CompactPCI-Express系統在工業控制領域的發展

摘要：本文介紹CompactPCI-Express發展現狀，闡述其核心技術及為何未能在過去三年中得到大規模的應用。指出CompactPCI-Express的理論定義與產品化應用相悖，并提出Type1、Type2 CompactPCI-Express 6U系統符合主流市場需求，它將占領第三代工控機的至高點，并在軍事防御與航空航天領域得到大力發展。
關鍵詞：CompactPCI；CompactPCI-Express；第三代工控機

CompactPCI-Express System Development in Industry Control Area
Meng Quan
Abstract: Introduction the development status of CompactPCI-Express，explain its core technology and why it cannot got growth in the past three years.

CompactPCIExpress slots definition is opposite to the product marketing, Type1

and Type2 6U system satisfy

the marketing needs. CompactPCI-Express will get the high-point of the third industry control computer, and it will get great contribution to the

military industry.

Keywords: CompactPCI；CompactPCI-ExpressThe third industry control computer

1 CompactPCI-Express發展現狀
CompactPCI規范成熟之后，產品應用不斷拓寬，同時，CompactPCI性能、帶寬等問題也日益凸顯。2005年，CompactPCI-Express規范誕生，此規范的主要目的在于促進CompactPCI在軍事防御與航空航天市場的發展。時至今日，CompactPCI-Express并沒有像想象中那樣快速發展，國內外僅有少數幾家廠商少量研發生產CompactPCI-Express產品，并且集中在3U簡單系統方面，很少涉及6U CompactPCI-Express大型系統開發。CompactPCI-Express優勢明顯，為何未能在過去三年中得到大規模的應用？其應用模式是否將轉換？它在工業控制領域的發展前景如何？
2 CompactPCI-Express核心技術
CompactPCI-Express采用串行數據傳輸機制，將110根CompactPCI并行數據地址線、控制線、仲裁線、時鐘線、系統復位線、中斷線減少到4根差分傳輸線，且串行機制中包括PCI-Express所有通信協議。總線數量的將少，使得產品化過程中的PCB制作、布線變得更容易。同時，CompactPCI-Express背板FR4 PCB布線可達50厘米，而CompactPCI卻局限于PCB布線長度、PCI橋擴展機制的影響。所以，CompactPCI-Expres在系統設計難度、擴展性方面勝于CompactPCI。
CompactPCI-Express板間互聯采用Link點對點聯接，每一個Link可由X1、X2、X4、X8、X16個Lane聯接，每一個Lane由一對TX差分信號對和一對RX差分信號對組成，數據雙向傳輸。X1 Lane單向速度為250Mbytes/s，雙向即為500Mbytes/s，而傳統的33MHz/32Bit CompactPCI 總線僅為132 Mbytes/s。CompactPCI-Express采用點對點的互聯，CompactPCI則是共享總線帶寬，這樣，CompactPCI-Express速度優勢更為明顯。另外，CompactPCI-Express高速信號ADF差分連接器性能優于CompactPCI 2mm HM連接器，進一步增強系統傳輸性能。
CompactPCI-Express系統還具備熱插拔、IPMI系統管理功能。熱插拔增強了系統的可維護性，是工控產品經久不衰的特性。IPMI在ATCA、MTCA、服務器等產品方面應用廣泛，側重于電信領域，在工控領域不會得到大規模的實際應用！
鑒于以上分析，CompactPCI-Express最核心、最適用的技術既是：擴展性能強、傳輸性能高、可熱插拔、設計難度低！
3 CompactPCI-Express為何未能得到大規模應用？
CompactPCI最早主要用于電信，伴隨著電信領域對產品性能、數據傳輸帶寬的高要求，CompactPCI應用減少，而ATCA規范得到發展，并逐漸在電信骨干網、核心網、接入網中得到大規模的應用。CompactPCI-Express雖然充分利用了PCI-Express的速度，但是CPCI架構的板卡尺寸、供電能力不足以滿足高性能、大功耗要求，因此，對于2005年以后的電信硬件平臺，ATCA規范的產品得到大力發展，CompactPCI-Express卻是風平浪靜！ATCA、MTCA的誕生，基本上使得CompactPCI-Express從電信領域出局，僅能占據少量的電信設備邊緣市場，比如，僅有少數廠家用CompactPCI-Express做CTI語音業務。
同時，工控領域產品種類多，產品生命周期較長，新技術的采用也有一個較長的過程。CompactPCI-Express產品的開發和應用，不僅需要基礎平臺（機箱、背板、主控板）開發商大力推崇，還需CompactPCI-Express IO卡（擴展卡、應用卡）開發商積極參與，缺少任何一個環節，CompactPCI-Express都無法得到產品化。目前，基礎平臺商想開發CompactPCI-Express而擔心投資回報，IO卡廠家作為中間環節而處于觀望中，終端客戶的各廠家、科研院所看好CompactPCI-Express，礙于已有產品技術的穩定，叫好不叫座！
值得欣慰的是，工控行業的上下游廠商對CompactPCI-Express產品應用的討論越來越多，國內某些科研所也投資開發CompactPCI-Express產品，所以，現在的形勢需要我們重新思考和定位CompactPCI-Express。
4 工控領域CompactPCI-Expres特種計算機系統的應用特性。
CompactPCI產品具備眾多優點，如熱插拔、加固、防震、防腐蝕、易擴展等等，CompactPCI-Express保留了CompactPCI的優點并且提高了傳輸帶寬。另外，基于CompactPCI-Express背板系統的板間互聯，各個模塊在本質上屬于同一個計算機系統，板間互聯通訊僅需要各個模塊的驅動程序、不需要任何其他協議。這是CompactPCI-Express特種計算機系統的主要特性。
從應用上講，PICMG為CompactPCI-Express系統定義了多種槽位，如Type1、Type2、Hybrid混合槽、傳統CompactPCI槽，這樣一來，整個CompactPCI-Express系統有多種槽位配置。經調查，用戶的應用大都在于Type1、Type2共存系統，購買CompactPCI-Express混合系統著實有些浪費，僅某些科研所用混合槽系統作測試設備。目前，國內外商家開發的CompactPCI-Express系統大都是混合槽系統，可見，設備制造商對用戶需求的理解有失偏頗！
從另一個角看，設備制造商產品開發遵從行業規范，3年前PICMG協會為了兼容傳統的CompactPCI板卡，從理論上定義多種槽位CompactPCI-Express系統，間接導致了設備制造商在產品化CompactPCI-Express系統時的迷茫！
鑒于此，重新定位CompactPCI Expres，發展純Type1/Type2 CompactPCI-Express系統符合主流市場需求，并能更好地推動CompactPCI-Express產品化。下面是研祥預研的6U Type1/ Type2 CompactPCI-Express系統架構：

