嵌入式設計：隨著標準一起變小

　　由于新型嵌入式設計結合了高度集成芯片、便攜式平臺和飛速增長的數據速率，因此行業(yè)正在采用強調冷卻、可靠性和性能的更小形狀系數。

　　要 點

　　最新基于交換結構的模塊式電腦把處理器、海量存儲器、外設接口全都裝入一個尺寸更小的可更換模塊中。

　　標準機構不斷更新擴充板規(guī)格，以便向嵌入式系統(tǒng)設計者提供現(xiàn)成的預制產品源。

　　大部分小形狀系數板級規(guī)格均已選擇 PCIe串行通信，以便與基于 PCI 的軟件保持軟件兼容性。

　　新模塊標準努力提高計算和通信性能，并保持與原有硬件的電氣和機械兼容性。

　　在減小工業(yè)、醫(yī)療、消費應用及其它空間關鍵應用的尺寸方面，壓力持續(xù)不斷，引發(fā)了形狀系數極小的嵌入式計算平臺的新潮流。由于采用開放標準和專有設計，這些新平臺為系統(tǒng)設計者提供了日益增多的現(xiàn)成計算和外設模塊，以便簡化尺寸受限的應用。盡管它們尺寸緊湊，但這些微型系統(tǒng)組件充分利用新計算元件、串行通信和智能散熱技術，以交付強大的處理能力和I/O性能。

　　因為嵌入式器件和系統(tǒng)的體系結構和設計的根本變化，更小形狀系數成為可能。最新的芯片技術能把多顆處理器、圖形元件和網絡接口集成到單片器件上，因此節(jié)約了非常多的板空間。高速數據速率也推動設計者從并行多點總線結構轉向串行交換結構技術，額外的好處是占用面積更小。產品開發(fā)者也找到了供電、冷卻和封裝的新技術，它們將總體系統(tǒng)尺寸減至最小。

　　伴隨著新的縮小尺寸的要求，嵌入式系統(tǒng)設計者正在轉向預制的現(xiàn)成模塊，它們集成了最新的 CPU 技術與標準外設。這些標準化的電腦模塊使設計者能用節(jié)省的大量 NRE（非重復性工程）成本換取稍高的重復性成本。與傳統(tǒng)的單板設計相比，可更換的處理器模塊有幾項技術優(yōu)勢和經濟優(yōu)勢。例如，設計者可以為嵌入系統(tǒng)提供更先進的處理器模塊，以利用先進的特性，如聯(lián)網、圖形顯示、復雜軟件和實時操作系統(tǒng)。在設計預算有限的情況下，則難以或無法實現(xiàn)這些特性。

　　當增加數據帶寬時，交換結構技術通過減少板對板通信所需的引腳數目以及板面積，也為系統(tǒng)尺寸提供了重要幫助。交換結構體系結構，例如以太網、 PCIe、Rapid I/O、InfiniBand，都是最新的板標準，它們消除了許多與并行總線方案有關的問題。每條連接都是一條直接的點對點數據路徑，從而得到比總線體系結構更好的電氣特性和更大的帶寬。數據路徑也可以動態(tài)改變，以支持多路數據并發(fā)傳輸，并且使數據繞過故障。由于 PCIe 與驅動程序和操作系統(tǒng)軟件兼容， 因此它是較受歡迎的交換結構技術之一?；镜?PCIe 鏈路包括兩條信號路徑，它們使用較小的差分電壓擺幅以及恒流線路驅動器，以便在各個方向上實現(xiàn)速度高達 4 Gbps 的通信。設計者只需簡單地增加信號對（稱為“道”），就可以增加每條 PCIe 鏈路的帶寬，直到達到所需性能水平。PCIe 規(guī)格支持1道、2道、4道、8道、16道和 32道寬度。

