可堆叠式架构分歧

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 虽然标准组织在使用更新技术代替过时的ISA总线技术方面存在分歧,但经典PC / 104对嵌入式系统设计者仍具吸引力。

  要点

* PC/104模块大小适度,配置稳健,功耗低,成本低,可用性强,是高效的嵌入式系统开发平台。
* 虽然开发者是在衰退的行业标准架构(ISA)总线上开发了PC/104架构,且已使用长达20年之久,但该架构仍比包括PC/104-Plus和PCI-104在内的更高速扩展产品卖得好。
* 最近关于PC/104升级版的规范提议已经包括PCIe或 USB通信,以便保持与基于PCI的软件的兼容。
* 新的PC/104外型更新舍弃了直接与传统产品兼容,以提高计算和通信性能,并且维持板的空间。


随着官方规范的增加,以及要求开发更多性能的多个定制变体的出现,像PC/104这样的架构仍然是坚固且受空间限制的嵌入设计的主要选择。然而,这些架构将来可能面临麻烦。PC/104灵活多样,自其问世以来,一直是嵌入系统行业的宠儿,使设计者可以从数百个现成可用的处理器和扩展卡中进行选择,并有大量可用的桌面软件,以简化系统集成。遗憾的是,用户不断要求提高某些应用的数据速率,而行业协会尚未就下一代板到板通信策略达成一致。此外,由于最新的处理器芯片组不再支持传统PC/104架构,用户对于目前可用数据率的满意程度也面临问题。

  1987年,安普电脑(Ampro Computers)提出了最初的PC/104概念,以便将低成本台式机芯片和软件用于嵌入式系统。其名称取自PC以及16位业界标准架构(ISA)总线的接口脚数。该公司在 1992 年公布了PC/104的第一个正式规范,目前PC/104 Embedded Consortium仍保留该规范。PC/104卡使用堆叠嵌入连接器,无需主板、背板或插件框架。即使在恶劣的环境中,这些引脚和插槽总线连接器也能提供可靠的信号路径。PC/104卡有四个角落安装孔来支撑板,用于抵制撞击和振动。每个卡大小为 3.6英寸×3.8英寸,堆叠式卡间隔为0.6英寸。

  虽然ISA总线已经不在台式机中使用,但对于嵌入系统来说,它仍然具有优势。许多嵌入系统的设计者,对上一代处理器和停止使用的ISA总线很满意。外设卡简单、成本低、易于设计,这些都是嵌入产品的基本要求。ISA总线速度相对较低,这也使噪声和电磁干扰(EMI)防护方案更为简单。然而,ISA总线一直受欢迎的主要原因在于,大量的现成产品采用该架构,给了设计者很大的选择空间。多家制造商现在生产数百种独有的低成本现成PC/104产品(见附文1《PC/104新论》)。

  改变总线?

  自PC/104问世以来,设计人员为它集成了多种增强功能,以扩展其性能。外围设备互连(PCI)总线实际上已经取代了ISA在台式机中的地位,因而系统架构师把它增加到PC/104中。 PCI总线为高性能外设和应用特定硬件带来高得多的数据速率。PC/104 Embedded Consortium在 1997 年发布了PCI扩展规范,即PC/104-Plus。PC/104-Plus规范使板的设计人员可以选择单独使用ISA总线、同时使用PCI和ISA总线或单独使用PCI总线。PC/104-Plus需要新的连接器,即J3/P3,来容纳PCI总线脚。由于板空间损失是PCI升级版的劣势之一,因而PC/104 Embedded Consortimun创建了PCI-104变体,它无需使用ISA总线。原始版的PC/104仍然比PC/104和PCI-104 更新版都卖得好。

  为了跟上技术的发展,并跟上不断优化的桌面软件的节拍,业界组织已经为开发下一代PC/104至少提出了三种标准。这些更新采用由PCI SIG(Special Interest Group)定义的最新PCIe (PCI Express)规范,以及用于提高数据速率和改进板到板通信的USB(通用串行总线)2.0 技术(见附文2《PCI Express:可堆叠式系统的理想结构》)。虽然每种新标准均显著地改进了可堆叠架构的性能,但最终产品不能交互操作,并且各产品与传统PC/104产品的兼容程度也不尽相同。

