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CompactPCI-Express系统在工业控制领域的发展

--CompactPCI-Express System Development in Industry Control Area

供稿:研祥智能科技股份有限公司 2010/4/27 9:58:00

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  • 关键词: CompactPCI CompactPCI-Express 第三代工控机
  • 摘要:本文介绍CompactPCI-Express发展现状,阐述其核心技术及为何未能在过去三年中得到大规模的应用。指出CompactPCI-Express的理论定义与产品化应用相悖,并提出Type1、Type2 CompactPCI-Express 6U系统符合主流市场需求,它将占领第三代工控机的至高点,并在军事防御与航空航天领域得到大力发展。

                                          
Abstract: Introduction the development status of CompactPCI-Express,explain its core technology and why it cannot got growth in the past three years. CompactPCI-Express 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-Express;The third industry control computer

1  CompactPCI-Express发展现状
      CompactPCI规范成熟之后,产品应用不断拓宽,同时,CompactPCI性能、带宽等问题也日益凸显。2005年,CompactPCI-Express规范诞生,此规范的主要目的在于促进CompactPCI在军事防御与航空航天市场的发展。时至今日,CompactPCI-Express并没有像想象中那样快速发展,国内外仅有少数几家厂商少量研发生产CompactPCI-Express产品,并且集中在3U简单系统方面,很少涉及6U CompactPCI-Express大型系统开发。CompactPCI-Express优势明显,为何未能在过去三年中得到大规模的应用?其应用模式是否将转换?它在工业控制领域的发展前景如何?

2  CompactPCI-Express核心技术
      CompactPCI-Express采用串行数据传输机制,将110根CompactPCI并行数据地址线、控制线、仲裁线、时钟线、系统复位线、中断线减少到4根差分传输线,且串行机制中包括PCI-Express所有通信协议。总线数量的将少,使得产品化过程中的PCB制作、布线变得更容易。同时,CompactPCI-Express背板FR4 PCB布线可达50厘米,而CompactPCI却局限于PCB布线长度、PCI桥扩展机制的影响。所以,CompactPCI-Expres在系统设计难度、扩展性方面胜于CompactPCI。
      CompactPCI-Express板间互联采用Link点对点联接,每一个Link可由X1、X2、X4、X8、X16个Lane联接,每一个Lane由一对TX差分信号对和一对RX差分信号对组成,数据双向传输。X1 Lane单向速度为250Mbytes/s,双向即为500Mbytes/s,而传统的33MHz/32Bit CompactPCI 总线仅为132 Mbytes/s。CompactPCI-Express采用点对点的互联,CompactPCI则是共享总线带宽,这样,CompactPCI-Express速度优势更为明显。另外,CompactPCI-Express高速信号ADF差分连接器性能优于CompactPCI 2mm HM连接器,进一步增强系统传输性能。
      CompactPCI-Express系统还具备热插拔、IPMI系统管理功能。热插拔增强了系统的可维护性,是工控产品经久不衰的特性。IPMI在ATCA、MTCA、服务器等产品方面应用广泛,侧重于电信领域,在工控领域不会得到大规模的实际应用!
      鉴于以上分析,CompactPCI-Express最核心、最适用的技术既是:扩展性能强、传输性能高、可热插拔、设计难度低!

3  CompactPCI-Express为何未能得到大规模应用?
      CompactPCI最早主要用于电信,伴随着电信领域对产品性能、数据传输带宽的高要求,CompactPCI应用减少,而ATCA规范得到发展,并逐渐在电信骨干网、核心网、接入网中得到大规模的应用。CompactPCI-Express虽然充分利用了PCI-Express的速度,但是CPCI架构的板卡尺寸、供电能力不足以满足高性能、大功耗要求,因此,对于2005年以后的电信硬件平台,ATCA规范的产品得到大力发展,CompactPCI-Express却是风平浪静!ATCA、MTCA的诞生,基本上使得CompactPCI-Express从电信领域出局,仅能占据少量的电信设备边缘市场,比如,仅有少数厂家用CompactPCI-Express做CTI语音业务。
      同时,工控领域产品种类多,产品生命周期较长,新技术的采用也有一个较长的过程。CompactPCI-Express产品的开发和应用,不仅需要基础平台(机箱、背板、主控板)开发商大力推崇,还需CompactPCI-Express IO卡(扩展卡、应用卡)开发商积极参与,缺少任何一个环节,CompactPCI-Express都无法得到产品化。目前,基础平台商想开发CompactPCI-Express而担心投资回报,IO卡厂家作为中间环节而处于观望中,终端客户的各厂家、科研院所看好CompactPCI-Express,碍于已有产品技术的稳定,叫好不叫座!
      值得欣慰的是,工控行业的上下游厂商对CompactPCI-Express产品应用的讨论越来越多,国内某些科研所也投资开发CompactPCI-Express产品,所以,现在的形势需要我们重新思考和定位CompactPCI-Express。

