CompactPCI/PXI关键技术的发展
2003/11/20
作为一种能够满足不同行业需要的高性能、高可靠、高可用和经济型的工业计算机技术，CompactPCI/PXI技术正在广泛地被电信、数据通信、计算机电话集成系统、工业自动化、监控和数采系统（SCADA）、测试和测量自动化、网络互联、航空航天、军工与国防等领域所关注和采用，从而成为了我国电子信息产业发展的新亮点。
然而，随着技术的不断发展，人们由好奇变成了关切，迫切需要得到诸如“CompactPCI的关键技术以及未来发展方向是什么？CompactPCI、PICMG 2.16、AdvancedTCA之间的关系？它们产生的出发点和应用范围有什么不同？该如何进行选择？”等问题的答案。
CompactPCI总线核心技术
1992年Intel公司定义了PCI总线作为局部总线，直接用于互联CPU与周边器件，如与显示控制器、网络控制器、内存控制器等的互联。同时，为了研制和管理PCI标准，成立了PCI总线特别兴趣组织（PCISIG），并先后推出了PCI Local Bus Specification Rev. 2.1、Rev. 2.2和最新版本Rev. 2.3，为此PCI总线也由芯片级互联总线发展成了板级互联总线。
PCI总线的32位/33MHz标准具有132MB/秒数据传输速度，其64位/66MHz标准可以达到528MB/秒，所以相对于ISA或VME总线每秒几MB或几十MB的传输速度而言，PCI是高速总线。为了将PCI总线应用于嵌入式领域，1994年成立了PCI工业计算机制造商协会（PICMG），主要动机就是为嵌入式计算机（如工业计算机、医疗设备、通信设备、交通设备和军事系统等）研制通用技术标准。现在PICMG在全球有三个分会，即PICMG PRC（中国分会）、 PICMG Europe（欧洲分会）和 PICMG Japan（日本分会）。
1997年8月，PICMG发布了第一个CompactPCI技术标准PICMG 2.0 Rev. 1.0，9月发布了PICMG 2.0 Rev. 2.1，10月发布了PICMG 2.0 Revision 3.0。
PICMG 2.0 Revision 3.0是CompactPCI总线的核心标准，也是CompactPCI技术的精髓。它由三项领先技术综合而成：PCI局部总线的电气特性（PCISIG）、工业级欧洲卡封装结构和规格（IEC 60297-3 and -4）和IEC 2mm坚固的米制针孔连接器（IEC-61076-4-101）。
PICMG 2.0 Revision 3.0规定了背板上各插槽之间、系统槽与背板、I/O模板与背板之间严格的互联关系，定义了背板、模板和前后面板的结构、尺寸，定义P1支持32位PCI操作，P1和P2支持64位PCI操作，P3、P4和P5留给用户使用或作为总线扩展用。同时，规范还为33MHz和66MHz工作频率的时钟信号分布，定义了严格的设计规则；定义了系统管理总线，并为背板上每个插槽定义了唯一对应的物理地址。CompactPCI系统由金属外壳和前、后面板组成的整体导电和ESD电路设计，使得CompactPCI具有电磁辐射屏蔽和静电释放能力，表现出良好的电磁兼容性。
CompactPCI总线热插拔技术
可维护性是嵌入式计算机非常重要的特性。此外，面向特定应用的系统（如电信设备、电力保护设备、车载控制系统和军事系统等）还需要热插拔（Hot Swapping）功能和容错（Fault Tolerance）设计。
CompactPCI技术规范使得流行的PCI总线兼容架构可以用欧洲卡规格实现。这种模块化的CompactPCI模板可以灵活地组合成适合各种不同工业现场应用的系统。为了提高CompactPCI系统的可维护性，需要在CompactPCI产品上增加热插拔功能，使得CompactPCI模板可以在不必关断电源的情况下，插入或拔出正在运行的系统，而不影响或破坏系统的正常工作，从而为高可用性设计奠定基础。为此，PICMG成立了热插拔工作组，并于1998年8月发布了热插拔标准PICMG 2.1 R1.0。随后于2001年1月推出了修订版本PICMG 2.1 R2.0，2002年5月发布了热插拔基础软件规范PICMG 2.12 R2.0。
PICMG 2.1 R2.0标准定义了三种不同的热插拔模型。
基本热插拔模型 基本模型允许在系统运行过程中拔出或插入CompactPCI模板，但必须由训练有素的操作员通过人机接口向操作系统发出控制命令才能实现，软件连接不能自动进行。
完全热插拔模型 在完全模式下的软件连接是自动完成的，不需要人为的干预。完全热插拔模型应该是经济型工业计算机主要发展的目标。
高可用性模型 高可用性要求系统始终处于运行状态，几乎没有故障。
