的I/O连接。 CompactPCI信息包交换底板，即PICMG 2.16，是对高性能嵌入系统基本规范的最新升级，可为用户定义的引脚增加双交换式10/100/1000以太网结构。SBS技术公司最近推出一个符合PICMG 2.16标准的CompactPCI 千兆以太网交换机，用于高速上网（图2）。24端口的 CP6交换机用来进行第2层交换和第3层IP网络路由选择，无需主机介入或软件驱动程序。CP6 有风冷及传导冷却两种款式，适用于商用温度范围及扩展温度范围的应用场合。对流冷却的CP6的起价为4900 美元，三种款式产品现均有售。（图片）大电路板占支配地位 AdvancedTCA具有较大的形状系数、高可用性功能以及高速互连结构，有望成为电信行业中广泛采用的专有设备的现成替代品。AdvancedTCA规范为所有电路板和有源模块提供热插拔能力，从而使系统能达到甚至超过难以达到的“五个 9”（99.999%）可用性。该结构的接口提供一种全网格的互连体系结构，每个插槽均可直接连接到其它插槽。为吸纳业内的不同意见，AdvancedTCA的基本规范没有规定数据传输的结构技术。而是用一系列次要规范定义了各种结构（如以太网、光纤通道、InfiniBand、StarFabric、PCI-Express和RapidIO）的底板细节。尽管这种方法可以使制造商用任何结构技术生产出符合要求的电路板，但却带来了互操作问题，并可能使规范支离破碎。 Artesyn技术公司刚宣布推出一种用于电信业的AdvancedTCA包处理底板——Katana PPB（图3）。KatanaPPB有多达6个Freescale PowerPC 7447A处理器，每个处理器都有一个Altivec向量处理单元、32kB第一级指令与数据缓存器、512kB第二级缓存器，以及用于对称多处理的缓存协调机制。两个MPC-7447A处理器可直接装在这一底板上，用以进行分布式处理或对称式多处理。用户可在单独的ProcessorPMC夹层卡上安装多达4个附加的处理器。Artesyn通信产品公司副总裁Todd Wynia解释道：“Katana的6个PowerPC处理器和高速交换结构可以为各种各样的电信系统提供控制与信息包处理功能，其中包括WAN接入、SS7/信令传输、媒体网关、传输处理、无线基站控制器以及软交换。”对 KatanaPPB的软件支持包括内部支持对称多处理的运营商级Linux。配有两个MPC7447A处理器的KatanaPPB，其OEM价格不低于4407美元。（图片） VMEbus(VERSA模块Eurocard 总线)标准颁布于1981年，是最老的嵌入系统体系结构。VMEbus采用一块3U、6U或9U的电路板以及一个与底板接口的插销接头，适用于严酷的工业应用环境。这一基本标准确定了根据一个可变速信号交换协议进行异步数据传输的电路板之间的主从关系。VMEbus的数据传输速率已经随着每个新的VITA（VMEbus国际行业协会）标准的颁布而提高。VITA于1996年批准的VME64，将通路宽度增加一倍，达到64位，从而使数据速率提高到80 MHz。这一数据速率又一次增加一倍，达到160 MB/s，这使传输协议从四边信号交换协议简化为双边信号交换协议。最新的2eSST（双边源同步传输）互连可以在VMEbus上以320 MB/s的速率传输数据。Freescale公司的MVME3100单板机是2eSST协议的典型，它采用一个Freescale MPC-8540 PowerPC处理器、高达512 MB的SDRAM和128 MB闪存、双 66 MHz-64 位PMC-X点扩展、千兆以太网以及USB 2.0接口（图4）。MVME3100的各种款式将在 2005年第三季度面世，其起价为1895美元。（图片）结构扩展最近批准的VSX（VITA 41交换式串行扩展）在VMEbus标准上增加了结构功能，并保持与老产品的兼容性。一个新的PC连接器将高速串行信号转接到机箱内的一个或两个交换卡上，再分配至预定目的地。为防止将这一规范与某一结构技术联系在一起，VITA 41子规范为InfiniBand、RapidIO、千兆以太网和PCI-Express 确定了交换插槽定义和电路卡定义。一种悬而未决的VITA 46升级电路板用一种额定速率超过6 Gbps的7行连接器替换VMEbus连接器，并为所有电路板之间的通信提供高速串行结构。这种电路板尽管在尺寸和电气性能上与VMEbus模块兼容，但为了达到最大的性能而牺牲了向后兼容性。聪明的底板设计师提出的混合VITA 46配置，可使每一代电路板在同一个机箱内共存。与以前的结构标准类似，VITA 46在子规范中确定结构配置。不管你选择的标准如何，大量现成的COTS电路板对于高性能嵌入式系统开发过程来说是至关重要的。当设计师拓展技术边界时，电路板供应商与标准化组织都必须赶紧升级规范，并用相应产品填补空缺。如果一直成功的COTS产品出现问题，则可能是业界不能决定一种或两种交换结构技术。在供应商制造的电路板支持多达6种相互竞争结构的情况下，预计按同一标准生产的模块之间的互操作问题会日益严重。作为高性能COTS板使用VMEbus VXS扩展的一个实例，BittWave公司最近宣布推出用于雷达、声纳、通信和成像等系统的T2-6U-VME（图5）。该电路板有8个 600 MHz ADSP-TS201S TigerSHARC数字信号处理器（ DSP）、两个Xilinx Virtex-II Pro现场可编程门阵列（FPGA）、一个 PMC+ 位置、512 MB SDRAM以及通过前面板、VXS 交换结构和2eSST VME的9 GB/s高通量I/O接口。BittWare公司总裁Jeff Milrod说：“我们的TigerSHARC系列PCI与CompactPCI电路板业已被普遍采用，现在有了VXS，我们可以用VMEbus尺寸，提供相同的连续I/O和实时信号处理性能。”商用的风冷电路板已上市，传导冷却电路板即将推出。它们的起价为18995美元。（图片） 9/2/2005


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