可堆疊式架構分歧

? 雖然標準組織在使用更新技術代替過時的ISA總線技術方面存在分歧，但經典PC / 104對嵌入式系統設計者仍具吸引力。

　　要點
　　* PC/104模塊大小適度，配置穩健，功耗低，成本低，可用性強，是高效的嵌入式系統開發平臺。
　　* 雖然開發者是在衰退的行業標準架構（ISA）總線上開發了PC/104架構，且已使用長達20年之久，但該架構仍比包括PC/104-Plus和PCI-104在內的更高速擴展產品賣得好。
　　* 最近關于PC/104升級版的規范提議已經包括PCIe或 USB通信，以便保持與基于PCI的軟件的兼容。
　　* 新的PC/104外型更新舍棄了直接與傳統產品兼容，以提高計算和通信性能，并且維持板的空間。

　　隨著官方規范的增加，以及要求開發更多性能的多個定制變體的出現，像PC/104這樣的架構仍然是堅固且受空間限制的嵌入設計的主要選擇。然而，這些架構將來可能面臨麻煩。PC/104靈活多樣，自其問世以來，一直是嵌入系統行業的寵兒，使設計者可以從數百個現成可用的處理器和擴展卡中進行選擇，并有大量可用的桌面軟件，以簡化系統集成。遺憾的是，用戶不斷要求提高某些應用的數據速率，而行業協會尚未就下一代板到板通信策略達成一致。此外，由于最新的處理器芯片組不再支持傳統PC/104架構，用戶對于目前可用數據率的滿意程度也面臨問題。

　　1987年，安普電腦（Ampro Computers）提出了最初的PC/104概念，以便將低成本臺式機芯片和軟件用于嵌入式系統。其名稱取自PC以及16位業界標準架構（ISA）總線的接口腳數。該公司在 1992 年公布了PC/104的第一個正式規范，目前PC/104 Embedded Consortium仍保留該規范。PC/104卡使用堆疊嵌入連接器，無需主板、背板或插件框架。即使在惡劣的環境中，這些引腳和插槽總線連接器也能提供可靠的信號路徑。PC/104卡有四個角落安裝孔來支撐板，用于抵制撞擊和振動。每個卡大小為 3.6英寸×3.8英寸，堆疊式卡間隔為0.6英寸。

　　雖然ISA總線已經不在臺式機中使用，但對于嵌入系統來說，它仍然具有優勢。許多嵌入系統的設計者，對上一代處理器和停止使用的ISA總線很滿意。外設卡簡單、成本低、易于設計，這些都是嵌入產品的基本要求。ISA總線速度相對較低，這也使噪聲和電磁干擾（EMI）防護方案更為簡單。然而，ISA總線一直受歡迎的主要原因在于，大量的現成產品采用該架構，給了設計者很大的選擇空間。多家制造商現在生產數百種獨有的低成本現成PC/104產品（見附文1《PC/104新論》）。

　　改變總線？

　　自PC/104問世以來，設計人員為它集成了多種增強功能，以擴展其性能。外圍設備互連（PCI）總線實際上已經取代了ISA在臺式機中的地位，因而系統架構師把它增加到PC/104中。 PCI總線為高性能外設和應用特定硬件帶來高得多的數據速率。PC/104 Embedded Consortium在 1997 年發布了PCI擴展規范，即PC/104-Plus。PC/104-Plus規范使板的設計人員可以選擇單獨使用ISA總線、同時使用PCI和ISA總線或單獨使用PCI總線。PC/104-Plus需要新的連接器，即J3/P3，來容納PCI總線腳。由于板空間損失是PCI升級版的劣勢之一，因而PC/104 Embedded Consortimun創建了PCI-104變體，它無需使用ISA總線。原始版的PC/104仍然比PC/104和PCI-104 更新版都賣得好。

　　為了跟上技術的發展，并跟上不斷優化的桌面軟件的節拍，業界組織已經為開發下一代PC/104至少提出了三種標準。這些更新采用由PCI SIG（Special Interest Group）定義的最新PCIe （PCI Express）規范，以及用于提高數據速率和改進板到板通信的USB（通用串行總線）2.0 技術（見附文2《PCI Express：可堆疊式系統的理想結構》）。雖然每種新標準均顯著地改進了可堆疊架構的性能，但最終產品不能交互操作，并且各產品與傳統PC/104產品的兼容程度也不盡相同。

