CompactPCI-Express系統在工業控制領域的發展

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。