CompactPCI新型開(kāi)放式的工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)

　　Compact PCI是一種基于標(biāo)準(zhǔn)PCI總線(xiàn)的小巧而堅(jiān)固的高性能總線(xiàn)技術(shù)。這種開(kāi)放的工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)是由PICMG制定出來(lái)的。它是當(dāng)今個(gè)采用無(wú)源總線(xiàn)底版結(jié)構(gòu)的PCI系統(tǒng)。

　　1.PCI局部總線(xiàn)及其特點(diǎn)

　　PCI局部總線(xiàn)由美國(guó)Intel公司首先提出。1991年Intel公司聯(lián)合世界上多家公司成立了PCI SIG。PCI SIG致力于促進(jìn)PCI局部總線(xiàn)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立和發(fā)展。1992年,PCI SIG發(fā)布PCI局部總線(xiàn)規(guī)范1.0。經(jīng)過(guò)修改后,1993年發(fā)布了PCI局部總線(xiàn)規(guī)范2.0,1995年又發(fā)布了修改版2.1,并于1995年6月1日開(kāi)始生效。PCI局部總線(xiàn)是微型機(jī)上的處理器/存儲(chǔ)器與外圍控制部件、外圍附加卡之間的互連機(jī)構(gòu),它規(guī)定了互連機(jī)構(gòu)的協(xié)議、電氣、機(jī)械以及配置空間規(guī)范。在電氣方面還專(zhuān)門(mén)定義了5V和3.3V的信號(hào)環(huán)境。特別是PCI局部總線(xiàn)規(guī)范的2.1版定義了64位總線(xiàn)擴(kuò)展和66MHz總線(xiàn)時(shí)鐘的技術(shù)規(guī)范。

　　PCI局部總線(xiàn)規(guī)范是當(dāng)今微型機(jī)行業(yè)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn),也是業(yè)界微型機(jī)系統(tǒng)及產(chǎn)品普遍遵循的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。PCI局部總線(xiàn)不僅滿(mǎn)足高、中、低檔臺(tái)式機(jī)的應(yīng)用需要,而且適應(yīng)于從移動(dòng)計(jì)算到服務(wù)器整個(gè)領(lǐng)域的需要。PCI局部總線(xiàn)的主要特點(diǎn)是：

　　PCI局部總線(xiàn)是具有地址、數(shù)據(jù)多路復(fù)用的高性能32位或64位同步總線(xiàn)。因此,總線(xiàn)引腳數(shù)目少,對(duì)于總線(xiàn)目標(biāo)設(shè)備只有47根信號(hào)線(xiàn),對(duì)主設(shè)備多只有49根信號(hào)線(xiàn)。

　　PCI局部總線(xiàn)的誕生是隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需要而出現(xiàn)的。現(xiàn)代操作系統(tǒng),象Windows、OS/2,對(duì)圖形應(yīng)用是為敏感,為普遍的。傳統(tǒng)的PC?I/O結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為制約處理器和視頻顯示設(shè)備間的瓶頸,其他高性能的外圍設(shè)備,如LAN、SCSI、多媒體等等,也都需要高性能和高帶寬。PCI局部總線(xiàn)在33MHz總線(xiàn)時(shí)鐘、32位數(shù)據(jù)通路時(shí)可達(dá)到峰值132MB/s的帶寬,在33MHz主頻、64位數(shù)據(jù)通路時(shí),可達(dá)到峰值264MB/s的帶寬。在66MHz主頻時(shí),對(duì)于32位數(shù)據(jù)通路和64位數(shù)據(jù)通路帶寬的峰值,可分別達(dá)到264MB/s或528MB/s。

　　PCI局部總線(xiàn)的設(shè)計(jì)是獨(dú)立于處理器的。雖然它是由Intel公司提出的,但卻并不僅局限于Intel系列的處理器,當(dāng)今流行的其他處理器系列,如AlphaAxp系列、PowerPC系列、SPARC系列以及未來(lái)處理器結(jié)構(gòu)的下一代處理器都可以使用PCI局部總線(xiàn)。