  PC/104 Embedded Consortiun于2008年初就PCI / 104-Express规范达成一致协议,以便定义在嵌入式系统应用中使用高速 PCIe总线的标准方法。基本的PCIe链接包括两条信号通道,该通道使用低压差分信令(LVDS)摆动和恒流线路驱动器,能以5GT/s的速率在每个方向通信。可以通过增加信号对(或通道)来增加每个PCI Express链接的带宽,直到达到所需性能水平为止。虽然PCIe规范定义了1道、2道、4道、8道、16道和32道带宽,但PCI / 104-Express 规范只支持4个1道链接和1个16道链接。

 


瑞士数字逻辑(Digital-Logic)公司提供多种PCI/104-Express卡,包括MicroSpace MSM200 系列单板计算机(图1)。模块采用英特尔Atom处理器,运行速度为1.6 GHz,还提供多种板载RAM选项。模块的目标应用是电池供电的移动计算机、视频信息终端、具有音乐输出的游戏系统、测量仪器和电信设备。除了具有高速中央处理器 (CPU)之外,MSM200为上述应用提供所有标准的PC接口,包括以太网接口、一个音频控制器、四个 RS-232 接口和两个串行及一个平行磁盘接口。 MSM200 的起价为每单位(100)364 欧元(约520 美元)。

        Express104

  最近成立的行业贸易团体SFF SIG(Small Form Factor special-interest group)采取不同方法,于2008 年初定义了Express104 PC/104 extension。这些板采用一两种新开发的52脚可叠堆统一模块互连技术(SUMIT)连接器。其中一个连接器提供2个1道链接和1个4道链接,外加3个USB 2.0接口、1个低引脚计数总线、2个串行外围接口(SPI)通道、1个系统管理总线(SMBus)和1组ExpressCard接口信号。可供选择的第二个连接器提供另一组1道和4道链接。Express104 也支持可选配置,它包括一个PCI到ISA网桥芯片,以便与传统PC/104板兼容。虽然几家制造商已经表示了对Express 104模块的兴趣,但截至2008 年底,没有一家制造商发布该模块。

  Micro/sys Embedded Systems基于PC/104外型尺寸创建了一种新的可堆叠式结构,提供了另一种方法来加强通信协议。StackableUSB使用 USB,并且保留了PC/104的尺寸和堆叠优势。 StackableUSB 支持多达16个外围板,利用USB即插即用的功能,而且无需使用带有内置堆叠嵌入连接器的电缆。Micro/sys最近推出了基于 104外型尺寸的SBC1626网络就绪控制器,它带有7个 USB 端口,包括5个通过StackableUSB连接器的主机端口和2个客户端USB端口(图2)。除了联网功能之外,基于ARM的SBC1626还具有24条数字输入/输出线路、8个可读取DIP交换机、8个供应用程序使用的LED以及4个RS-232端口。64 MB板载线性闪存和128 MB SDRAM支持Linux或Windows CE等高级操作系统。基本SBC1626的起价为450 美元(1件)。


为了达到标准性能,只要传统产品可用,嵌入系统设计者将继续指定并集成传统的PC/104。此外,只要板设计者能够设法把较新芯片和过时的ISA总线连接起来,制造商将继续生产这些产品。如果要使用更高的性能,则需要更新升级。除非业界选择PC / 104的接替者,否则,由于制造商生产出不兼容的产品,很可能会使PC/104架构进入一个支离破碎的阶段。与此同时,经典PC/104继续存在。

  附文1:PC / 104 新论

  设计预算不仅要满足成本需求,而且还要考虑到开发时间、所占空间和性能因数,PC/104或PC/104兼容系统可成为有效的选择。PC/104或PC/104平台适用于需要少量(如有)硬件定制的设计方案,性能稳定,经过演进可在小型设备内提供更高性能。

