可堆疊式架構(gòu)分歧

? 雖然標(biāo)準(zhǔn)組織在使用更新技術(shù)代替過(guò)時(shí)的ISA總線技術(shù)方面存在分歧，但經(jīng)典PC / 104對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者仍具吸引力。

　　要點(diǎn)
　　* PC/104模塊大小適度，配置穩(wěn)健，功耗低，成本低，可用性強(qiáng)，是高效的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
　　* 雖然開(kāi)發(fā)者是在衰退的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)（ISA）總線上開(kāi)發(fā)了PC/104架構(gòu)，且已使用長(zhǎng)達(dá)20年之久，但該架構(gòu)仍比包括PC/104-Plus和PCI-104在內(nèi)的更高速擴(kuò)展產(chǎn)品賣得好。
　　* 最近關(guān)于PC/104升級(jí)版的規(guī)范提議已經(jīng)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(tǒng)產(chǎn)品兼容，以提高計(jì)算和通信性能，并且維持板的空間。

　　隨著官方規(guī)范的增加，以及要求開(kāi)發(fā)更多性能的多個(gè)定制變體的出現(xiàn)，像PC/104這樣的架構(gòu)仍然是堅(jiān)固且受空間限制的嵌入設(shè)計(jì)的主要選擇。然而，這些架構(gòu)將來(lái)可能面臨麻煩。PC/104靈活多樣，自其問(wèn)世以來(lái)，一直是嵌入系統(tǒng)行業(yè)的寵兒，使設(shè)計(jì)者可以從數(shù)百個(gè)現(xiàn)成可用的處理器和擴(kuò)展卡中進(jìn)行選擇，并有大量可用的桌面軟件，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成。遺憾的是，用戶不斷要求提高某些應(yīng)用的數(shù)據(jù)速率，而行業(yè)協(xié)會(huì)尚未就下一代板到板通信策略達(dá)成一致。此外，由于最新的處理器芯片組不再支持傳統(tǒng)PC/104架構(gòu)，用戶對(duì)于目前可用數(shù)據(jù)率的滿意程度也面臨問(wèn)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(tái)式機(jī)芯片和軟件用于嵌入式系統(tǒng)。其名稱取自PC以及16位業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)（ISA）總線的接口腳數(shù)。該公司在 1992 年公布了PC/104的第一個(gè)正式規(guī)范，目前PC/104 Embedded Consortium仍保留該規(guī)范。PC/104卡使用堆疊嵌入連接器，無(wú)需主板、背板或插件框架。即使在惡劣的環(huán)境中，這些引腳和插槽總線連接器也能提供可靠的信號(hào)路徑。PC/104卡有四個(gè)角落安裝孔來(lái)支撐板，用于抵制撞擊和振動(dòng)。每個(gè)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(jīng)不在臺(tái)式機(jī)中使用，但對(duì)于嵌入系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它仍然具有優(yōu)勢(shì)。許多嵌入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，對(duì)上一代處理器和停止使用的ISA總線很滿意。外設(shè)卡簡(jiǎn)單、成本低、易于設(shè)計(jì)，這些都是嵌入產(chǎn)品的基本要求。ISA總線速度相對(duì)較低，這也使噪聲和電磁干擾（EMI）防護(hù)方案更為簡(jiǎn)單。然而，ISA總線一直受歡迎的主要原因在于，大量的現(xiàn)成產(chǎn)品采用該架構(gòu)，給了設(shè)計(jì)者很大的選擇空間。多家制造商現(xiàn)在生產(chǎn)數(shù)百種獨(dú)有的低成本現(xiàn)成PC/104產(chǎn)品（見(jiàn)附文1《PC/104新論》）。

　　改變總線？

　　自PC/104問(wèn)世以來(lái)，設(shè)計(jì)人員為它集成了多種增強(qiáng)功能，以擴(kuò)展其性能。外圍設(shè)備互連（PCI）總線實(shí)際上已經(jīng)取代了ISA在臺(tái)式機(jī)中的地位，因而系統(tǒng)架構(gòu)師把它增加到PC/104中。 PCI總線為高性能外設(shè)和應(yīng)用特定硬件帶來(lái)高得多的數(shù)據(jù)速率。PC/104 Embedded Consortium在 1997 年發(fā)布了PCI擴(kuò)展規(guī)范，即PC/104-Plus。PC/104-Plus規(guī)范使板的設(shè)計(jì)人員可以選擇單獨(dú)使用ISA總線、同時(shí)使用PCI和ISA總線或單獨(dú)使用PCI總線。PC/104-Plus需要新的連接器，即J3/P3，來(lái)容納PCI總線腳。由于板空間損失是PCI升級(jí)版的劣勢(shì)之一，因而PC/104 Embedded Consortimun創(chuàng)建了PCI-104變體，它無(wú)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(shù)的發(fā)展，并跟上不斷優(yōu)化的桌面軟件的節(jié)拍，業(yè)界組織已經(jīng)為開(kāi)發(fā)下一代PC/104至少提出了三種標(biāo)準(zhǔn)。這些更新采用由PCI SIG（Special Interest Group）定義的最新PCIe （PCI Express）規(guī)范，以及用于提高數(shù)據(jù)速率和改進(jìn)板到板通信的USB（通用串行總線）2.0 技術(shù)（見(jiàn)附文2《PCI Express：可堆疊式系統(tǒng)的理想結(jié)構(gòu)》）。雖然每種新標(biāo)準(zhǔn)均顯著地改進(jìn)了可堆疊架構(gòu)的性能，但最終產(chǎn)品不能交互操作，并且各產(chǎn)品與傳統(tǒng)PC/104產(chǎn)品的兼容程度也不盡相同。