　　快道

　　幾乎所有主要的板標準均已包括 PCIe 及其它交換結構擴展標準，以便提升數據速率，用于高性能應用。

　　例如，PICMG 效法臺式機技術，把PCIe并入CompactPCIe規(guī)格。CompactPCIe 提供可伸縮的高帶寬數據路徑、分組數據協(xié)議，并且與 PCI 硬件和驅動軟件兼容。CompactPCIe 的最新代表之一來自General Micro Systems公司，具有小形狀系數。該公司的傳導冷卻型 3U CC40x 單板電腦的典型工作功耗為3.5W（圖1）。General Micro Systems 公司把英特爾公司的 Atom 處理器作為該模塊的基礎，處理器運行速度高達 1.6GHz，帶有 512 kB L2 緩存。該電路板提供多達1 GB SDRAM、 16 GB 可引導閃存、6 個 USB-2.0 端口、2 個串口、2 個用于定制 I/O 的 SDIO 端口。此外，CC40x 為用戶提供帶有 3D 加速的高性能圖形特性，并支持頻率為85 Hz 的 1280像素 × 1024像素視頻分辨率。傳導冷卻型的起價為 3110 美元。

　　繼續(xù)小形狀系數話題，MEN Micro 公司最近推出了 XM1 電腦模塊，其設計旨在遵守 ANSI-VITA 59 RSE 夾層標準（圖2）。該模塊為降低功耗和縮小形狀系數，把英特爾 Atom 處理器與 1GB 的焊接 DDR2 SDRAM 相連接。RSE把夾層模塊上的電腦與先進冷卻技術、最新串行總線和加固組件結合起來，以便確保在鐵路、航空電子、工業(yè)自動化、醫(yī)學工程和移動應用的惡劣環(huán)境中可靠工作?；谟⑻貭柤夹g的 XM1 提供的屏蔽溫度范圍是-40℃~ +85℃。 MEN Micro 公司在兩個 120 引腳連接器上分配電信號，并只為現(xiàn)代串行總線定義信號，從而消除與舊設備的兼容性。對于 PCIe，設計者能把 4 個單道端口和 1 個端口配置為16道、8道、2×4道，或 2道。其它端口包括 3個GbE、8個USB 和數個多用途信號。XM1的起價為567美元。

　　PC/104是上世紀80年代末構思的，目的是在嵌入式系統(tǒng)中使用臺式機體系結構，是最早也是最流行的小形狀系數開放標準之一。PC/104 電腦板的連接器排列旨在不借助卡籠或背板來堆疊電路板，它也可以作為嵌入基板的夾層處理器。PC/104 的開發(fā)者根據 PC 以及 16 位 ISA 總線的接口引腳數來給它命名。雖然 ISA 總線已不在臺式機中使用，但對于嵌入系統(tǒng)它仍然有優(yōu)勢。外設卡簡單、成本低、易于設計，這些都是嵌入產品的基本要求。而 ISA 總線較低的速度也簡化了噪聲與 EMI（電磁干擾）防護方案。但它依然受歡迎的主要原因還是市場上有大量的現(xiàn)成產品，可供設計者自由選擇。PC/104-Plus 規(guī)格于 1997 年出現(xiàn)，它使單板設計人員能選擇僅包含 ISA 總線、同時包含 PCI 和 ISA 總線，或僅包含 PCI 總線。PC/104-Plus 需要新的連接器容納 PCI 總線引腳。板空間的損失是 PCI 升級版的少數劣勢之一。

　　沖突的標準

　　進一步擴展 PC/104 規(guī)格以充分利用高速數據傳輸的努力在行業(yè)內遭遇了不同意見。2008 年 3 月，PC/104 嵌入式聯(lián)盟采用了新的 PCI/104-Express 規(guī)格，它把 PCI 和 PCIe 總線相結合。PCIe/104 版本完全取消了 PCI 總線，以增加模塊空間。該標準的開發(fā)者為這個應用設計了新的高速表面貼裝連接器。該連接器可應對嵌入式系統(tǒng)市場的加固環(huán)境，與PC/104體系結構的0.6英寸堆疊高度匹配，并在很大的堆疊高度上傳送高速 PCIe 信號?？梢栽诼?lián)盟的網站免費下載 PCI/104-Express 規(guī)格。

