嵌入系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)：避免追求高性能而產(chǎn)生的問(wèn)題
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要點(diǎn)
有了高速結(jié)構(gòu)技術(shù)附件，共享總線體系結(jié)構(gòu)并繼續(xù)支持今天的高性能嵌入系統(tǒng)。
大多數(shù)高性能嵌入系統(tǒng)都是專有的，或是基于PCI、VME、CompactPCI以及Advanced-TCA電路板標(biāo)準(zhǔn)的。
COTS（商用現(xiàn)成）產(chǎn)品使設(shè)計(jì)師能用較高的續(xù)生費(fèi)用來(lái)?yè)Q取開發(fā)費(fèi)用的節(jié)省和開發(fā)周期的縮短。
可供選擇的 COTS電路 板級(jí)規(guī)范的升級(jí)預(yù)示著可能會(huì)出現(xiàn)業(yè)界分裂問(wèn)題和產(chǎn)品互操作問(wèn)題。
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)自己身處無(wú)休止的激戰(zhàn)之中，管理部門要求減少預(yù)算、縮短開發(fā)時(shí)間，而顧客則堅(jiān)持增加功能。按照傳統(tǒng)，設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)這場(chǎng)激戰(zhàn)的辦法是在產(chǎn)品中采用從嵌入式計(jì)算市場(chǎng)買來(lái)的COTS（商用現(xiàn)成）處理器和外設(shè)模塊。然而，當(dāng)高性能嵌入系統(tǒng)超越技術(shù)極限時(shí)，COTS 制造商必須對(duì)自己的規(guī)范與產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)并使之精益求精，才能滿足不斷增長(zhǎng)的先進(jìn)設(shè)備的需求。正是在醫(yī)療儀器、軍用系統(tǒng)、通信設(shè)備以及過(guò)程自動(dòng)化這幾個(gè)領(lǐng)域中，快速提高的數(shù)據(jù)速率、業(yè)已增長(zhǎng)的處理需求和設(shè)備復(fù)雜性均已加大了現(xiàn)成的電路板級(jí)技術(shù)的壓力。
中小型公司為 COTS 行業(yè)提供了大部分機(jī)箱、電源、底板和插件板。據(jù)Tek 微系統(tǒng)公司首席執(zhí)行官 Andrew Reddig 說(shuō)，“大約 70 家供應(yīng)商競(jìng)爭(zhēng)COTS電路板業(yè)務(wù)。在這70家供應(yīng)商中，只有約 10 家的年銷售額超過(guò) 2500 萬(wàn)美元。”
雖然嵌入系統(tǒng)市場(chǎng)很小，但金融分析師們預(yù)計(jì)該市場(chǎng)在不久的將來(lái)會(huì)得到增長(zhǎng)。CIBC公司的資深分析師 Jeff Berson 預(yù)言：“嵌入系統(tǒng)市場(chǎng)會(huì)繼續(xù)發(fā)展，增加投資機(jī)會(huì)。盡管該市場(chǎng)很小，但在華爾街看來(lái)，卻極具吸引力，投資者如能及早參與成長(zhǎng)周期，都將會(huì)從中獲益?！?br/> 一個(gè)典型的嵌入系統(tǒng)項(xiàng)目可能包括一個(gè)現(xiàn)成的底板、處理器以及用戶接口部分，并可能將定制設(shè)計(jì)工作減少到幾乎沒有硬件設(shè)計(jì)和專用軟件。基于各種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)可使用兼容的操作系統(tǒng)以及供應(yīng)商提供的驅(qū)動(dòng)程序和固件樣品，從而也可減少軟件開發(fā)工作。有了電路板級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，也就不需要實(shí)現(xiàn)最佳冷卻性能與機(jī)械對(duì)準(zhǔn)所必需的反復(fù)試驗(yàn)反復(fù)設(shè)計(jì)。
為了利用現(xiàn)成技術(shù)獲得最大好處，許多制造商將他們高性能的嵌入系統(tǒng)建立在大眾化的 COTS電路板體系結(jié)構(gòu)上，如 PCI、VME、CompactPCI 和 AdvancedTCA 標(biāo)準(zhǔn)。這些開放標(biāo)準(zhǔn)概括了電路板和機(jī)箱的基本特性，以及可供選擇的擴(kuò)充功能，用以滿足某些工業(yè)、醫(yī)療、電信、軍用以及消費(fèi)類應(yīng)用系統(tǒng)的特定性能或可靠性需求。盡管在其基本配置中，這些規(guī)范大多使用具有固有帶寬和升級(jí)限制的傳統(tǒng)共享總線技術(shù)，但明智的升級(jí)與功能擴(kuò)充卻能提供先進(jìn)的性能。