为了控制拔出或插入模板的电气和软件连接过程，CompactPCI的连接器插针采用长、中、短三层结构。长针为模板提供预充电电源；中针连接工作电源和CompactPCI信号；短针为BD_SEL和IDSEL信号，用于启动板上电源控制，并通知该系统模板所处的状态。标准规定：CompactPCI 热插拔控制电路要求设计在模板上，而不是在无源背板上，以缩短更换故障部件的时间。这样相同功能的CompactPCI模板将以两种形式存在，即一种是普通模板，另一种是支持热插拔的模板。实践证明，CompactPCI热插拔设计的75%工作量是软件设计，而硬件设计只占25%。
为了支持热插拔, PICMG 2.1 R2.0定义了三种独立于硬件的硬件抽象层接口：Hot Swap System Driver（热插拔系统驱动程序）、Hot Swap Service（热插拔服务程序）和High Availability Service（高可用性服务程序），但对程序具体如何编制并没有明确规定。但是，值得注意的是，2003年初在美国拉斯维加斯举行的摩托罗拉计算机事业部年会上，很多著名软件操作系统公司都展示了支持CompactPCI热插拔标准的产品，如Lynx的LynxOS、Microware的OS-9、Enea的OSE、Wind River的VxWorks、Integrated Systems的pSOS等。当然，最引人注目的要数GoAhead的SelfReliant和 Jungo的Go-HotSwap软件，因为它们是独立于操作系统的。虽然如此，由于缺少Windows通用操作系统的支持，在一定程度上延缓了CompactPCI热插拔技术的推广速度。
CompactPCI交换式以太网背板技术
CompactPCI总线最初只是单一的总线标准。但当1997年PICMG将H.110 Telephony Bus增加到CompactPCI背板上时，激发了人们的创新灵感，去探索“将行业专业总线移植到CompactPCI背板上，使单一的PCI数据传输总线演变成控制总线”的可能。事实上，这一方面反映了“主流电信设备供应商希望用CompactPCI架构满足一些高端应用的要求”；另一方面也说明人们已经开始寻求打破CompactPCI总线插槽数量限制和高速数据传输瓶颈的手段。为此，PICMG协会成立了由Performance Technologies牵头、50多家公司参加的PICMG 2.16工作组，目标就是将交换式以太网机制增加到CompactPCI架构中。经过几年卓有成效的工作，PICMG于2001年9月发布了以太网包交换背板标准PICMG 2.16。
PICMG 2.16的发布说明了什么呢？
首先，它代表了人们追求不断提升信息交流速度的愿望，打破了并行总线对传输速度的物理限制。
其次，它预示着CompactPCI架构的板级互联方式，从一点对多点的并行总线，步入到了点对点的串行总线互联时代。
第三，它表明了人们在寻求提升系统性能途径之时，倾向和选择已经成熟的交换机制技术，如Switched Ethernet（交换式以太网）、Switched Starfabric（交换式Starfabric）以及Switched Infiniband（交换式Infiniband）技术等，而且有些已经形成了产品。因为冗余设计简单、故障容易隔离、更换方便，因此基于交换机制的架构更适合设计高可用性系统。
PICMG 2.16主要是面向电信应用而设计的。PICMG 2.16使用双冗余的星型网络结构，通过以太网交换板实现了节点间的点到点互联，消除了单点故障，可以提供大约40倍PCI总线的传输性能，以及高度的可靠性和灵活性。基于PICMG 2.16可以构成刀片式服务器集群，电信设备商或服务商可以用来研制下一带网络系统产品，如2.5G和3G无线设备、VoIP媒体网关、软交换设备、信令网关、IP DSLAM、语音/视频/数据服务器和呼叫中心服务器等。所有这些设备都需要高可用性、高密度、高可靠性和高数据吞吐量，这正是PICMG 2.16所具备的特征。
AdvancedTCA技术方兴未艾
人们不禁要问：“融合了PICMG 2.16技术的CompactPCI架构，难道可以满足未来数年之内电信技术发展的所有需要吗？”
答案肯定是“不能”。
首先，随着宽带技术的发展，需要可以切换每秒Terabits传输能力的处理平台架构相适应。而目前使用的CompactPCI连接器不具备传输这么高速的低压差分信号的能力。
其次，目前CompactPCI模板的尺寸小，不能满足日益增加的功能和容量设计要求。
第三，随着处理器以及其它关键芯片性能的迅速提升，功耗也大幅度增加，目前CompactPCI的供电能力不能满足要求。
第四，目前CompactPCI插槽之间的0.8英寸间距，已经不能适应系统散热等功能的要求，如加大的散热片、变高的内存模块和制冷气流流量的增大等。因此，市场迫切需要发明新的交换技术，以满足日益增长的对具有每秒Terabits传输性能的开放式架构平台的需求。这就是新兴的PICMG 3.x - AdvancedTCA技术。
