嵌入式設(shè)計(jì)：隨著標(biāo)準(zhǔn)一起變小

　　由于新型嵌入式設(shè)計(jì)結(jié)合了高度集成芯片、便攜式平臺(tái)和飛速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)速率，因此行業(yè)正在采用強(qiáng)調(diào)冷卻、可靠性和性能的更小形狀系數(shù)。

　　要 點(diǎn)

　　最新基于交換結(jié)構(gòu)的模塊式電腦把處理器、海量存儲(chǔ)器、外設(shè)接口全都裝入一個(gè)尺寸更小的可更換模塊中。

　　標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)不斷更新擴(kuò)充板規(guī)格，以便向嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供現(xiàn)成的預(yù)制產(chǎn)品源。

　　大部分小形狀系數(shù)板級(jí)規(guī)格均已選擇 PCIe串行通信，以便與基于 PCI 的軟件保持軟件兼容性。

　　新模塊標(biāo)準(zhǔn)努力提高計(jì)算和通信性能，并保持與原有硬件的電氣和機(jī)械兼容性。

　　在減小工業(yè)、醫(yī)療、消費(fèi)應(yīng)用及其它空間關(guān)鍵應(yīng)用的尺寸方面，壓力持續(xù)不斷，引發(fā)了形狀系數(shù)極小的嵌入式計(jì)算平臺(tái)的新潮流。由于采用開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和專有設(shè)計(jì)，這些新平臺(tái)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了日益增多的現(xiàn)成計(jì)算和外設(shè)模塊，以便簡(jiǎn)化尺寸受限的應(yīng)用。盡管它們尺寸緊湊，但這些微型系統(tǒng)組件充分利用新計(jì)算元件、串行通信和智能散熱技術(shù)，以交付強(qiáng)大的處理能力和I/O性能。

　　因?yàn)榍度胧狡骷拖到y(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的根本變化，更小形狀系數(shù)成為可能。最新的芯片技術(shù)能把多顆處理器、圖形元件和網(wǎng)絡(luò)接口集成到單片器件上，因此節(jié)約了非常多的板空間。高速數(shù)據(jù)速率也推動(dòng)設(shè)計(jì)者從并行多點(diǎn)總線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)，額外的好處是占用面積更小。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者也找到了供電、冷卻和封裝的新技術(shù)，它們將總體系統(tǒng)尺寸減至最小。

　　伴隨著新的縮小尺寸的要求，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者正在轉(zhuǎn)向預(yù)制的現(xiàn)成模塊，它們集成了最新的 CPU 技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。這些標(biāo)準(zhǔn)化的電腦模塊使設(shè)計(jì)者能用節(jié)省的大量 NRE（非重復(fù)性工程）成本換取稍高的重復(fù)性成本。與傳統(tǒng)的單板設(shè)計(jì)相比，可更換的處理器模塊有幾項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。例如，設(shè)計(jì)者可以為嵌入系統(tǒng)提供更先進(jìn)的處理器模塊，以利用先進(jìn)的特性，如聯(lián)網(wǎng)、圖形顯示、復(fù)雜軟件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)預(yù)算有限的情況下，則難以或無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些特性。

　　當(dāng)增加數(shù)據(jù)帶寬時(shí)，交換結(jié)構(gòu)技術(shù)通過(guò)減少板對(duì)板通信所需的引腳數(shù)目以及板面積，也為系統(tǒng)尺寸提供了重要幫助。交換結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，例如以太網(wǎng)、 PCIe、Rapid I/O、InfiniBand，都是最新的板標(biāo)準(zhǔn)，它們消除了許多與并行總線方案有關(guān)的問(wèn)題。每條連接都是一條直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)路徑，從而得到比總線體系結(jié)構(gòu)更好的電氣特性和更大的帶寬。數(shù)據(jù)路徑也可以動(dòng)態(tài)改變，以支持多路數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸，并且使數(shù)據(jù)繞過(guò)故障。由于 PCIe 與驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)軟件兼容， 因此它是較受歡迎的交換結(jié)構(gòu)技術(shù)之一。基本的 PCIe 鏈路包括兩條信號(hào)路徑，它們使用較小的差分電壓擺幅以及恒流線路驅(qū)動(dòng)器，以便在各個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)速度高達(dá) 4 Gbps 的通信。設(shè)計(jì)者只需簡(jiǎn)單地增加信號(hào)對(duì)（稱為“道”），就可以增加每條 PCIe 鏈路的帶寬，直到達(dá)到所需性能水平。PCIe 規(guī)格支持1道、2道、4道、8道、16道和 32道寬度。

　　快道

　　幾乎所有主要的板標(biāo)準(zhǔn)均已包括 PCIe 及其它交換結(jié)構(gòu)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，以便提升數(shù)據(jù)速率，用于高性能應(yīng)用。