對(duì)于高性能應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，各種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在都能提供某種形式的交換式體系結(jié)構(gòu)，不存在與多點(diǎn)總線方案有關(guān)的種種問(wèn)題。有了這種體系結(jié)構(gòu)，電腦節(jié)點(diǎn)間的高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑就可以動(dòng)態(tài)變化，支持多個(gè)并行的數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)先進(jìn)的交換結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還可以使信號(hào)路由繞過(guò)故障路徑或節(jié)點(diǎn)，從而提高系統(tǒng)的可用性。
除了需要提高交換結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理能力以外，高性能系統(tǒng)還需要在其它領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行規(guī)范擴(kuò)充。電路板尺寸是一個(gè)良好的例子。盡管硅片設(shè)計(jì)師正在把更多功能塞到較小的空間內(nèi)，但人們要求增加某些應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜性和冗余度，這就要關(guān)注電路板面積。最流行的 VME 和 CompactPCI 電路板尺寸一直是 6U。但是，最新的電路板標(biāo)準(zhǔn)，即 AdvancedTCA， 具有 8U 的形狀系數(shù)，元件面積增加一倍以上。元件密度增加和電路板尺寸加大也會(huì)造成冷卻問(wèn)題和配電問(wèn)題。VME 與 CompactPCI 采用的 0.8 英寸電路板間距，使每塊電路板的功耗上限在強(qiáng)制冷卻情況下不可超過(guò)50W。但現(xiàn)在有些傳導(dǎo)冷卻和液冷方案擴(kuò)大了這一功耗范圍。AdvancedTCA 在風(fēng)冷情況下的功耗為每個(gè)插槽 200W。在高性能系統(tǒng)的底板功耗有可能接近 3 kW的情況下，傳統(tǒng)電源電壓（如 5V 或 3.3V，而電流為600A ～ 1000A）的分配就不切實(shí)際了。AdvancedTCA 規(guī)定，雙 -48V 直流電源直接為每個(gè)插槽饋電再由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供局部的邏輯電平電壓。
老產(chǎn)品仍能吸引人
在對(duì)電路板標(biāo)準(zhǔn)的性能水平進(jìn)行升級(jí)與擴(kuò)充時(shí)，與老產(chǎn)品的兼容性是一個(gè)最敏感的問(wèn)題。VME 與 PCI 已經(jīng)過(guò)多次升級(jí)，以提高共享總線的數(shù)據(jù)傳輸率，并使老產(chǎn)品能以原有的速度相互通信。最近的交換結(jié)構(gòu)升級(jí)能在共享總線配置不使用的底板連線和邊緣卡連線上傳送高速數(shù)據(jù)。長(zhǎng)期可用性也是對(duì)高性能嵌入產(chǎn)品的一個(gè)主要要求。雖然臺(tái)式機(jī)部件的平均壽命約為 18 個(gè)月，但用戶仍期望嵌入產(chǎn)品的壽命長(zhǎng)達(dá)5年以上，有些軍用項(xiàng)目要求達(dá)到 15 年的生存周期。
PCI 總線自20世紀(jì) 90 年代推出以來(lái)，已成為臺(tái)式電腦行業(yè)的基石。最初的總線頻率為 33 MHz， 32 位寬的并行數(shù)據(jù)通路具有 133 MB/s的數(shù)據(jù)速率。一系列保留老產(chǎn)品的升級(jí)已將時(shí)鐘頻率提升至 PCI-X 的 1 GB/s。當(dāng)環(huán)境因素不是一個(gè)問(wèn)題時(shí)，PCI 是低成本系統(tǒng)元件的一個(gè)重要來(lái)源。最新一代的PCI-Express總線提供可升級(jí)的高帶寬數(shù)據(jù)路徑、信息包化的數(shù)據(jù)協(xié)議以及與PCI硬件和驅(qū)動(dòng)軟件的兼容性?；镜腜CI Express鏈路包括兩個(gè)信號(hào)通路，這兩個(gè)信號(hào)通路均使用LVDS（低壓差分信號(hào)傳輸）驅(qū)動(dòng)器和恒流線路驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行通信，每個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5Gbps 。有一種升級(jí)正在進(jìn)行之中，為的是將基本數(shù)據(jù)速率提高至5 Gbps。你只要增加信號(hào)線對(duì)或通道，就可以提高每個(gè) PCI-Express鏈路的帶寬，直至達(dá)到所需性能水平。
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