　　PCI局部總線(xiàn)的全多主能力允許PCI總線(xiàn)的主設(shè)備能對(duì)等地訪問(wèn)總線(xiàn)上的任何主設(shè)備或目標(biāo)設(shè)備。PCI的配置空間規(guī)范能保證全系統(tǒng)的自動(dòng)配置,這大地增加了系統(tǒng)的易用性。PCI的向前和向后的兼容性又使得現(xiàn)存的各種產(chǎn)品能平滑地向新標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡,保護(hù)了用戶(hù)的利益。

　　2.工業(yè)計(jì)算機(jī)的基本要求

　　當(dāng)今的工業(yè)計(jì)算機(jī)像臺(tái)式機(jī)PC機(jī)一樣,同樣需要高速度和高性能,尤其是對(duì)于在可視化圖形操作界面、復(fù)雜的控制算法以及苛刻的時(shí)限要求等場(chǎng)合使用的工業(yè)計(jì)算機(jī)更是如此。此外,在若干辦公環(huán)境下,對(duì)于工業(yè)計(jì)算機(jī)還要有普通辦公設(shè)備所不及的特殊要求,現(xiàn)在很多工業(yè)計(jì)算機(jī)都配有PCI插槽，例如研華工控機(jī),富士康工業(yè)平板電腦等。

　　主要是：

　　·堅(jiān)固————工業(yè)計(jì)算機(jī)往往要工作在熱、冷、臟、差的環(huán)境,還要能承受一定的沖擊或振動(dòng),因此,對(duì)通風(fēng)、散熱、堅(jiān)固性的要求較高。

　　·可靠————MTBF要高。它涉及到電氣部件、機(jī)械部件、連接器以及配套的外圍設(shè)備的可靠性。

　　·模塊化————工業(yè)計(jì)算機(jī)除了要有普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)一樣的通用配置外,望瓦工內(nèi)還有多種不同用途的I/O,如模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、PLC、視頻借口或其他各種各樣的專(zhuān)用I/O。并且,不同的應(yīng)用對(duì)象要求也各異,這就勢(shì)必要用模塊化解決。

　　·標(biāo)準(zhǔn)化————成功的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大都不是一家能做好的,只有基于標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)才能從多個(gè)售主獲得好產(chǎn)品。

　　·前面板I/O————為了使用方便,工業(yè)計(jì)算機(jī)往往需要從前面連接I/O,前面板也兼有某些狀態(tài)指示、插卡拔取和鎖緊功能。

　　3.什么是CompactPCI

　　CompactPCI是compact?peripheral?component?interconnect的英文縮寫(xiě),意思是“堅(jiān)實(shí)的PCI”。簡(jiǎn)單地說(shuō),CompactPCI是PCI總線(xiàn)的電氣和軟件標(biāo)準(zhǔn)加歐式卡的工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn),它是當(dāng)今新的一種工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

　　1993年以來(lái),由于PCI總線(xiàn)在開(kāi)放性、高性能、低成本、通用操作系統(tǒng)等方面的優(yōu)勢(shì),使其得到迅速的普及和發(fā)展。這一沖擊波大大地激發(fā)了通信市場(chǎng)和工業(yè)領(lǐng)域的制造商及堅(jiān)實(shí)、模塊化、更易用、生命周期更長(zhǎng)的嵌入式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品,滿(mǎn)足本領(lǐng)域的需要。

　　1994年,美國(guó)的一些工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商建立了PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造協(xié)會(huì)（PCI?industrial?computer?manufacturers?group）,簡(jiǎn)稱(chēng)PICMG。作為一個(gè)非牟利的行業(yè)組織,PICMG主要致力于擴(kuò)展PCI標(biāo)準(zhǔn)到工業(yè)系統(tǒng);管理和維護(hù)相關(guān)的PCI規(guī)范;促進(jìn)建立相關(guān)的PCI規(guī)范成為工業(yè)范圍的標(biāo)準(zhǔn)。PICMG的成員是自愿參加的,按繳納會(huì)費(fèi)的多少分執(zhí)行成員、聯(lián)絡(luò)員、和會(huì)員三級(jí)。PICMG的長(zhǎng)遠(yuǎn)享有不同的權(quán)利,現(xiàn)有成員的總數(shù)在370個(gè)以上。1995年P(guān)ICMG出版了CompactPCI規(guī)范1.0,1997年又出版了CompactPCI規(guī)范2.0。這些規(guī)范是CompactPCI的核心規(guī)范,必須付費(fèi)購(gòu)買(mǎi)。

