CompactPCI-Express系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展

1? CompactPCI-Express發(fā)展現(xiàn)狀


CompactPCI規(guī)范成熟之后，產(chǎn)品應(yīng)用不斷拓寬，同時(shí)，CompactPCI性能、帶寬等問題也日益凸顯。2005年，CompactPCI-Express規(guī)范誕生，此規(guī)范的主要目的在于促進(jìn)CompactPCI在軍事防御與航空航天市場(chǎng)的發(fā)展。時(shí)至今日，CompactPCI-Express并沒有像想象中那樣快速發(fā)展，國內(nèi)外僅有少數(shù)幾家廠商少量研發(fā)生產(chǎn)CompactPCI-Express產(chǎn)品，并且集中在3U簡單系統(tǒng)方面，很少涉及6U CompactPCI-Express大型系統(tǒng)開發(fā)。CompactPCI-Express優(yōu)勢(shì)明顯，為何未能在過去三年中得到大規(guī)模的應(yīng)用？其應(yīng)用模式是否將轉(zhuǎn)換？它在工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展前景如何？

2? CompactPCI-Express核心技術(shù)

CompactPCI-Express采用串行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，將110根CompactPCI并行數(shù)據(jù)地址線、控制線、仲裁線、時(shí)鐘線、系統(tǒng)復(fù)位線、中斷線減少到4根差分傳輸線，且串行機(jī)制中包括PCI-Express所有通信協(xié)議?？偩€數(shù)量的將少，使得產(chǎn)品化過程中的PCB制作、布線變得更容易。同時(shí)，CompactPCI-Express背板FR4 PCB布線可達(dá)50厘米，而CompactPCI卻局限于PCB布線長度、PCI橋擴(kuò)展機(jī)制的影響。所以，CompactPCI-Expres在系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度、擴(kuò)展性方面勝于CompactPCI。

CompactPCI-Express板間互聯(lián)采用Link點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)接，每一個(gè)Link可由X1、X2、X4、X8、X16個(gè)Lane聯(lián)接，每一個(gè)Lane由一對(duì)TX差分信號(hào)對(duì)和一對(duì)RX差分信號(hào)對(duì)組成，數(shù)據(jù)雙向傳輸。X1 Lane單向速度為250Mbytes/s，雙向即為500Mbytes/s，而傳統(tǒng)的33MHz/32Bit CompactPCI?總線僅為132?Mbytes/s。CompactPCI-Express采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的互聯(lián)，CompactPCI則是共享總線帶寬，這樣，CompactPCI-Express速度優(yōu)勢(shì)更為明顯。另外，CompactPCI-Express高速信號(hào)ADF差分連接器性能優(yōu)于CompactPCI?2mm HM連接器，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)傳輸性能。

CompactPCI-Express系統(tǒng)還具備熱插拔、IPMI系統(tǒng)管理功能。熱插拔增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性，是工控產(chǎn)品經(jīng)久不衰的特性。IPMI在ATCA、MTCA、服務(wù)器等產(chǎn)品方面應(yīng)用廣泛，側(cè)重于電信領(lǐng)域，在工控領(lǐng)域不會(huì)得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用！

鑒于以上分析，CompactPCI-Express最核心、最適用的技術(shù)既是：擴(kuò)展性能強(qiáng)、傳輸性能高、可熱插拔、設(shè)計(jì)難度低！

3? CompactPCI-Express為何未能得到大規(guī)模應(yīng)用？

CompactPCI最早主要用于電信，伴隨著電信領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品性能、數(shù)據(jù)傳輸帶寬的高要求，CompactPCI應(yīng)用減少，而ATCA規(guī)范得到發(fā)展，并逐漸在電信骨干網(wǎng)、核心網(wǎng)、接入網(wǎng)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。CompactPCI-Express雖然充分利用了PCI-Express的速度，但是CPCI架構(gòu)的板卡尺寸、供電能力不足以滿足高性能、大功耗要求，因此，對(duì)于2005年以后的電信硬件平臺(tái)，ATCA規(guī)范的產(chǎn)品得到大力發(fā)展，CompactPCI-Express卻是風(fēng)平浪靜！ATCA、MTCA的誕生，基本上使得CompactPCI-Express從電信領(lǐng)域出局，僅能占據(jù)少量的電信設(shè)備邊緣市場(chǎng)，比如，僅有少數(shù)廠家用CompactPCI-Express做CTI語音業(yè)務(wù)。

同時(shí)，工控領(lǐng)域產(chǎn)品種類多，產(chǎn)品生命周期較長，新技術(shù)的采用也有一個(gè)較長的過程。CompactPCI-Express產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用，不僅需要基礎(chǔ)平臺(tái)（機(jī)箱、背板、主控板）開發(fā)商大力推崇，還需CompactPCI-Express IO卡（擴(kuò)展卡、應(yīng)用卡）開發(fā)商積極參與，缺少任何一個(gè)環(huán)節(jié)，CompactPCI-Express都無法得到產(chǎn)品化。目前，基礎(chǔ)平臺(tái)商想開發(fā)CompactPCI-Express而擔(dān)心投資回報(bào)，IO卡廠家作為中間環(huán)節(jié)而處于觀望中，終端客戶的各廠家、科研院所看好CompactPCI-Express，礙于已有產(chǎn)品技術(shù)的穩(wěn)定，叫好不叫座！

