CompactPCI-Express系统在工业控制领域的发展

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。
关键词：CompactPCI；CompactPCI-Express；第三代工控机

CompactPCI-Express System Development in Industry Control Area
Meng Quan
Abstract: Introduction the development status of CompactPCI-Express，explain its core technology and why it cannot got growth in the past three years.

CompactPCIExpress 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-ExpressThe 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:
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