　　PC/104 Embedded Consortiun于2008年初就PCI / 104-Express規(guī)范達(dá)成一致協(xié)議，以便定義在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中使用高速 PCIe總線的標(biāo)準(zhǔn)方法。基本的PCIe鏈接包括兩條信號(hào)通道，該通道使用低壓差分信令(LVDS)擺動(dòng)和恒流線路驅(qū)動(dòng)器，能以5GT/s的速率在每個(gè)方向通信。可以通過(guò)增加信號(hào)對(duì)（或通道）來(lái)增加每個(gè)PCI Express鏈接的帶寬，直到達(dá)到所需性能水平為止。雖然PCIe規(guī)范定義了1道、2道、4道、8道、16道和32道帶寬，但PCI / 104-Express 規(guī)范只支持4個(gè)1道鏈接和1個(gè)16道鏈接。

??? 瑞士數(shù)字邏輯（Digital-Logic）公司提供多種PCI/104-Express卡，包括MicroSpace MSM200 系列單板計(jì)算機(jī)（圖1）。模塊采用英特爾Atom處理器，運(yùn)行速度為1.6 GHz，還提供多種板載RAM選項(xiàng)。模塊的目標(biāo)應(yīng)用是電池供電的移動(dòng)計(jì)算機(jī)、視頻信息終端、具有音樂(lè)輸出的游戲系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x器和電信設(shè)備。除了具有高速中央處理器 （CPU）之外，MSM200為上述應(yīng)用提供所有標(biāo)準(zhǔn)的PC接口，包括以太網(wǎng)接口、一個(gè)音頻控制器、四個(gè) RS-232 接口和兩個(gè)串行及一個(gè)平行磁盤接口。 MSM200 的起價(jià)為每單位（100）364 歐元（約520 美元）。

? Express104

　　最近成立的行業(yè)貿(mào)易團(tuán)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(kāi)發(fā)的52腳可疊堆統(tǒng)一模塊互連技術(shù)（SUMIT)連接器。其中一個(gè)連接器提供2個(gè)1道鏈接和1個(gè)4道鏈接，外加3個(gè)USB 2.0接口、1個(gè)低引腳計(jì)數(shù)總線、2個(gè)串行外圍接口（SPI）通道、1個(gè)系統(tǒng)管理總線（SMBus）和1組ExpressCard接口信號(hào)。可供選擇的第二個(gè)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(gè)PCI到ISA網(wǎng)橋芯片，以便與傳統(tǒng)PC/104板兼容。雖然幾家制造商已經(jīng)表示了對(duì)Express 104模塊的興趣，但截至2008 年底，沒(méi)有一家制造商發(fā)布該模塊。

　　Micro/sys Embedded Systems基于PC/104外型尺寸創(chuàng)建了一種新的可堆疊式結(jié)構(gòu)，提供了另一種方法來(lái)加強(qiáng)通信協(xié)議。StackableUSB使用 USB，并且保留了PC/104的尺寸和堆疊優(yōu)勢(shì)。 StackableUSB 支持多達(dá)16個(gè)外圍板，利用USB即插即用的功能，而且無(wú)需使用帶有內(nèi)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(wǎng)絡(luò)就緒控制器，它帶有7個(gè) USB 端口，包括5個(gè)通過(guò)StackableUSB連接器的主機(jī)端口和2個(gè)客戶端USB端口（圖2）。除了聯(lián)網(wǎng)功能之外，基于arm的SBC1626還具有24條數(shù)字輸入/輸出線路、8個(gè)可讀取DIP交換機(jī)、8個(gè)供應(yīng)用程序使用的LED以及4個(gè)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(jí)操作系統(tǒng)。基本SBC1626的起價(jià)為450 美元（1件）。
??? 為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)性能，只要傳統(tǒng)產(chǎn)品可用，嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將繼續(xù)指定并集成傳統(tǒng)的PC/104。此外，只要板設(shè)計(jì)者能夠設(shè)法把較新芯片和過(guò)時(shí)的ISA總線連接起來(lái)，制造商將繼續(xù)生產(chǎn)這些產(chǎn)品。如果要使用更高的性能，則需要更新升級(jí)。除非業(yè)界選擇PC / 104的接替者，否則，由于制造商生產(chǎn)出不兼容的產(chǎn)品，很可能會(huì)使PC/104架構(gòu)進(jìn)入一個(gè)支離破碎的階段。與此同時(shí)，經(jīng)典PC/104繼續(xù)存在。
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　　附文1：PC / 104 新論

