嵌入式系统的电路板标准

　 伴随对嵌入系统性能预期的增长，标准化组织争着为设计者提供成本、尺寸、可靠性和性能的最佳组合。
　　　　

标准化组织必须不断地更新电路板规范，从而为嵌入系统设计者提供丰富的预设计现成产品。
　　

板级规范中的多种串行通信选项会导致业界分裂和产品互操作问题。
　　

CompactPCI Express 用台式机的硅片和软件实现了一个高性能、可靠而低成本的嵌入系统架构。
　　

AdvancedMC模块作为AdvancedTCA的中间卡，可以直接插入新 MicroTCA 系统标准的背板。

由于有限的预算和缩短的计划周期，迫使设计团队在中小批量的高性能嵌入项目中，例如医疗仪器、军用系统、通信安装以及过程自动化等，避免采用专有设计而采用开放标准。他们面临的挑战是选择一种可以提供性能、外形尺寸和成本优势，并能满足当前项目的要求，并在数据速率和加工需求上有预期可更新的大量扩展能力的标准。今天的板级标准名目繁多，包括VMEbus、PCI、CompactPCI、PC/104和 AdvancedTCA（先进电信计算架构），还有一系列独立模块和子卡的标准。每种标准都针对不同的用户群，并有一个行业团体的
支持，该团体负责伴随性能预期的进步而对规范作修改和扩展，保持其可行性。

　 嵌入系统设计者采用开放标准，确保预设计的现成系统元件有充裕的选择余地，至少能满足每个新项目中的一部分要求。开放标准使设计者能够从任何供应商采购到部件，并确保软硬件的互操作性。基于标准的系统机箱、处理器卡、外设和现成的用户接口都可以将一个典型的嵌入系统项目降低到很少或无需硬件设计和专用软件。行业标准提供对兼容操作系统、供应商提供的驱动程序以及试样源码的访问，从而方便了软件开发工作。电路板标准还消除了要获得最佳冷却性能和机械校正所需的试错式重复设计。
　　

虽然电路板标准试图吸引嵌入系统业的主要部分，但在规范发展与认证过程中仍存在固有问题。总体而言，标准化组织对技术的发展响应太慢，因为他们必须等待成员达成一致才能最终更新。然而，如果他们试图跟上早期的变化，选择的数量会使业界迷惑，降低可互操作产品的可能性。

例如，AdvancedTCA 标准有多个串行数据交换替代方案，包括以太网、FibreChannel、InfiniBand、StarFabric、PCIe（PCI Express），和 RapidIO。虽然有些电路板厂商会开发独特设计以适应多种选项，但业界未能选定一种或两种交换结构技术，这可能会损害到COTS（商业现货）产品的不断成功。

　 老当益壮

　 标准化组织在升级或扩展电路板规范的性能水平时，还必须面对与传统兼容性的问题。设计者希望有大量兼容的电路板可选，但标准的一次重大升级会造成大批产品与新硬件无法互操作。通常，多数标准允许你用不重叠的卡边沿连接器，或能为每个版本提供一些插槽的特殊背板，将新、旧技术同时用于同一系统中。例如，VMEbus 标准是现行最老的嵌入系统架构，但多数早期产品仍能与最新产品兼容。标准还必须解决长期的可获性问题，这是对高性能嵌入产品的一项基本要求。尽管台式机部件的平均寿命大约为18个月，但用户期望典型的嵌入产品能在五年或更长时间内保持服务。

　 CompactPCI亦有一种寻找正确特性组合的更新史，为的是满足多数嵌入系统领域的要求。CompactPCI在一个坚固的外壳中封装了低成本、基于PCI的台式硬件，使嵌入系统开发者能够使用现成的硅片和台式软件程序。PICMG（PCI工业计算机制造小组）控制着CompactPCI规范，它基于定义了3U和6U板尺寸的Eurocard工业标准。比较常用的6U 板在卡后方有多达五个连接器，两个用于 CompactPCI 总线，其余三个用于可选用户定义 I/O 连接。通过一系列针对高性能应用的更新，PICMG 扩展了 CompactPCI 规范，使之包含了一个分组交换背板，为用户定义管脚增加了双重交换的 10/100/1000 以太网结构。

