嵌入式系統平台邁向小型化新里程
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2008-09-08 00:00
前言:
PC/104標準沿革
PC/104是一種普遍用在嵌入式電腦與工業電腦的業界標準,主要為定義出一種特定的規格,包括機板規格(form factor)與機板間匯流排規格。這個標準由PC/104協會(PC/104 Consortium)來制訂及維護,致力於開發、維護、以及發佈能夠支援可堆疊式PC/104架構之規格。受到協會所採用的這些規格遵循桌上型PC世界的潮流,並且使其適用於堆疊型嵌入式空間,可以利用大量既有的元件與晶片組,藉此快速而且有效率的開發出具有多樣選擇的產品與應用裝置。
PC/104一開始是美國Ampro Computers在80年代末期所發展出來的機板規格,並且在1992年由PC/104協會正式標準化以增加普及性。儘管這個標準試圖成為IEEE標準,並列入IEEE P996.1草案(Draft),但並未獲得通過。
PC/104的機板有一個有趣的特性。使用於嵌入式電腦與工業電腦的機板常常是使用背板(backplane)架構,裝入機箱內。PC/104的規格在制訂時則在匯流排連接器的方向及構造,及四角的固定點上做了不少考量,讓機板可以用堆疊的構造互相連接及擴充。相對於使用背板的架構,這種匯流排連接方式更加堅固和緊緻。
經過多年的演進,個人電腦的匯流排主流逐漸由ISA、PCI演變到PCI Express,而PC/104由於有遵循桌上型PC的特性,自PC/104發佈之後,也歷經了幾個更新或延伸的規格:
多元的延伸規格
* PC/104:最早的版本。由於ISA匯流排有8位元和16位元兩個階段,PC/104的機板也可以有8位元和16位元兩種,且差別只在於16位元版本多了一個匯流排連接器。即使如此,8位元的機板仍可堆疊在16位元的機板上,原理如同8位元的ISA卡可以插入8位元的ISA槽,也可以插入16位元的ISA槽一樣。
* PCI-104:由於個人電腦的匯流排演進到PCI,而從PC/104規格衍生出來的版本。雖然匯流排的能力提升到PCI,但與原來PC/104的104腳連接器不相容,失去與PC/104機板堆疊的能力。
* PC/104-Plus:這個版本既擁有原來PC/104的104腳連接器,也擁有PCI-104的匯流排連接器,因此,既可與PC/104機板堆疊,也可與PCI-104機板堆疊,更可做為在不相容的PC/104機板與PCI-104機板之間的橋接。
* EBX:這個版本是由Ampro與Motorola(當時是PowerPC晶片的開發者)所提出的,具有較大的機板規格,也可堆疊PC/104、PCI-104和PC/104-Plus的機板,另可加上PCMCIA介面。
* EPIC:這個版本是由Ampro與WinSystems, VersaLogic, Octagon Systems, Micro/sys所提出的,機板規格的尺寸大於PC/104、PCI-104和PC/104-Plus的機板,但小於EBX,同樣也可以堆疊PC/104、PCI-104和PC/104-Plus的機板。
* PC/104-Express:隨著個人電腦的匯流排演進到PCI-Express,而從PCI-104規格衍生出來的版本。與PCI-104機板相同,並不提供與原來PC/104的104腳連接器,失去與PC/104機板堆疊的能力,只能利用PC/104-Plus來橋接。PC/104-Express機板提供一個特殊的連接器,可提供4個x1與1個x16的PCIe介面。而經由規格上的巧思,這個x16的介面,又可以設定成2個x8,或2個x4,或2個SDVO。
* PCIe/104:如果PCI/104-Express機板連PCI-104的連接器都不提供,只有PCIe的連接器,這種機板又稱為PCIe/104。
* EPIC Express:機板規格的尺寸與EPIC相同,但可堆疊的是PCI-104、PCIe/104和PCI/104-Express的機板,失去與PC/104機板堆疊的能力,只能利用PC/104-Plus來橋接。
堆疊式架構
在像是PC/104之類的堆疊式架構當中,有兩種方法可以用來建立整套的系統。PC/104所規範的系統通常會將CPU主機置於頂端,以提供空間給冷卻系統,而底下則是附加電路板以及電源供應器。EPIC與EBX系統會將CPU主機置於底部,而將附加卡往上堆疊。在往下堆疊的情況中,PCI Express連結是來自於附加卡的頂端,而在往上堆疊的系統中,PCI Express連結則是來自於附加卡的底部。這意味著設計工程師必須依據相對於CPU的擺放位置而建立兩種不同的卡。最根本的解決方案就是使用可以堆疊在CPU之上或是之下,而且能夠自動選擇該使用何組連結的通用型附加卡。
PC/104之所以有名,乃是由於其為強固而且易於使用的系統。此技術的下一世代必須具有如同PCI Express能夠適用於堆疊式架構的相同特點。在過去的一年當中,所有的這些事情都是被列在技術委員會討論議程的優先項目。
目前,PCI/104-Express是即將發佈的最新規格,在過去的一年裡,此協會的技術委員會每個月開會兩次,以期能夠達成此目標。此團隊的經驗以及專業技術乃是用以建立PCI/104 –Express規格的關鍵,而目前該協會正在衡量是否要發佈此規格。要在機板規格中加入PCI Express很容易,但是有許多的選項必須加以選擇。在提供的連結方面就有x1、x2、x4、x8、以及x16。應該要支援哪個選項?單一組的x1連結就比32位元、33 MHz的PCI匯流排具有更大的頻寬。對於許多嵌入式方面的需求而言,這樣的條件看起來已經遠大過其所需。但是,業界需要的是一項足以支援目前以及未來將會崛起之需求,具有彈性的規格。
PCI/104 –Express為PC/104提供了一條通往未來的路徑。其具有能夠支援高速應用裝置:像是1與10 GbE、高階圖形、以及客製化FPGA與DSP需求等的頻寬。另外還具有能夠支援I/O密集的應用裝置之擴展性。就如同PC/104 –Plus並未取代PC/104一樣,PCI/104 –Express也不會取代PC/104 –Plus或是PC/104。PCI/104 –Express將邏輯延伸性加入了PC/104家族當中,以做為下一世代嵌入式運算的高速匯流排。