　　設(shè)計(jì)預(yù)算不僅要滿足成本需求，而且還要考慮到開(kāi)發(fā)時(shí)間、所占空間和性能因數(shù)，PC/104或PC/104兼容系統(tǒng)可成為有效的選擇。PC/104或PC/104平臺(tái)適用于需要少量（如有）硬件定制的設(shè)計(jì)方案，性能穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)演進(jìn)可在小型設(shè)備內(nèi)提供更高性能。

　　穩(wěn)定的平臺(tái)允許設(shè)計(jì)者更換供應(yīng)商的PC/104產(chǎn)品，以便大幅度提高性能，而這種提高是過(guò)去幾年使用的產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的最重要優(yōu)勢(shì)之一，也簡(jiǎn)化了從較老的PC/104向較新的PC/104架構(gòu)的設(shè)計(jì)演變。此外，一些制造商使模塊特性保持一致，避免了PC/104設(shè)計(jì)需要添加布線而導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。PC/104信號(hào)使用通孔連接器而非插件連接器，這樣通過(guò)電纜把信號(hào)傳輸?shù)酵饷妗；蛘撸O(shè)計(jì)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(gè)模塊板。因此，設(shè)計(jì)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(yīng)商提供的模塊板的常見(jiàn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)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(wǎng)或火線接口。較高級(jí)的板能減小堆疊數(shù)。例如，一些帶有內(nèi)置輸入/輸出功能，因此設(shè)計(jì)者不需要使用具有圖形、以太網(wǎng)或音頻功能的單獨(dú)PC/104板。使用功能強(qiáng)大和選擇得當(dāng)?shù)陌迥芸焖賹⒍褩?個(gè)小型單板計(jì)算機(jī)減少到只有2個(gè)。

　　PC/104還具有一些其他優(yōu)勢(shì)，例如，適用于要求適度性能且預(yù)算較少的設(shè)計(jì)。而且，如果一個(gè)設(shè)計(jì)方案使用PC/104板，設(shè)計(jì)者傾向于停留在同一技術(shù)領(lǐng)域。緊縮的預(yù)算和占用較小空間可能意味著，要停留在同一平臺(tái)內(nèi)，需要進(jìn)行一些折衷，但是PC/104的發(fā)展已經(jīng)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(jí)。
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　　附文2，PCI Express：可堆疊式系統(tǒng)的理想結(jié)構(gòu)

　　多種小型（SFF）嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用均采用可堆疊架構(gòu)來(lái)支持系統(tǒng)和輸入/輸出擴(kuò)展，而無(wú)需底板或插件框架。在過(guò)去的16 年間，可堆疊系統(tǒng)的互連元素從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)（ISA）遷移到外圍設(shè)備互連（PCI）。現(xiàn)在，既然有PCI/104 Express標(biāo)準(zhǔn)可以遵循，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以利用PCIe（PCI Express）技術(shù)來(lái)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(shù)據(jù)吞吐量，縮短時(shí)延，并實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)PCI軟件的兼容，這能大大簡(jiǎn)化向PCI/104-Express的過(guò)渡。
?采用PCIe的PC、服務(wù)器和工作站使其具有廣泛可用性，促使PCIe設(shè)備數(shù)量快速上升，從而極大地降低其成本。實(shí)際上，一條傳輸速率為250Mb/s的PCIe鏈路只使用4條線，即一對(duì)傳送器線路和一對(duì)接收器線路，降低了能耗。與此相比，32位PCI總線需要超過(guò)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(shù)減少，這意味著占板空間減少，連接器數(shù)量減少，PCIe布線減少。

　　設(shè)計(jì)者已經(jīng)在使用廣泛發(fā)布的以25GT/s運(yùn)行的第一代PCIe，以5GT/s運(yùn)行的第二代PCIe，以及來(lái)自PLX Technology等供應(yīng)商的交換機(jī)，以便在基于PCI/104 Express的可堆疊/SFF系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)建高性能互連結(jié)構(gòu)。PCI/104-Express需要4個(gè)1道第一代PCIe鏈接，每個(gè)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(jī)，因?yàn)樗鼈兡茏詣?dòng)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(tǒng)輸入/輸出帶寬，從而造就速度更快的結(jié)構(gòu)。另外，它提供多達(dá)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(shù)據(jù)吞吐量，使之達(dá)到PCI 32/33標(biāo)準(zhǔn)的32倍多。

　　設(shè)計(jì)者已經(jīng)應(yīng)用了其他輸入/輸出互連，如USB和GbE（千兆位以太網(wǎng))，但二者的數(shù)據(jù)吞吐量和時(shí)延都不及PCIe。比如，一個(gè)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(shí)延，而最快的16道第二代PCIe鏈路的吞吐量可高達(dá)10 Gb/s。