　 近来，PICMG 跟踪着台式技术的发展，在 CompactPCI 规范中加入了PCIe。CompactPCI Express 提供可比例缩放的高带宽数据路径、分组式数据协议，以及与PCI硬件和驱动软件的兼容性。基本的PCIe连接包含两个信号路径，采用LVDS（低压差分信令）和恒流线驱动器，能在每个方向上实现5Gbps的通信。

简单地增加信号对（或通道）即可增加单个 PCIe连接的带宽，直至达到所需性能水平。MEN Micro 提供一种3U CompactPCI Express 单板机，它使用英特尔2.16GHz Core 2 Duo处理器（图 1）。 MEN Micro的F17采用英特尔的 Mobile 945GM Express 芯片组，带有六个PCIe通道，以及两个 SATA（串行先进技术连接）线。该板的内存包括 Core 2 Duo中集成的 4MB L2 缓存，以及多达4GB高速DDR2 DRAM。前面板上的标准I/O包括一个 VGA 连接器、两个用PCIe连接的千兆位以太网接口，以及两个USB2.0端口。由于采用了英特尔嵌入系统产品系列的元件，F17可保证最少五年的标准可用性。MEN Micro提供对 Windows、Linux、VxWorks和QNX 的电路板支持包。F17 的价格为 2920 美元。

从头开始

　 另一个为各种应用寻找完美架构的方案是从头开始，建立一种新的规范，在其上采用最新技术，而不考虑传统产品。例如，AdvancedTCA于2003 年开始出现，它建立了一套全新的电路板、背板和软件规范，用于下一代电信设备。AdvancedTCA有较大的外形尺寸、高可用特性以及高速交换互连结构，它希望成为电信业中大量专有设备的一种可行的现货替代品。AdvancedTCA规范为所有电路板和有源模块提供热插拔能力，使系统能够实现甚至超过所谓的“五个9”可用性（99.999%）。结构化接口提供一种全网格互连，其中每个插槽都与其它任一插槽直接连接。

　 为实现高性能应用的最多用途，AdvancedTCA设计者增加了可更换的插入模块或有很多相同特性的子卡作为基本架构。形成的 AdvancedMC（先进中间卡）标准为设计者提供一种可热插拔、可现场更换的模块，以降低维护成本和减少停机时间。AdvancedMC模块具有远程管理与交换结构技术的特点，外形尺寸约为 3英寸×7英寸。模块以单尺寸或双尺寸与紧凑、中等和全尺寸面板相配置。AdvancedMC使用了 AdvancedTCA载卡所需IPMI（智能平台管理接口）的一个子集。这种管理接口规范可以用本地和远程监控设备作电源管理、冷却、电子锁和热插拔处理。

　 Emerson Network Power（前身是 Artesyn Communication Products）最近宣布了一个采用基于英特尔 Pentium M处理器的AdvancedMC模块KosaiPM（图2）。该模块提供各种应用所需的局部马力，如协议处理、分组处理、数据管理以及I/O管理等。该模块具有工作在高达 1.8 GHz 频率下的低功耗处理器，2MB Level 2 缓存，高达 2GB的带 ECC（纠错码）的DDR SDRAM，一个USB2.0接口，以及一个前面板的RS-232接口。为支持卡内外的高速分组数据传输，KosaiPM同时采用PCIe和双千兆位以太网接口与底板连接。KosaiPM 还使用基于I2C的IPMI，可以监控并远程控制模块。KosaiPM 亦可热插拔，降低了备件成本和平均维修时间。

