CompactPCI-Express系统在工业控制领域的发展

CompactPCI-Express系统在工业控制领域的发展

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:

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。