高可性嵌入式CPII系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化解決方案

一、引言

以標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的嵌入式系統(tǒng)，由于可以與各種各樣的復(fù)雜的設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起，非常靈活地實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)測、控制和管理功能，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域廣為接受并得到大力發(fā)展的產(chǎn)品和技術(shù)方案。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)功能、性能和可靠性要求的不斷提高，高可靠性嵌入式系統(tǒng)作為新一代工業(yè)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)和產(chǎn)品，正在被越來越多的客戶和供應(yīng)商所關(guān)注，新技術(shù)、新產(chǎn)品、新方案層出不窮。

由PICMG（PCI InduSTrial Computer ManuFacturesGroup）制訂并大力倡導(dǎo)的 Compact PCI（CPCI）技術(shù)，由于沿襲了PCI成熟的、高性價(jià)比的、廣泛而容易獲取的軟硬件資源，并吸納和發(fā)展了VME的高可靠性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從面世的那天開始，就成為新一代高可靠性系統(tǒng)的首選設(shè)計(jì)方案，在高性能計(jì)算機(jī)／服務(wù)器、工業(yè)控制與自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與通信設(shè)備以及航空航天和軍事應(yīng)用領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

最近幾年，隨著國外著名計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司基于CPC的產(chǎn)品和方案的推廣以及PICMG／PRC對(duì)CPCI技術(shù)的宣傳，我國的工業(yè)控制領(lǐng)域，特別是中高端的應(yīng)用，正在越來越多地把CPCI應(yīng)用于高性能嵌入式系統(tǒng)之中。

由于高可靠性嵌入式CPCI系統(tǒng)具有許多與眾不同的特點(diǎn)和要求，因此從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)到應(yīng)用服務(wù)都需要更為專業(yè)化的技術(shù)工藝和工程經(jīng)驗(yàn)，本文從技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)幾個(gè)方面探討適合市場需要和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的解決方案。

二、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展

在信息化的今天，計(jì)算機(jī)已經(jīng)不再是僅僅完成計(jì)算功能的設(shè)備，它已經(jīng)成為無所不能、無處不在、與人類生活密切相關(guān)的東西。小到各種家用電器和通信終端的控制電路，大到航空航天飛機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制中心，它們都是嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)它們所控制設(shè)備的特點(diǎn)，會(huì)采用各種各樣的設(shè)計(jì)方法。從簡單的單片機(jī)、單板機(jī)到復(fù)雜的多CPU、多總線冗余結(jié)構(gòu)，都有可能成為嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

無論是簡單的嵌入式系統(tǒng)還是復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，隨著微電于技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，每一階段都有不同于已往的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方式。CPU從4位、 8位、16位、32位發(fā)展到64位，存儲(chǔ)器從幾百字節(jié)發(fā)展到幾百兆字節(jié)，通信接口的速度從幾百bPS發(fā)展到幾十GbPS，接口的數(shù)目也變得更多。這些都使嵌入式系統(tǒng)的性能得到了極大的提高，功能日益豐富。同時(shí)，高可靠性和高可用性在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程中正在占據(jù)越來越重要的地位，成為設(shè)計(jì)和應(yīng)用的首要考慮因素，并且也已經(jīng)成為競爭對(duì)手之間互相較量的重點(diǎn)。

三、高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊需求

高可靠性嵌入式系統(tǒng)的特殊需求，概括地用一句話來表示就是確保系統(tǒng)性能的可靠實(shí)現(xiàn)。主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1） 足夠強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力

（2） 足夠高的數(shù)據(jù)傳輸速度

（3） 足夠多的外部連接接口

（4） 安全而高效的系統(tǒng)管理機(jī)制

（5） 標(biāo)準(zhǔn)而可靠的系統(tǒng)連接方式

（6） 易于維護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（7） 良好的開放性和可擴(kuò)展性

（8） 抗惡劣環(huán)境

（9） 冗錯(cuò)性強(qiáng)