　　PC/104 Embedded Consortiun于2008年初就PCI / 104-Express規范達成一致協議，以便定義在嵌入式系統應用中使用高速 PCIe總線的標準方法。基本的PCIe鏈接包括兩條信號通道，該通道使用低壓差分信令(LVDS)擺動和恒流線路驅動器，能以5GT/s的速率在每個方向通信。可以通過增加信號對（或通道）來增加每個PCI Express鏈接的帶寬，直到達到所需性能水平為止。雖然PCIe規范定義了1道、2道、4道、8道、16道和32道帶寬，但PCI / 104-Express 規范只支持4個1道鏈接和1個16道鏈接。

??? 瑞士數字邏輯（Digital-Logic）公司提供多種PCI/104-Express卡，包括MicroSpace MSM200 系列單板計算機（圖1）。模塊采用英特爾Atom處理器，運行速度為1.6 GHz，還提供多種板載RAM選項。模塊的目標應用是電池供電的移動計算機、視頻信息終端、具有音樂輸出的游戲系統、測量儀器和電信設備。除了具有高速中央處理器 （CPU）之外，MSM200為上述應用提供所有標準的PC接口，包括以太網接口、一個音頻控制器、四個 RS-232 接口和兩個串行及一個平行磁盤接口。 MSM200 的起價為每單位（100）364 歐元（約520 美元）。

? Express104

　　最近成立的行業貿易團體SFF SIG（Small Form Factor special-interest group）采取不同方法，于2008 年初定義了Express104 PC/104 extension。這些板采用一兩種新開發的52腳可疊堆統一模塊互連技術（SUMIT)連接器。其中一個連接器提供2個1道鏈接和1個4道鏈接，外加3個USB 2.0接口、1個低引腳計數總線、2個串行外圍接口（SPI）通道、1個系統管理總線（SMBus）和1組ExpressCard接口信號。可供選擇的第二個連接器提供另一組1道和4道鏈接。Express104 也支持可選配置，它包括一個PCI到ISA網橋芯片，以便與傳統PC/104板兼容。雖然幾家制造商已經表示了對Express 104模塊的興趣，但截至2008 年底，沒有一家制造商發布該模塊。

　　Micro/sys Embedded Systems基于PC/104外型尺寸創建了一種新的可堆疊式結構，提供了另一種方法來加強通信協議。StackableUSB使用 USB，并且保留了PC/104的尺寸和堆疊優勢。 StackableUSB 支持多達16個外圍板，利用USB即插即用的功能，而且無需使用帶有內置堆疊嵌入連接器的電纜。Micro/sys最近推出了基于 104外型尺寸的SBC1626網絡就緒控制器，它帶有7個 USB 端口，包括5個通過StackableUSB連接器的主機端口和2個客戶端USB端口（圖2）。除了聯網功能之外，基于arm的SBC1626還具有24條數字輸入/輸出線路、8個可讀取DIP交換機、8個供應用程序使用的LED以及4個RS-232端口。64 MB板載線性閃存和128 MB SDRAM支持Linux或Windows CE等高級操作系統。基本SBC1626的起價為450 美元（1件）。
??? 為了達到標準性能，只要傳統產品可用，嵌入系統設計者將繼續指定并集成傳統的PC/104。此外，只要板設計者能夠設法把較新芯片和過時的ISA總線連接起來，制造商將繼續生產這些產品。如果要使用更高的性能，則需要更新升級。除非業界選擇PC / 104的接替者，否則，由于制造商生產出不兼容的產品，很可能會使PC/104架構進入一個支離破碎的階段。與此同時，經典PC/104繼續存在。
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　　附文1：PC / 104 新論

　　設計預算不僅要滿足成本需求，而且還要考慮到開發時間、所占空間和性能因數，PC/104或PC/104兼容系統可成為有效的選擇。PC/104或PC/104平臺適用于需要少量（如有）硬件定制的設計方案，性能穩定，經過演進可在小型設備內提供更高性能。