　　例如，PICMG 效法臺(tái)式機(jī)技術(shù)，把PCIe并入CompactPCIe規(guī)格。CompactPCIe 提供可伸縮的高帶寬數(shù)據(jù)路徑、分組數(shù)據(jù)協(xié)議，并且與 PCI 硬件和驅(qū)動(dòng)軟件兼容。CompactPCIe 的最新代表之一來(lái)自General Micro Systems公司，具有小形狀系數(shù)。該公司的傳導(dǎo)冷卻型 3U CC40x 單板電腦的典型工作功耗為3.5W（圖1）。General Micro Systems 公司把英特爾公司的 Atom 處理器作為該模塊的基礎(chǔ)，處理器運(yùn)行速度高達(dá) 1.6GHz，帶有 512 kB L2 緩存。該電路板提供多達(dá)1 GB SDRAM、 16 GB 可引導(dǎo)閃存、6 個(gè) USB-2.0 端口、2 個(gè)串口、2 個(gè)用于定制 I/O 的 SDIO 端口。此外，CC40x 為用戶提供帶有 3D 加速的高性能圖形特性，并支持頻率為85 Hz 的 1280像素 × 1024像素視頻分辨率。傳導(dǎo)冷卻型的起價(jià)為 3110 美元。

　　繼續(xù)小形狀系數(shù)話題，MEN Micro 公司最近推出了 XM1 電腦模塊，其設(shè)計(jì)旨在遵守 ANSI-VITA 59 RSE 夾層標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。該模塊為降低功耗和縮小形狀系數(shù)，把英特爾 Atom 處理器與 1GB 的焊接 DDR2 SDRAM 相連接。RSE把夾層模塊上的電腦與先進(jìn)冷卻技術(shù)、最新串行總線和加固組件結(jié)合起來(lái)，以便確保在鐵路、航空電子、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)工程和移動(dòng)應(yīng)用的惡劣環(huán)境中可靠工作。基于英特爾技術(shù)的 XM1 提供的屏蔽溫度范圍是-40℃~ +85℃。 MEN Micro 公司在兩個(gè) 120 引腳連接器上分配電信號(hào)，并只為現(xiàn)代串行總線定義信號(hào)，從而消除與舊設(shè)備的兼容性。對(duì)于 PCIe，設(shè)計(jì)者能把 4 個(gè)單道端口和 1 個(gè)端口配置為16道、8道、2×4道，或 2道。其它端口包括 3個(gè)GbE、8個(gè)USB 和數(shù)個(gè)多用途信號(hào)。XM1的起價(jià)為567美元。

　　PC/104是上世紀(jì)80年代末構(gòu)思的，目的是在嵌入式系統(tǒng)中使用臺(tái)式機(jī)體系結(jié)構(gòu)，是最早也是最流行的小形狀系數(shù)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)之一。PC/104 電腦板的連接器排列旨在不借助卡籠或背板來(lái)堆疊電路板，它也可以作為嵌入基板的夾層處理器。PC/104 的開(kāi)發(fā)者根據(jù) PC 以及 16 位 ISA 總線的接口引腳數(shù)來(lái)給它命名。雖然 ISA 總線已不在臺(tái)式機(jī)中使用，但對(duì)于嵌入系統(tǒng)它仍然有優(yōu)勢(shì)。外設(shè)卡簡(jiǎn)單、成本低、易于設(shè)計(jì)，這些都是嵌入產(chǎn)品的基本要求。而 ISA 總線較低的速度也簡(jiǎn)化了噪聲與 EMI（電磁干擾）防護(hù)方案。但它依然受歡迎的主要原因還是市場(chǎng)上有大量的現(xiàn)成產(chǎn)品，可供設(shè)計(jì)者自由選擇。PC/104-Plus 規(guī)格于 1997 年出現(xiàn)，它使單板設(shè)計(jì)人員能選擇僅包含 ISA 總線、同時(shí)包含 PCI 和 ISA 總線，或僅包含 PCI 總線。PC/104-Plus 需要新的連接器容納 PCI 總線引腳。板空間的損失是 PCI 升級(jí)版的少數(shù)劣勢(shì)之一。

　　沖突的標(biāo)準(zhǔn)

　　進(jìn)一步擴(kuò)展 PC/104 規(guī)格以充分利用高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐υ谛袠I(yè)內(nèi)遭遇了不同意見(jiàn)。2008 年 3 月，PC/104 嵌入式聯(lián)盟采用了新的 PCI/104-Express 規(guī)格，它把 PCI 和 PCIe 總線相結(jié)合。PCIe/104 版本完全取消了 PCI 總線，以增加模塊空間。該標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者為這個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)了新的高速表面貼裝連接器。該連接器可應(yīng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的加固環(huán)境，與PC/104體系結(jié)構(gòu)的0.6英寸堆疊高度匹配，并在很大的堆疊高度上傳送高速 PCIe 信號(hào)?？梢栽诼?lián)盟的網(wǎng)站免費(fèi)下載 PCI/104-Express 規(guī)格。

