嵌入系統(tǒng)標準：避免追求高性能而產(chǎn)生的問題
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要點
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電路板標準的。
COTS（商用現(xiàn)成）產(chǎn)品使設計師能用較高的續(xù)生費用來換取開發(fā)費用的節(jié)省和開發(fā)周期的縮短。
可供選擇的 COTS電路 板級規(guī)范的升級預示著可能會出現(xiàn)業(yè)界分裂問題和產(chǎn)品互操作問題。
嵌入式系統(tǒng)設計師們發(fā)現(xiàn)自己身處無休止的激戰(zhàn)之中，管理部門要求減少預算、縮短開發(fā)時間，而顧客則堅持增加功能。按照傳統(tǒng)，設計師應對這場激戰(zhàn)的辦法是在產(chǎn)品中采用從嵌入式計算市場買來的COTS（商用現(xiàn)成）處理器和外設模塊。然而，當高性能嵌入系統(tǒng)超越技術(shù)極限時，COTS 制造商必須對自己的規(guī)范與產(chǎn)品進行升級并使之精益求精，才能滿足不斷增長的先進設備的需求。正是在醫(yī)療儀器、軍用系統(tǒng)、通信設備以及過程自動化這幾個領(lǐng)域中，快速提高的數(shù)據(jù)速率、業(yè)已增長的處理需求和設備復雜性均已加大了現(xiàn)成的電路板級技術(shù)的壓力。
中小型公司為 COTS 行業(yè)提供了大部分機箱、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，“大約 70 家供應商競爭COTS電路板業(yè)務。在這70家供應商中，只有約 10 家的年銷售額超過 2500 萬美元?！?br/> 雖然嵌入系統(tǒng)市場很小，但金融分析師們預計該市場在不久的將來會得到增長。CIBC公司的資深分析師 Jeff Berson 預言：“嵌入系統(tǒng)市場會繼續(xù)發(fā)展，增加投資機會。盡管該市場很小，但在華爾街看來，卻極具吸引力，投資者如能及早參與成長周期，都將會從中獲益?！?br/> 一個典型的嵌入系統(tǒng)項目可能包括一個現(xiàn)成的底板、處理器以及用戶接口部分，并可能將定制設計工作減少到幾乎沒有硬件設計和專用軟件?；诟鞣N標準的設計可使用兼容的操作系統(tǒng)以及供應商提供的驅(qū)動程序和固件樣品，從而也可減少軟件開發(fā)工作。有了電路板級標準，也就不需要實現(xiàn)最佳冷卻性能與機械對準所必需的反復試驗反復設計。
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 標準。這些開放標準概括了電路板和機箱的基本特性，以及可供選擇的擴充功能，用以滿足某些工業(yè)、醫(yī)療、電信、軍用以及消費類應用系統(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限制的傳統(tǒng)共享總線技術(shù)，但明智的升級與功能擴充卻能提供先進的性能。對于高性能應用系統(tǒng)來說，各種標準現(xiàn)在都能提供某種形式的交換式體系結(jié)構(gòu)，不存在與多點總線方案有關(guān)的種種問題。有了這種體系結(jié)構(gòu)，電腦節(jié)點間的高速點對點路徑就可以動態(tài)變化，支持多個并行的數(shù)據(jù)傳輸。一個先進的交換結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還可以使信號路由繞過故障路徑或節(jié)點，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)進行規(guī)范擴充。電路板尺寸是一個良好的例子。盡管硅片設計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用系統(tǒng)的復雜性和冗余度，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，最新的電路板標準，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造成冷卻問題和配電問題。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制冷卻情況下不可超過50W。但現(xiàn)在有些傳導冷卻和液冷方案擴大了這一功耗范圍。AdvancedTCA 在風冷情況下的功耗為每個插槽 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）的分配就不切實際了。AdvancedTCA 規(guī)定，雙 -48V 直流電源直接為每個插槽饋電再由 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
在對電路板標準的性能水平進行升級與擴充時，與老產(chǎn)品的兼容性是一個最敏感的問題。VME 與 PCI 已經(jīng)過多次升級，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)。長期可用性也是對高性能嵌入產(chǎn)品的一個主要要求。雖然臺式機部件的平均壽命約為 18 個月，但用戶仍期望嵌入產(chǎn)品的壽命長達5年以上，有些軍用項目要求達到 15 年的生存周期。
PCI 總線自20世紀 90 年代推出以來，已成為臺式電腦行業(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)品的升級已將時鐘頻率提升至 PCI-X 的 1 GB/s。當環(huán)境因素不是一個問題時，PCI 是低成本系統(tǒng)元件的一個重要來源。最新一代的PCI-Express總線提供可升級的高帶寬數(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)動軟件的兼容性?；镜腜CI Express鏈路包括兩個信號通路，這兩個信號通路均使用LVDS（低壓差分信號傳輸）驅(qū)動器和恒流線路驅(qū)動器來進行通信，每個方向的數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5Gbps 。有一種升級正在進行之中，為的是將基本數(shù)據(jù)速率提高至5 Gbps。你只要增加信號線對或通道，就可以提高每個 PCI-Express鏈路的帶寬，直至達到所需性能水平。
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