  稳定的平台允许设计者更换供应商的PC/104产品,以便大幅度提高性能,而这种提高是过去几年使用的产品无法实现的。事实上,制造商可使组件位于板上的同样位置,这可能是使用行业标准产品的最重要优势之一,也简化了从较老的PC/104向较新的PC/104架构的设计演变。此外,一些制造商使模块特性保持一致,避免了PC/104设计需要添加布线而导致机箱内部结构更复杂。PC/104信号使用通孔连接器而非插件连接器,这样通过电缆把信号传输到外面。或者,设计者也可使用附带插件连接器的载板。

  PC/104堆叠通常最多有6个模块板。因此,设计者把CPU板以及所有连接器放在基线板顶部。如果CPU板缺少某种功能,这是一些供应商提供的模块板的常见问题,设计者必须在上面使用另一组模板。其中一块板可能包括图形,另一块可能包括声音,再一块可能采用以太网或火线接口。较高级的板能减小堆叠数。例如,一些带有内置输入/输出功能,因此设计者不需要使用具有图形、以太网或音频功能的单独PC/104板。使用功能强大和选择得当的板能快速将堆栈从6个小型单板计算机减少到只有2个。

  PC/104还具有一些其他优势,例如,适用于要求适度性能且预算较少的设计。而且,如果一个设计方案使用PC/104板,设计者倾向于停留在同一技术领域。紧缩的预算和占用较小空间可能意味着,要停留在同一平台内,需要进行一些折衷,但是PC/104的发展已经提高了在这一方面的潜力。并不是所有的PC/104板都一样,其中一些比较的更高级。

  附文2,PCI Express:可堆叠式系统的理想结构

  多种小型(SFF)嵌入式系统应用均采用可堆叠架构来支持系统和输入/输出扩展,而无需底板或插件框架。在过去的16 年间,可堆叠系统的互连元素从行业标准架构(ISA)迁移到外围设备互连(PCI)。现在,既然有PCI/104 Express标准可以遵循,嵌入式系统设计者可以利用PCIe(PCI Express)技术来降低成本和功耗,减少板占用空间,减少布线,减少连接器,提高数据吞吐量,缩短时延,并实现与传统PCI软件的兼容,这能大大简化向PCI/104-Express的过渡。

        采用PCIe的PC、服务器和工作站使其具有广泛可用性,促使PCIe设备数量快速上升,从而极大地降低其成本。实际上,一条传输速率为250Mb/s的PCIe链路只使用4条线,即一对传送器线路和一对接收器线路,降低了能耗。与此相比,32位PCI总线需要超过100条输入/输出线路,最大传输速率是125 Mb / s。输入输出线路明显减少,正是由于这一原因,芯片上的脚数减少,这意味着占板空间减少,连接器数量减少,PCIe布线减少。

  设计者已经在使用广泛发布的以25GT/s运行的第一代PCIe,以5GT/s运行的第二代PCIe,以及来自PLX Technology等供应商的交换机,以便在基于PCI/104 Express的可堆叠/SFF系统内构建高性能互连结构。PCI/104-Express需要4个1道第一代PCIe链接,每个链接支持250 Mb/s,该速度是PCI/104使用的32位、33-MHz PCI带宽的两倍。也可以使用第二代交换机,因为它们能自动向下链接第一代PCIe链路。这一速度极大地提高可堆叠/SFF 系统输入/输出带宽,从而造就速度更快的结构。另外,它提供多达4条高速输入/输出通道,不需要像PCI/104 那样,共享单一总线的带宽。PCI / 104 Express还指定了一条16道PCIe链接,大大提高数据吞吐量,使之达到PCI 32/33标准的32倍多。

  设计者已经应用了其他输入/输出互连,如USB和GbE(千兆位以太网),但二者的数据吞吐量和时延都不及PCIe。比如,一个高速USB 2.0 连接器仅能提供40 Mb/s的速度,而最慢的第一代PCIe链路的传送速率为250 Mb/s。GbE 仅支持125 Mb/s的速度,而且还具有高时延,而最快的16道第二代PCIe链路的吞吐量可高达10 Gb/s。

 

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