　　設(shè)計(jì)CompactPCI的出發(fā)點(diǎn)在于,迅速利用PCI的優(yōu)點(diǎn),提供滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境應(yīng)用要求的高性能的核心系統(tǒng),而同時(shí)還能充分利用傳統(tǒng)的總線(xiàn)產(chǎn)品,如ISA、STD、VME或PC104來(lái)擴(kuò)充系統(tǒng)的I/O和其他功能。

　　因此,CompactPCI不是重新設(shè)計(jì)PCI規(guī)范,而是改造現(xiàn)行的PCI規(guī)范,使其成為無(wú)源底版總線(xiàn)式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例如,原PCI規(guī)范多只能接納4塊附加的插卡,這對(duì)工業(yè)應(yīng)用往往是不夠的。CompactPCI的基本系統(tǒng)就設(shè)計(jì)成了8塊卡。CompactPCI依附于PCI平臺(tái),在芯片、軟件和開(kāi)發(fā)工具方面可以得到大批量生產(chǎn)制造的PC機(jī)資源,有利于自身成本的降低。

　　經(jīng)過(guò)VME總線(xiàn)產(chǎn)品的廣泛使用,證明歐式卡組裝技術(shù)是十分可靠和成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù),特別適合各種嵌入式應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn)是：

　　·標(biāo)準(zhǔn)化組裝技術(shù)可從多個(gè)供貨商得到,有利于降低開(kāi)發(fā)投資。

　　·板卡垂直于地平行插入機(jī)箱,利于通風(fēng)冷卻。

　　·每個(gè)插卡都能用螺釘鎖緊,有利于抗沖擊和振動(dòng)。

　　·插入式的電源模塊便于維修。

　　·容易安裝到標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架和工廠的其他裝置中。

　　4.CompactPCI系統(tǒng)介紹（見(jiàn)PICMG發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)文檔）

　　5.CompactPCI系統(tǒng)的擴(kuò)展

　　基本的CompactPCI系統(tǒng)只也許有8個(gè)插槽,一個(gè)槽插系統(tǒng)卡,7個(gè)槽插外圍適配器卡。PICMG的初衷是利用PCI貧農(nóng)柜臺(tái)迅速提供高性能工業(yè)機(jī)的核心系統(tǒng),這對(duì)于使用超大規(guī)模集成電路的今天,8塊插卡的系統(tǒng)已經(jīng)是可觀的規(guī)模了,但是大多數(shù)嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)還是要求有多余8個(gè)槽的擴(kuò)展系統(tǒng)。對(duì)于插卡式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),總線(xiàn)底版上的插槽數(shù)取決于所使用的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)。VME總線(xiàn)使用高電流驅(qū)動(dòng)能力,而CompactPCI使用CMOS（反射波）技術(shù),只能支持8個(gè)槽。為了增加更多的插槽,可以使用PCI到PCI橋電路芯片擴(kuò)展第2個(gè)PCI總線(xiàn)段,在第2個(gè)PCI總線(xiàn)段上還可以插入附加的適配器卡。具體實(shí)現(xiàn)方法可以多樣。例如,在第1個(gè)PCI總線(xiàn)段的6U卡上安裝橋電路芯片,利用附加連接器J4、J5把總線(xiàn)信號(hào)映射到規(guī)定的引腳上即可把總線(xiàn)信號(hào)擴(kuò)展出去。PCI到PCI的橋電路芯片可以看成是“超級(jí)緩沖器”,盡管它的集成度很高,內(nèi)部功能也很復(fù)雜。用橋電路擴(kuò)展PCI總線(xiàn)段的方法在制定規(guī)范時(shí)進(jìn)行過(guò)全面仿真測(cè)試,結(jié)果表明這種擴(kuò)展帶來(lái)的損失并不大,一般每次總線(xiàn)交易只增加一個(gè)時(shí)鐘周期（30～33ns）。使用橋電路擴(kuò)展PCI總線(xiàn)段的方法允許創(chuàng)建很大的系統(tǒng),實(shí)際使用時(shí)按需要決定。PCI到PCI橋電路芯片在市場(chǎng)上已有多家公司出售。