值得欣慰的是，工控行業(yè)的上下游廠商對(duì)CompactPCI-Express產(chǎn)品應(yīng)用的討論越來越多，國內(nèi)某些科研所也投資開發(fā)CompactPCI-Express產(chǎn)品，所以，現(xiàn)在的形勢(shì)需要我們重新思考和定位CompactPCI-Express。

4? 工控領(lǐng)域CompactPCI-Expres特種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用特性。

CompactPCI產(chǎn)品具備眾多優(yōu)點(diǎn)，如熱插拔、加固、防震、防腐蝕、易擴(kuò)展等等，CompactPCI-Express保留了CompactPCI的優(yōu)點(diǎn)并且提高了傳輸帶寬。另外，基于CompactPCI-Express背板系統(tǒng)的板間互聯(lián)，各個(gè)模塊在本質(zhì)上屬于同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，板間互聯(lián)通訊僅需要各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序、不需要任何其他協(xié)議。這是CompactPCI-Express特種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要特性。

從應(yīng)用上講，PICMG為CompactPCI-Express系統(tǒng)定義了多種槽位，如Type1、Type2、Hybrid混合槽、傳統(tǒng)CompactPCI槽，這樣一來，整個(gè)CompactPCI-Express系統(tǒng)有多種槽位配置。經(jīng)調(diào)查，用戶的應(yīng)用大都在于Type1、Type2共存系統(tǒng)，購買CompactPCI-Express混合系統(tǒng)著實(shí)有些浪費(fèi)，僅某些科研所用混合槽系統(tǒng)作測(cè)試設(shè)備。目前，國內(nèi)外商家開發(fā)的CompactPCI-Express系統(tǒng)大都是混合槽系統(tǒng)，可見，設(shè)備制造商對(duì)用戶需求的理解有失偏頗！

從另一個(gè)角看，設(shè)備制造商產(chǎn)品開發(fā)遵從行業(yè)規(guī)范，3年前PICMG協(xié)會(huì)為了兼容傳統(tǒng)的CompactPCI板卡，從理論上定義多種槽位CompactPCI-Express系統(tǒng)，間接導(dǎo)致了設(shè)備制造商在產(chǎn)品化CompactPCI-Express系統(tǒng)時(shí)的迷茫！

鑒于此，重新定位CompactPCI?Expres，發(fā)展純Type1/Type2 CompactPCI-Express系統(tǒng)符合主流市場(chǎng)需求，并能更好地推動(dòng)CompactPCI-Express產(chǎn)品化。下面是研祥預(yù)研的6U Type1/ Type2 CompactPCI-Express系統(tǒng)架構(gòu)：



6U系統(tǒng)是CompactPCI-Express今后的主要發(fā)展方向。相比于3U系統(tǒng)它能充分發(fā)揮CompactPCI-Express的性能優(yōu)勢(shì)。

5? CompactPCI-Express系統(tǒng)發(fā)展前景

工業(yè)化程度的提高，必然要求工控機(jī)諸多性能的提高，工控特種計(jì)算機(jī)行業(yè)在不久的將來必然有一場(chǎng)產(chǎn)品變革。傳統(tǒng)IPC、EIP促進(jìn)了第二代工控機(jī)的大力發(fā)展，而今，其缺點(diǎn)正是CompactPCI工控機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，比如：熱插拔、加固、防震、防腐蝕、易擴(kuò)展等特性。由此可見，CompactPCI將主導(dǎo)第三代工控機(jī)的發(fā)展。

在計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)中, 計(jì)算機(jī)I /O 技術(shù)始終是一個(gè)十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。其技術(shù)特性決定了計(jì)算機(jī)I /O 處理能力, 進(jìn)而決定了計(jì)算機(jī)的整體性能以及應(yīng)用環(huán)境。從根本上講,無論現(xiàn)在還是將來, I /O 技術(shù)都將制約著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展, 尤其在高端計(jì)算領(lǐng)域。PCI Express 技術(shù)是第三代先進(jìn)的I /O 總線技術(shù), 代表未來十年計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展方向，它是目前唯一被驗(yàn)證過高速計(jì)算機(jī)IO總線，能夠進(jìn)行板間直接擴(kuò)展。目前，還沒有一種計(jì)算總線能像PCI-Express這樣兼顧傳輸帶寬與成熟的應(yīng)用。所以，從技術(shù)發(fā)展的角度看，基于PCI-Expres的CompactPCI-Express將占領(lǐng)第三代工控機(jī)的至高點(diǎn)，而從應(yīng)用的角度看，PCI帶寬限制了眾多應(yīng)用，CompactPCI-Express將解決CompactPCI軍工、測(cè)控、航空航天等領(lǐng)域眾多的需求！

參考文獻(xiàn):

CompactPCI-Express PICMG EXP.0 R1.0 Specification? June 27，2005

作者簡介: 蒙佺，男，1980年9出生，畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)為研祥智能股份有限公司通訊產(chǎn)品事業(yè)部總監(jiān)。