　　SFF-SIG (小形狀系數特別興趣小組) 提供不同方法把 PCIe 并入 PC/104 體系結構，宣布了 Express104 規(guī)格的詳細信息，它定義了新的小型可堆疊模塊。Express104指定90mm × 96 mm板，帶有 2 個 52 引腳高速 SUMIT（可堆疊統(tǒng)一模塊互聯(lián)技術）連接器，它們能支持 PCIe 和 USB 以及用于 I/O擴充的其它常用中速接口。信號完整性測試結果證明：堆疊的 Express104 模塊支持 5 GTbps 的數據速率，這是第 2 代 PCIe 所需的。設計者可構造只帶有 SUMIT 連接器的 Express104 模塊，但是其開發(fā)者已定義了一種特殊配置，以便支持借助傳統(tǒng) PC / 104 模塊進行的擴充。

　　Micro/sys Embedded Systems 公司提供了第三種擴展 PC/104 的方法，創(chuàng)建了一種可堆疊體系結構，這是公司基于 PC/104 形狀系數創(chuàng)建的。這種新的體系結構不包含 PCIe，但它使用了一種現(xiàn)代通信協(xié)議——USB，并且保持了 PC/104 的尺寸和堆疊優(yōu)點。StackableUSB 支持多達 16 塊外設電路板，充分利用 USB 即插即用特性，并且通過內置的堆疊嵌入式連接器取消了電纜。為了進一步減小尺寸，StackableUSB 組織最近宣布了兩個新的更小模塊概念，分別是標準 PC/104 板尺寸的二分之一和四分之一。

　　微型機箱

　　PICMG 的成員從零開始，設計了 AdvancedMC，這是一種較新的小形狀系數標準，基于交換結構體系結構。AdvancedMC 模塊包括單寬、雙寬、半高以及全高形狀系數?；镜膯螌捘K約為 74 mm×183 mm?；疽?guī)格定義了一個交換結構接口，它有多達 21 個端口或 42 個差分對，從而提供模塊間或至基板的全雙工點對點連接。AdvancedMC 的每端口速度為 12.5 Gbps，可以處理多道現(xiàn)代協(xié)議，如以太網、PCIe、Rapid I/O 和 InfiniBand。鑒于 AdvancedMC 的高性能、可熱插拔、交換結構和管理特性，設計者建議將這些模塊直接插入背板中，即可獲得小尺寸的獨立系統(tǒng)。同樣，近來采用的 MicroTCA 規(guī)范，向獨立機箱提供了一種直接接受 AdvancedMC 卡的背板。較小的形狀系數使這個概念可用于電信及各種嵌入式項目中的低預算應用。

　　COM（模塊計算機）Express 是另外一個針對小形狀系數設計的開放 PICMG 工業(yè)標準。COM Express 包含 PCIe 以替換 PCI 總線、PCIe Graphics 以替換 AGP、Serial ATA 以替換 Parallel ATA。COM Express 與處理器體系結構無關，只定義工業(yè)標準系統(tǒng) I/O 接口。為了支持 COM Express，Congatec 最近推出了低功率 conga-CA模塊，它基于英特爾的 Atom處理器和系統(tǒng)控制器中心（圖3）。conga-CA配備1.1GHz或1.6GHz 處理器、512kB L2緩存，以及多達1GB 板載DDR2內存。該模塊的典型功率要求低于 5W。conga-CA 支持多達 2 條 PCIe 道、8 個 USB 2.0 端口、2 個 Serial ATA 端口、1 個 IDE 接口、英特爾高清晰度音頻。此外，模塊特性還包括 2 個 SDIO 擴充插座、1 條多主 I2C 總線、GbE。

　　新一輪的標準和更新在攻克小形狀系數系統(tǒng)的數據傳輸和冷卻問題，因此嵌入系統(tǒng)設計者能購買到緊湊產品或移動產品開發(fā)工作的許多最復雜部分。一些現(xiàn)成的高性能處理器模塊具備內置的圖形和網絡接口，給設計團隊留下了專用技術和封裝。由于設計進度表縮短，并且早期便能利用兼容的軟件開發(fā)平臺，因此標準化的小形狀系數模塊可能正是您下一項開發(fā)任務的入場券。