高可靠性嵌入式系統(tǒng)，一般都選用先進(jìn)的高性能的處理器，在可能的情況下，盡可能采用比較高的系統(tǒng)工作頻率和總線寬度，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用要求可以配置足夠多的可以由用戶自由定義的I／O接口，從而，使系統(tǒng)具有比較高的性能。一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)管理設(shè)備以及安全而高效的軟硬件管理體制可以保證高可靠性嵌入式系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮和利用；在物理特征上，高可靠性嵌入式系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)而可靠的系統(tǒng)連接方式，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冗錯(cuò)性設(shè)計(jì)，支持熱拔插、熱切換，以盡可能地縮短系統(tǒng)的不可用時(shí)間。同時(shí)，高可靠性嵌入式系統(tǒng)相對(duì)于一般的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗惡劣環(huán)境工作能力，對(duì)高溫、高濕、震動(dòng)、輻射；和腐蝕，都有良好的防護(hù)措施。

四、CPCI的技術(shù)特點(diǎn)與系統(tǒng)解決方案

ICPCI定義了33MHZ／32bit－66MHZ／64bit的總線結(jié)構(gòu)，信號(hào)傳輸速度高達(dá)528Mbyte/s。適應(yīng)當(dāng)今市場上各種主流的高性能處理器。一段CPCI總線可以連接一個(gè)系統(tǒng)設(shè)備和7個(gè)外圍設(shè)備，如果需要，可以通過橋接電路進(jìn)行擴(kuò)展。每一次擴(kuò)展都可以增加7個(gè)外圍設(shè)備。如果需要，通過CPCI總線可以十分方便地實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的備份甚至系統(tǒng)設(shè)備的備份。同時(shí)，CPCI系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)電信領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展了CTBUS，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展了PSB BUS，使它可以非常方便地與這兩個(gè)領(lǐng)域的設(shè)備結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)嵌入式的應(yīng)用。CPCI系統(tǒng)支持冗余的電源供應(yīng)方式，可以實(shí)現(xiàn) 1＋1，N＋l，N＋N多種電源冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)板卡及外部設(shè)備板卡采用統(tǒng)一的3U或6U標(biāo)準(zhǔn)歐式板卡結(jié)構(gòu)，各種板卡之間通過專用的背板進(jìn)行可靠的互連，而且支持帶電熱拔插。當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)充和維護(hù)時(shí)，可以通過直接增加或更換板卡十分方便地完成，大大減少了系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可用性。板卡與背板之間選用高性能的2MM HARD METRIC連接器進(jìn)行連接，在3U的板卡上定義了2個(gè)連接器，在6L的板卡上定義了5個(gè)連接器，引腳數(shù)量多達(dá)535個(gè)，除了被標(biāo)準(zhǔn)的CPCI信號(hào)使用之外，還有足夠多的引腳進(jìn)行專門用途的擴(kuò)展或者由使用者自己定義。

CPCI連接器采用針孔式連接方式，不僅比PCI的邊沿式連接方式密度更高、連接更可靠，而且更容易實(shí)現(xiàn)熱拔插、EMC防護(hù)等功能，更容易適應(yīng)振動(dòng)、灰塵、高濕度、腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境。這種標(biāo)準(zhǔn)的板卡結(jié)構(gòu)，不僅連接可靠，方便維護(hù)，而且還可以通過背板連接器的向后延長的引腳實(shí)現(xiàn)背后的I／O擴(kuò)展，這對(duì)許多嵌入式系統(tǒng)十分重要。CPCI系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的19機(jī)箱結(jié)構(gòu)，可以很容易地裝入任何標(biāo)準(zhǔn)的19機(jī)架，與其他相關(guān)設(shè)備有機(jī)地結(jié)合在一起。每個(gè) CPCI機(jī)箱都有相對(duì)獨(dú)立的電源供應(yīng)和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，并且有專用的系統(tǒng)監(jiān)控模塊對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行管理和監(jiān)控。

CPCI機(jī)箱一般采用優(yōu)質(zhì)鋁型材，相對(duì)其他材料不僅保證了更精密的機(jī)械配合，而且在單位重量、導(dǎo)熱性、EMC防護(hù)等方面更有優(yōu)勢，特別適合于嵌入式系統(tǒng)的特殊應(yīng)用需求。CPCI機(jī)箱的導(dǎo)軌、面板以及插卡把手的設(shè)計(jì)都對(duì)熱拔插和FMC防護(hù)給予了充分的考慮。

圖1 典型的CPCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)