　　利用橋電路芯片也可將CompactPCI與別的總線(xiàn)組成混合系統(tǒng)。例如,在一塊6U的系統(tǒng)卡上,使用PCIVME的橋電路相片（Newbridge公司出售）將VME-64的信號(hào)映射到CompactPCI的J4、J5連接器上,就可以創(chuàng)建CompactPCI/VME的混合系統(tǒng)。Force公司已宣布了這種系統(tǒng)。PCI的基本傳送方式是突發(fā)傳送,傳送速度很高。用CompactPCI存取普通低速I(mǎi)/O,如并行、A/D轉(zhuǎn)換器等并未有效利用系統(tǒng)的性能。假如完成一次8位或16位的寫(xiě)周期,PCI可能要用100ns,但這仍比低速I(mǎi)/O的存取速度快很多。而若使用PCI到ISA的橋電路芯片就能實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換,并且有效地解決了今天市場(chǎng)上廣為流行的普通I/O的繼續(xù)使用問(wèn)題。

　　在工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用方面,通信系統(tǒng)中I/O模塊數(shù)量大,線(xiàn)纜多,如何方便有效地解決I/O模塊的擴(kuò)展問(wèn)題,PICMG的成員通過(guò)實(shí)踐急做出了回答。在新規(guī)范中定義的總線(xiàn)底板上和適配器卡上的3個(gè)附加連接器（J3/P3,J4/P4,J5/P5）總的引腳數(shù)達(dá)到315個(gè),通過(guò)這些引腳可以容易地I/O模塊的擴(kuò)展。新修改的IEEE1101.11機(jī)械規(guī)范草案發(fā)布時(shí)將會(huì)有詳細(xì)的規(guī)定。擴(kuò)展用戶(hù)I/O模塊的另一種常用的方法就是所謂“樓中樓（mezzanine）”模塊。這種“樓中樓”模塊又叫子塊,現(xiàn)已發(fā)展了2個(gè)系列的子塊標(biāo)準(zhǔn),一個(gè)是工業(yè)PACK,一個(gè)是PMC。工業(yè)PACK子塊的尺寸是45.7mm×99mm（1.8＂×3.9＂）,它自身帶有2個(gè)連接器,一個(gè)是PCI總線(xiàn)接口,一個(gè)是50腳的用戶(hù)接口。子卡插在“載卡”上,“載卡”就是CompactPCI適配器卡,然后用尼龍螺釘固定住。3U的載卡上可安裝2塊子卡,6U的適配器上可安裝4塊子卡。PMC模塊是由VME制造商開(kāi)發(fā)的,尺寸稍大些,6U卡上可安裝2塊。

　　另外,為了利用新的技術(shù)成果,USB和IEEE1394也可作為CompactPCI的擴(kuò)展手段。USB（通用串行總線(xiàn)）標(biāo)準(zhǔn)能提高12MB/s的總線(xiàn)帶寬,常用的鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、顯示器、揚(yáng)聲器、掃描儀、游戲操縱桿、打印機(jī)等均可通過(guò)電纜連接到系統(tǒng),并得到Windwos和NT的支持。若要達(dá)到能處理非壓縮活動(dòng)視頻信息的要求,IEEE1394不失為一種好選擇,它能提供100～400MB/s的帶寬,滿(mǎn)足MPEG-2、視頻磁盤(pán)或SVGA高質(zhì)量視頻處理的要求。

　　6.結(jié)束語(yǔ)

　　CompactPCI是一種新的開(kāi)放的工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn),它是PCI總線(xiàn)技術(shù)和成熟的歐式卡組裝技術(shù)的結(jié)合。采用CompactPCI既能即時(shí)吸取PC機(jī)新硅技術(shù)的成果,又具有滿(mǎn)足通信和工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用所必要的堅(jiān)固、可靠、模塊化、易使用、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。其如此優(yōu)越的性能，必將在工業(yè)計(jì)算機(jī)定制工控機(jī)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。