　　穩定的平臺允許設計者更換供應商的PC/104產品，以便大幅度提高性能，而這種提高是過去幾年使用的產品無法實現的。事實上，制造商可使組件位于板上的同樣位置，這可能是使用行業標準產品的最重要優勢之一，也簡化了從較老的PC/104向較新的PC/104架構的設計演變。此外，一些制造商使模塊特性保持一致，避免了PC/104設計需要添加布線而導致機箱內部結構更復雜。PC/104信號使用通孔連接器而非插件連接器，這樣通過電纜把信號傳輸到外面。或者，設計者也可使用附帶插件連接器的載板。

　　PC/104堆疊通常最多有6個模塊板。因此，設計者把CPU板以及所有連接器放在基線板頂部。如果CPU板缺少某種功能，這是一些供應商提供的模塊板的常見問題，設計者必須在上面使用另一組模板。其中一塊板可能包括圖形，另一塊可能包括聲音，再一塊可能采用以太網或火線接口。較高級的板能減小堆疊數。例如，一些帶有內置輸入/輸出功能，因此設計者不需要使用具有圖形、以太網或音頻功能的單獨PC/104板。使用功能強大和選擇得當的板能快速將堆棧從6個小型單板計算機減少到只有2個。

　　PC/104還具有一些其他優勢，例如，適用于要求適度性能且預算較少的設計。而且，如果一個設計方案使用PC/104板，設計者傾向于停留在同一技術領域。緊縮的預算和占用較小空間可能意味著，要停留在同一平臺內，需要進行一些折衷，但是PC/104的發展已經提高了在這一方面的潛力。并不是所有的PC/104板都一樣，其中一些比較的更高級。
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　　附文2，PCI Express：可堆疊式系統的理想結構

　　多種小型（SFF）嵌入式系統應用均采用可堆疊架構來支持系統和輸入/輸出擴展，而無需底板或插件框架。在過去的16 年間，可堆疊系統的互連元素從行業標準架構（ISA）遷移到外圍設備互連（PCI）。現在，既然有PCI/104 Express標準可以遵循，嵌入式系統設計者可以利用PCIe（PCI Express）技術來降低成本和功耗，減少板占用空間，減少布線，減少連接器，提高數據吞吐量，縮短時延，并實現與傳統PCI軟件的兼容，這能大大簡化向PCI/104-Express的過渡。
?采用PCIe的PC、服務器和工作站使其具有廣泛可用性，促使PCIe設備數量快速上升，從而極大地降低其成本。實際上，一條傳輸速率為250Mb/s的PCIe鏈路只使用4條線，即一對傳送器線路和一對接收器線路，降低了能耗。與此相比，32位PCI總線需要超過100條輸入/輸出線路，最大傳輸速率是125 Mb / s。輸入輸出線路明顯減少，正是由于這一原因，芯片上的腳數減少，這意味著占板空間減少，連接器數量減少，PCIe布線減少。

　　設計者已經在使用廣泛發布的以25GT/s運行的第一代PCIe，以5GT/s運行的第二代PCIe，以及來自PLX Technology等供應商的交換機，以便在基于PCI/104 Express的可堆疊/SFF系統內構建高性能互連結構。PCI/104-Express需要4個1道第一代PCIe鏈接，每個鏈接支持250 Mb/s，該速度是PCI/104使用的32位、33-MHz PCI帶寬的兩倍。也可以使用第二代交換機，因為它們能自動向下鏈接第一代PCIe鏈路。這一速度極大地提高可堆疊/SFF 系統輸入/輸出帶寬，從而造就速度更快的結構。另外，它提供多達4條高速輸入/輸出通道，不需要像PCI/104 那樣，共享單一總線的帶寬。PCI / 104 Express還指定了一條16道PCIe鏈接，大大提高數據吞吐量，使之達到PCI 32/33標準的32倍多。

　　設計者已經應用了其他輸入/輸出互連，如USB和GbE（千兆位以太網)，但二者的數據吞吐量和時延都不及PCIe。比如，一個高速USB 2.0 連接器僅能提供40 Mb/s的速度，而最慢的第一代PCIe鏈路的傳送速率為250 Mb/s。GbE 僅支持125 Mb/s的速度，而且還具有高時延，而最快的16道第二代PCIe鏈路的吞吐量可高達10 Gb/s。