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[嵌入式与工业电脑 - 技术文章]
嵌入式应用市场的新选择:对PICMG 1.3规范的分析
作者:张仁杰、蔡柏珏 凌华科技工业计算机产品事业部

在嵌入式计算机产业中,将主板与外围板卡通过背板相连接的这种基本构造,已经广泛的被业界所接受。此类规格的最早标准就是PICMG 1.0规范,支持通过PCI/ISA接口,连接主板与背板。这样的标准规范提供更佳稳定与有效的环境,方便制造商可以更简化其设计、并降低成本,不同厂商制造的板卡由于有了固定的规范标准,彼此间有了互连性、更促进新品的研发。此种板卡与背板连接的构造最主要的好处是,相比传统的计算机主机板来说,它更加缩短了平均修复时间 (Mean Time To Repair,即 MTTR。指的是描述产品由故障状态转为工作状态时的平均修理时间)、背板插槽的配置相对具有更多弹性、可直接连接广泛的现成外围板卡等。

PICMG1.3是PICMG 1.x规范下的最新版本,与外围板卡沟通时有更高速的接口带宽。PICMG 1.3依旧保有此类架构的好处,包括系统设计时具有弹性、以及PCI/PCI-X兼容性等。但原有的ISA总线被置换为点对点的PCI Express串行接口,并增加进级的功能,包括智能型平台管理接口 (Intelligent Platform Management Interface, IPMI)、SATA端口、USB端口、以太网络连结,除此外可通过金手指 (edge connectors) 提供更多电源接脚,以供板上运行所需等。PICMG 1.3规格可以妥善运用最新芯片组的功能,提供更高的带宽,系统设计可被简化,同时增加弹性。

系统主板 (System Host Board, SHB)

PICMG 1.3 系统主板 SHB规格即为SHB Express。SHB可与背板做连结沟通,并且具有多种形式的PCI Express通道,包括x1、x4、x8或x16等,可根据SHB本身与背板的设计状况来使用。SHB的PCI Express通道是通过金手指的connector A与connector B来连结(请见下图1)。共计支持20个PCI Express通道,可设定分配为x16、x8、x4或x1的通道,并做不同的搭配。通过背板上的PCI Express-to-PCI/PCI-X的桥接器芯片,可提供PCI与PCI-X通道来使用;或者是通过connector D来做32位PCI通道连接,可支持无源背板 (passive backplanes)。

SHB Express规格定义还包括可通过connector C来连接的一些I/O接口,如SATA端口 (2x)、LAN口 (2x)、USB接口 (4x)。所有的电源都可从SHB上的金手指connector A、B与C来提供(共计500瓦特)。其它可选择支持的信号还有:ATX/BTX电源信号、智能平台管理总线 (Intelligent Platform Management Bus, IPMB)、SMBus接口、JTAG测试工具组、Geographic Addressing(可用来辨识板卡槽位),以及PCI wake up等。SHB Express定义包括长卡 (full-size) 与短卡 (half-size)的尺寸规格,且都与PICMG 1.0相同,因此可以减少、甚至最小化系统重新设计时的成本(请见下图1)。


图1:PICMG 1.3 Full-size SHB尺寸规格与连接器位置示意图

PICMG 1.3 规格的优势

PICMG 1.3 规格相比PICMG 1.0而言具有更多的优点,它可支持到背板的PCI Express点对点串行接口,消除了以往PCI与ISA接口串行总线传输时的瓶颈。PICMG 1.3以PCI Express来替代PCI/ISA结合的总线构造,使用者得以应用最新高性能的外围板卡,包括PCI Express x16的图像卡等,并且保留了PCI(-X)接口对原有慢速传输装置的支持。PICMG 1.3所增加的可用带宽总结如下表1。

总的来说,PICMG 1.3规格通过金手指即可供应板上所需的所有电源,还可以提供选择性的I/O连结到背板上 (SATA、USB、LAN、IPMB、SMBus以及电源信号等)。板上不需再外接电源连接器,也就有效地减少系统内的配线、简化系统的设计,增加内部的空气对流,换言之即可达成更好的散热性能,缩短MTTR。尤其当SATA、USB、LAN等的I/O信号被配置到背板上使用者所想要的位置后,更可妥善地符合客户应用上的需求(例如可配置到靠近机箱的前端或后端)。与PICMG 1.0系统比较而言,PICMG 1.3通过选择性的IPMB可提供远程系统管理或是监控应用,即为一个很大的优点。

系统的设计

PICMG 1.3规格可利用最新的处理器与芯片组的功能。举例来说,凌华科技的NuPRO-E320 SHB可支持英特尔Core?2 Quad处理器与Q45高速芯片组。PICMG 1.3可提供多样的背板选择来符合在嵌入式应用市场中所产生的不同需求。图2即为PICMG 1.3的背板范例:凌华科技EBP-13E4,可有效地利用NuPRO-E320的主要产品特性,提供1个PCIe x16插槽、3个PCIe x4插槽、7个PCI插槽、2个SATA接口以及4个通过pin header连结的USB接口。

图2:凌华科技NuPRO-E320 SHB与EBP-13E4背板

相关应用

最新的PICMG 1.3 SHB具有更高的运算性能与高容量内存,可进行复杂的图像处理。除此之外,改进之后的性能、带宽与弹性使PICMG 1.3成为一种符合高速数据传输(如自动化光学检测,automated optical inspection, AOI)及其它数字图像应用需求的架构。

例如,一个PICMG 1.3 的机械视觉解决方案,可包含SHB结合背板(如上图2所示);加上凌华科技的PCIe-FIW64 PCI Express图像采集卡、PCI-8164运动控制卡以及一个IEEE 1394b接口的工业相机。

常见的PICMG 1.3规格相关应用还包括以下领域:如工厂自动化、医疗显像、数字监控、运输安全系统、企业服务器、军事沟通、数据储存与网络应用等。

总结

PICMG 1.3规格为嵌入式系统的PCI Express的功能与性能带来了崭新的进展,并持续可支持PCI(-X)卡,同时也可最大化系统设计时的弹性。电源与I/O的选择性降低了系统研发时的成本,比PICMG 1.0更进一步缩短了MTTR。整体而言其特点可方便PICMG 1.0规格、或是传统主机板式系统的使用者从原有系统升级过渡到更高级的模块化嵌入式平台,并可支持最新的处理器与芯片组,以及PCI Express的功能。