　　SFF-SIG (小形狀系數(shù)特別興趣小組) 提供不同方法把 PCIe 并入 PC/104 體系結(jié)構(gòu)，宣布了 Express104 規(guī)格的詳細(xì)信息，它定義了新的小型可堆疊模塊。Express104指定90mm × 96 mm板，帶有 2 個(gè) 52 引腳高速 SUMIT（可堆疊統(tǒng)一模塊互聯(lián)技術(shù)）連接器，它們能支持 PCIe 和 USB 以及用于 I/O擴(kuò)充的其它常用中速接口。信號(hào)完整性測(cè)試結(jié)果證明：堆疊的 Express104 模塊支持 5 GTbps 的數(shù)據(jù)速率，這是第 2 代 PCIe 所需的。設(shè)計(jì)者可構(gòu)造只帶有 SUMIT 連接器的 Express104 模塊，但是其開(kāi)發(fā)者已定義了一種特殊配置，以便支持借助傳統(tǒng) PC / 104 模塊進(jìn)行的擴(kuò)充。

　　Micro/sys Embedded Systems 公司提供了第三種擴(kuò)展 PC/104 的方法，創(chuàng)建了一種可堆疊體系結(jié)構(gòu)，這是公司基于 PC/104 形狀系數(shù)創(chuàng)建的。這種新的體系結(jié)構(gòu)不包含 PCIe，但它使用了一種現(xiàn)代通信協(xié)議——USB，并且保持了 PC/104 的尺寸和堆疊優(yōu)點(diǎn)。StackableUSB 支持多達(dá) 16 塊外設(shè)電路板，充分利用 USB 即插即用特性，并且通過(guò)內(nèi)置的堆疊嵌入式連接器取消了電纜。為了進(jìn)一步減小尺寸，StackableUSB 組織最近宣布了兩個(gè)新的更小模塊概念，分別是標(biāo)準(zhǔn) PC/104 板尺寸的二分之一和四分之一。

　　微型機(jī)箱

　　PICMG 的成員從零開(kāi)始，設(shè)計(jì)了 AdvancedMC，這是一種較新的小形狀系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于交換結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)。AdvancedMC 模塊包括單寬、雙寬、半高以及全高形狀系數(shù)。基本的單寬模塊約為 74 mm×183 mm。基本規(guī)格定義了一個(gè)交換結(jié)構(gòu)接口，它有多達(dá) 21 個(gè)端口或 42 個(gè)差分對(duì)，從而提供模塊間或至基板的全雙工點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。AdvancedMC 的每端口速度為 12.5 Gbps，可以處理多道現(xiàn)代協(xié)議，如以太網(wǎng)、PCIe、Rapid I/O 和 InfiniBand。鑒于 AdvancedMC 的高性能、可熱插拔、交換結(jié)構(gòu)和管理特性，設(shè)計(jì)者建議將這些模塊直接插入背板中，即可獲得小尺寸的獨(dú)立系統(tǒng)。同樣，近來(lái)采用的 MicroTCA 規(guī)范，向獨(dú)立機(jī)箱提供了一種直接接受 AdvancedMC 卡的背板。較小的形狀系數(shù)使這個(gè)概念可用于電信及各種嵌入式項(xiàng)目中的低預(yù)算應(yīng)用。

　　COM（模塊計(jì)算機(jī)）Express 是另外一個(gè)針對(duì)小形狀系數(shù)設(shè)計(jì)的開(kāi)放 PICMG 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。COM Express 包含 PCIe 以替換 PCI 總線、PCIe Graphics 以替換 AGP、Serial ATA 以替換 Parallel ATA。COM Express 與處理器體系結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，只定義工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng) I/O 接口。為了支持 COM Express，Congatec 最近推出了低功率 conga-CA模塊，它基于英特爾的 Atom處理器和系統(tǒng)控制器中心（圖3）。conga-CA配備1.1GHz或1.6GHz 處理器、512kB L2緩存，以及多達(dá)1GB 板載DDR2內(nèi)存。該模塊的典型功率要求低于 5W。conga-CA 支持多達(dá) 2 條 PCIe 道、8 個(gè) USB 2.0 端口、2 個(gè) Serial ATA 端口、1 個(gè) IDE 接口、英特爾高清晰度音頻。此外，模塊特性還包括 2 個(gè) SDIO 擴(kuò)充插座、1 條多主 I2C 總線、GbE。

　　新一輪的標(biāo)準(zhǔn)和更新在攻克小形狀系數(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和冷卻問(wèn)題，因此嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能購(gòu)買到緊湊產(chǎn)品或移動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作的許多最復(fù)雜部分。一些現(xiàn)成的高性能處理器模塊具備內(nèi)置的圖形和網(wǎng)絡(luò)接口，給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)留下了專用技術(shù)和封裝。由于設(shè)計(jì)進(jìn)度表縮短，并且早期便能利用兼容的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此標(biāo)準(zhǔn)化的小形狀系數(shù)模塊可能正是您下一項(xiàng)開(kāi)發(fā)任務(wù)的入場(chǎng)券。