从PICMG 2.16到AdvancedTCA，以太网嵌入到底板上的技术在不断地发展。与PICMG 2.16低成本的、冗余的、Gigabit以太网背板相比，AdvancedTCA以太网背板已经超越了Gigabit，达到了数十Gigabit，而且还在继续发展。
CompactPCI总线与PICMG 2.16、AdvancedTCA的关系
在今后5～10年，CompactPCI总线与PICMG 2.16、AdvancedTCA在相互补充中共存。CompactPCI总线主要面向工业自动化应用，将逐渐取代VME（Versa Module Eurocard）和IPC，牢牢占据基础自动化和过程自动化层。而PICMG 2.16和AdvancedTCA将主要针对电信应用，毕竟那是个具有1000亿美元的大市场。作为已经量产并投入运行的PICMG 2.16产品，凭借其高可用性、低成本将主要占据用量比较大的电信边缘设备市场。而刚刚发布的在2004年以后才可能投入运行的AdvancedTCA，将主要占据价位高、用量小的电信核心设备市场，与PICMG 2.16形成优势互补。
PXI技术的特点
PXI的技术特点主要有两个：首先是基于CompactPCI，并兼容CompactPCI；其次是面向测试和测量应用设计。PXI的规格也有两种：3U和6U。3U的PXI主要应用方向将是组成便携或小型的测试、SCADA、监视与控制以及工业自动化系统。6U的PXI主要向高采样速度、高带宽、高精度、多通道容量的中、大型自动测试设备应用发展。
PXI和VXI（是以VME计算机总线IEEE1014-1987为基础的模块化仪器结构。）将在既竞争又互补中共存很长一段时间，最终PXI将取代VXI，成为主流工业标准测试平台。同时PXI将向工业自动化领域扩展，与CompactPCI形成优势互补，与CompactPCI共同奠定未来工业自动化技术的基础。
关于CompactPCI
PICMG协会于1994年提出了CompactPCI标准。作为新一代电信网络平台的CompactPCI标准，融合了电脑与工业设备诸多已经通过验证的标准，使电信设备具有高效能和如同专属架构的高可靠度，同时又可享受PCI标准带来的规模经济。其开放、可程式化的高可用性，完全可以满足电信领域应用中的高端要求，使用户可以享受到低成本、高弹性与Time-to-Market等多重优势。
关于PXI
PXI是一种专业的模块化仪器平台，PXI具备PCI总线的电气性能、CompactPCI总线的可靠性能、VXI总线的定时和触发信号。它为PCI Extensions for Instrumentation 的缩写，是由PXISA（PXI System Alliance）制订并推广。PXISA成立于1987年，是一个非营利组织。
CompactPCI应用广泛
近几年，无论是工业自动化领域、测试和测量自动化领域还是电信等其它领域，人们对标准化、开放性和面向未来的技术的追求，有力地驱动着CompactPCI/PXI技术的进步和应用。与此同时，CompactPCI/PXI技术也逐渐被内地市场所接纳和认同，应用气氛十分活跃，应用效果明显。在工业自动化领域，CompactPCI/PXI应用的成绩显著。
唐山大学基于CompactPCI/PXI技术研制的锅炉供热自动控制系统，成功地应用在唐山市热力总公司供热项目上，开发周期短，系统运行可靠。
陕西海泰电子研制的多通道瞬态信号测试系统，检测器件电起爆/点火瞬态响应特性，解决了石油行业中火工品器件的参数测试问题。
上海宝钢采用CompactPCI/PXI研制的轧机震动纹自动监测、诊断系统，应用于轧钢厂冷轧平整机组，为指导现场操作、进行产品质量控制以及设备维护提供了科学手段。
清华大学利用基于CompactPCI/PXI技术建设的实验室热工水利学测控平台，研制成功了先进的热工测量技术和热工仿真技术，完成了海水淡化等重要课题研究。
天津大学采用CompactPCI/PXI研制的原油管道泄露远程监测系统，成功应用于胜利油田和华东输油管理局的集输管线和长输管线，取得了很好的效果。
北京航空航天大学应用CompactPCI/PXI技术成功完成了航空发动机压气机管道声模态及非定常特性测量的数据采集和分析课题。中国科学院上海所采用CompactPCI/PXI技术，研制成功的实验卫星的信号分析系统和整星测试系统已经投入运行。
清华大学基于CompactPCI/PXI技术，研制成功了数字地震监测系统，用于中国的核电站建设。
铁科院基于CompactPCI/PXI技术研制成功的列车调度、监控系统，已经得到应用。
西安翔宇航空科技有限公司在充分分析和借鉴国外先进ATE技术基础上，采用CompactPCI/PXI研制成功了航空机载电子设备全自动综合测试系统，已经应用于飞机通讯、导航、仪表和机载计算机的维修测试过程。
中国空间技术研究院采用CompactPCI/PXI研制了一系列星载计算机及其测控系统的地面测试设备，完成新技术改造任务。
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