4  工控领域CompactPCI-Expres特种计算机系统的应用特性。
      CompactPCI产品具备众多优点,如热插拔、加固、防震、防腐蚀、易扩展等等,CompactPCI-Express保留了CompactPCI的优点并且提高了传输带宽。另外,基于CompactPCI-Express背板系统的板间互联,各个模块在本质上属于同一个计算机系统,板间互联通讯仅需要各个模块的驱动程序、不需要任何其他协议。这是CompactPCI-Express特种计算机系统的主要特性。
      从应用上讲,PICMG为CompactPCI-Express系统定义了多种槽位,如Type1、Type2、Hybrid混合槽、传统CompactPCI槽,这样一来,整个CompactPCI-Express系统有多种槽位配置。经调查,用户的应用大都在于Type1、Type2共存系统,购买CompactPCI-Express混合系统着实有些浪费,仅某些科研所用混合槽系统作测试设备。目前,国内外商家开发的CompactPCI-Express系统大都是混合槽系统,可见,设备制造商对用户需求的理解有失偏颇!
      从另一个角看,设备制造商产品开发遵从行业规范,3年前PICMG协会为了兼容传统的CompactPCI板卡,从理论上定义多种槽位CompactPCI-Express系统,间接导致了设备制造商在产品化CompactPCI-Express系统时的迷茫!
   鉴于此,重新定位CompactPCI Expres,发展纯Type1/Type2 CompactPCI-Express系统符合主流市场需求,并能更好地推动CompactPCI-Express产品化。下面是研祥预研的6U Type1/ Type2 CompactPCI-Express系统架构:

      6U系统是CompactPCI-Express今后的主要发展方向。相比于3U系统它能充分发挥CompactPCI-Express的性能优势。

5  CompactPCI-Express系统发展前景
      工业化程度的提高,必然要求工控机诸多性能的提高,工控特种计算机行业在不久的将来必然有一场产品变革。传统IPC、EIP促进了第二代工控机的大力发展,而今,其缺点正是CompactPCI工控机的优点,比如:热插拔、加固、防震、防腐蚀、易扩展等特性。由此可见,CompactPCI将主导第三代工控机的发展。
      在计算机的体系结构技术中, 计算机I /O 技术始终是一个十分重要的关键技术。其技术特性决定了计算机I /O 处理能力, 进而决定了计算机的整体性能以及应用环境。从根本上讲,无论现在还是将来, I /O 技术都将制约着计算机技术的应用与发展, 尤其在高端计算领域。PCI Express 技术是第三代先进的I /O 总线技术, 代表未来十年计算机总线技术的发展方向,它是目前唯一被验证过高速计算机IO总线,能够进行板间直接扩展。目前,还没有一种计算总线能像PCI-Express这样兼顾传输带宽与成熟的应用。所以,从技术发展的角度看,基于PCI-Expres的CompactPCI-Express将占领第三代工控机的至高点,而从应用的角度看,PCI带宽限制了众多应用,CompactPCI-Express将解决CompactPCI军工、测控、航空航天等领域众多的需求!

参考文献:
[1] CompactPCI-Express PICMG EXP.0 R1.0 Specification  June 27,2005

作者简介: 蒙佺,男,1980年9出生,毕业于哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业,现为研祥智能股份有限公司通讯产品事业部总监。
Email:sz.mengquan@evoc.cn


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