6U系統是CompactPCI-Express今后的主要發展方向。相比于3U系統它能充分發揮CompactPCI-Express的性能優勢。
5 CompactPCI-Express系統發展前景
工業化程度的提高，必然要求工控機諸多性能的提高，工控特種計算機行業在不久的將來必然有一場產品變革。傳統IPC、EIP促進了第二代工控機的大力發展，而今，其缺點正是CompactPCI工控機的優點，比如：熱插拔、加固、防震、防腐蝕、易擴展等特性。由此可見，CompactPCI將主導第三代工控機的發展。
在計算機的體系結構技術中, 計算機I /O 技術始終是一個十分重要的關鍵技術。其技術特性決定了計算機I /O 處理能力, 進而決定了計算機的整體性能以及應用環境。從根本上講,無論現在還是將來, I /O 技術都將制約著計算機技術的應用與發展, 尤其在高端計算領域。PCI Express 技術是第三代先進的I /O 總線技術, 代表未來十年計算機總線技術的發展方向，它是目前唯一被驗證過高速計算機IO總線，能夠進行板間直接擴展。目前，還沒有一種計算總線能像PCI-Express這樣兼顧傳輸帶寬與成熟的應用。所以，從技術發展的角度看，基于PCI-Expres的CompactPCI-Express將占領第三代工控機的至高點，而從應用的角度看，PCI帶寬限制了眾多應用，CompactPCI-Express將解決CompactPCI軍工、測控、航空航天等領域眾多的需求！

參考文獻:
CompactPCI-Express PICMG EXP.0 R1.0 Specification June 27，2005

作者簡介: 蒙佺，男，1980年9出生，畢業于哈爾濱理工大學電氣工程及其自動化專業，現為研祥智能股份有限公司通訊產品事業部總監。
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