由于有AdvancedMC的大功率、热插拔、交换结构以及管理功能，设计者可以考虑将这些模块直接插入到一块背板，构成小型独立系统。经过业界一致的不懈努力，PICMG在2006年7月公布了MicroTCA规范。MicroTCA提供带一个背板的独立机箱，它可以直接接纳AdvancedMC卡，因此无需AdvancedTCA的载板。较小的外形尺寸使它更可用于电信中的低预算的应用以及各种嵌入系统项目。

PICMG网站上还出现了 MicroTCA 规范的短格式版本，它将一个最小MicroTCA系统定义为多个互联部件的集合，其中包含至少一个 AdvancedMC模块、至少一个 MicroTCA承载集线器、一个电源模块，以及支持它们所必需的互连、冷却和机械资源。一个 MicroTCA 承载集线器组合有控制与管理架构，以及在单个模块中支持多达12个 AdvancedMC 所需的互连结构资源。

Micro TCA电源模块获得输入电源，将其转换为12V，为每个 AdvancedMC模块提供有效负载电源。举例来说，一个典型的 MicroTCA 系统包括多达12个AdvancedMC、一个或两个承载集线器、多个电源模块、负载共享、冷却子系统、一个背板互连以及机械部件（图3）。有源元件可以加倍，以提供冗余性。Elma Electronic最近推出了一款新的5U MicroTCA机架，它在单个模块、全尺寸格式中带有一个14 槽双星形背板。背板提供10个AdvancedMC、两个电源模块以及两个 MicroTCA承载集线器槽（图4）。三只插入式风扇托盘带有空气过滤装置，提供冷却功能。5U MicroTCA 机架的价格按照不同选项，起价低于2000美元。

无论一个标准是来自以前版本还是从头开发，开发者都在寻求相同的东西：一个稳定而开放的规范，它可以使不同制造商提供先进技术的电路板，这些电路板可以共同运行，以获得尽可能低的价格。大量已有 COTS 板的供给是高性能、嵌入系统开发过程的关键。正如嵌入系统开发 者所言，不存在可以适用每个项目的万能开放标准，而且今后永远也不可能出现。随着电子技术继续遵循摩尔定律，你会看到标准在稳步地更新，并且还会出现很多全新的思路（见附文“堆叠型寻求新方向”）。另一种替代方案是回到过去，即那种有漫长研制时间和巨额预算的自创式专有设计。

附文：堆叠型寻求新方向

　 电路板标准会转变，以适应最新的系统需求，或者慢慢销声匿迹，像 S-100 总线或 Multibus。PC/104 标准最近一直在挣扎着应付 ISA总线硅片的消亡。虽然 PC/104 联盟已将标准更新为包含 PCI 总线（PC/104-Plus），然后删掉了 ISA 总线（PCI-104），但多数现成电路板仍需要 ISA 信号才能运行。PC/104 在嵌入系统设计者之间很流行，因为它不需要背板，可以像积木一样堆叠模块。每个模块尺寸 3.55英寸 × 3.775英寸，拐角有安装孔，可以用支座作板间固定。

Micro/sys 是一家长期的 PC/104 供应商，它最近开始了一项活动，即建立一个全新的可堆叠架构，外形尺寸借自 PC/104。新架构使用一个更现代的通信协议 USB，但保留了 PC/104 的尺寸和堆叠优点。StackableUSB支持多达16种外设板，有USB即插即用的优点，用内置穿透式连接器消除了电缆。为了鼓励各家供应商的支持，Micro/sys已推出了一个CPU板和一个通用I/O卡。USB148 I/O模块（图 A）可提供 48 个数字 TTL I/O 线，还有三个16位定时器/计数器。所有分离I/O 线都可以通过软件编程上拉或下拉。

USB148的核心是一只 8051兼容微控制器单元，它运行在48 MHz，集成了很多外设，如10位 A/D转换器、两个UART以及其它用户可用外设。Micro/sys 提供一个预定义的协议，用于通过 USB 输送数据，因此用户无需开发微控制器代码。USB148 起价为 125 美元（单只）。你可以跟踪 StackableUSB 标准的进展。