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工業控製計算機總線體係結構及發展趨勢

時間:2015-06-23 11:14 來源:ob体育竞彩作者:編輯部

(一)工業計算機產業迅猛發展

工業計算機是工業自動化設備和信息產業基礎設備的核心。傳統意義上，工業計算機主要用於工業生產過程的測量、控製和管理，但今天的內涵已經遠不止這些，其應用範圍也已經遠遠超出工業過程控製，而是應用在國民經濟發展和國防建設的各個領域。

隨著近年來無線網絡技術、信息家電、汽車、以及醫療等行業的蓬勃發展，從而使得原本"鮮為人知"的工業計算機如今正發生著翻天覆地的變化，由於在以上這些行業中工業計算機正越來越多的扮演著十分重要的角色，這便使得工業計算機產品在未來行業市場上的需求和發展也變得更加旺盛而迅猛!

工業計算機的廣泛應用已經滲入到我們日常生活的各個方麵，已由智能建築、交通智能、車載計算機、醫療儀器等工業領域擴展到無線基礎設施、網絡應用設備、網絡安全、多媒體應用、金融服務等網絡通信與數字多媒體相關的領域。

3C融合、三網融合、企業信息化加速進行，無論是信息產業基礎設備、還是企業計算市場，對工業計算機的需求從來都未像今天這般為IT業所重視。工業計算機已經成為信息產業基礎設備的核心，包括移動計算平台、通訊計算平台、車載計算平台、工業控製、商業控製、電子商務平台和信息家電，還可應用於與Internet相聯接的接入設備。

從軟交換機到即插即用的通信服務器，工業計算機將成為一個與信息網絡融為一體、以人為中心的隨時隨地的服務平台。各種各樣的工業計算機技術將無處不在，它們將通過多樣化網絡通信方式(無線或有線，個人網或家庭網，短或長距離)，無縫地集成在一個信息網絡裏，隨時隨地為人們提供所需要的豐富多彩的服務，而又不為人所察覺。

新的工業計算機體係結構有更強的交互和互操作性，同時也是多種信息係統的融合平台。最後，工業計算機將朝著創建一個開放、標準化平台的方向發展。

(二) 中國工業計算機產業發展曆程

1、STD總線技術開創了低成本工業自動化技術的先河

工業計算機起源於20世紀80年代初期，其標誌性產品是STD總線工業計算機。STD總線最早是由美國Pro-Log公司和Mostek公司作為工業標準而製定的8位工業I/O總線，隨後發展成16位總線，後被國際標準化組織吸收，成為IEEE961標準。1991年，由信息產業部電子六所牽頭成立了中國計算機行業協會STDMG/P.R.C分會，在國內推廣普及STD總線。

STD總線技術是機籠式安裝結構，具有標準化、開放式、模塊化、組合化、尺寸小、成本低等特點，並且設計、開發、調試簡單，得到了當時急需用廉價而可靠的計算機來改造

和提升傳統產業的中小企業的廣泛歡迎和采用，國內的總安裝容量接近20萬套，在中國工業計算機發展史上留下了輝煌的一頁。實踐證明：可靠而國產化的工業計算機適合中國國情。開放標準造就了一個PC-based係統時代

1981年8月12日IBM公司正式推出了開放架構IBM PC機，震動了世界，也獲得了極大成功。隨後PC機借助於規模化的硬件資源、豐富的商業化軟件資源和普及化的人才資源，於80年代末期開始進軍工業計算機市場。美國著名雜誌《控製工程》在當時就預測"90年代是IPC工業計算機的時代，全世界近65%的工業計算機將使用IPC，並繼續以每年21%的速度增長"。曆史的發展已經證明了這個論斷的正確性。

從1997年開始，我國的工業計算機廠商開始進入IPC市場，促使IPC的價格不斷降低，也使工業計算機的應用水平和應用行業發生極大變化，應用範圍不斷擴大，IPC的應用從傳統工業控製向數據通信、電信等對可靠性要求較高的行業延伸。目前，中國IPC大小品牌約有15個左右，主要有研華、淩華、研祥、華北工控等。值得一提的是，IPC開創了一個嶄新的PC-based時代，拉開了工業自動化和信息化技術走向開放平台的序幕。迅速發展和普及的工業計算機

隨著信息技術的快速發展，通信和計算的融合是大勢所趨。計算機與通信技術的發展使獨立的業務應用逐步融合為更易使用的、集成的業務應用，同時融合帶來了一個新的契機，它必須是一個兼容並蓄的通用平台，在這樣的基礎之上有一個特點，就是一定要有一個開放的標準架構。這對工業計算機提出了更高的要求。

由於IPC結構和金手指連接器的限製，使其難以從根本上解決散熱和高可用性問題，1997年國際PICMG(PCI工業計算機製造者組織)發布了新一代工業計算機技術CPCI，即PICMG2.0標準。為了在國內更好的推廣新技術，1998年STDMG/P.R.C分會正式更名為PICMG/P.R.C分會，並成為國際PICMG組織的執行會員。

如果說STD總線工業計算機解決了當時工業計算機的有無問題;IPC解決了低成本和PC兼容性問題;那麼CPCI技術解決的是可靠性和可維護性問題。"CPCI是PCI總線的電氣和軟件加上歐洲卡，它具有在不關閉係統的情況下的即插即用功能，該功能的實現對高可用係統和容錯係統非常重要"，2004年度科技部科技型中小企業技術創新基金項目指南中的這段話，概括出了CPCI技術的主要特點和重要性。

進入21世紀，工業計算機技術更是無處不在，它帶來的是一個充滿聯網設備的世界。融合通信最大的設備挑戰是可用性和功能開發緩慢等不利因素。提供全IP功能的通用平台可以支持業務差異化，整合內容和業務支撐係統，將複雜的網絡簡單化，提供最佳用戶體驗。為此，2001年PICMG將以太網包交換背板總線引入到CPCI標準中，為電信語音增值服務設備和基於以太網的工業自動化係統提供了新的技術平台。

2002年，PICMG頒布了麵向電信的新標準AdvancedTCA，簡稱ATCA。ATCA比CPCI有更大的規格和容量、更高的背板帶寬、對板卡更嚴格的管理和控製能力、更高的供電能力以及更強的製冷能力等。主要是為了解決電信係統目前主要麵臨的係統帶寬問題、高可用性問題、現場升級問題、可伸縮性問題、可管理性問題以及可互操作問題，並最終降低成本。目前通信和計算機領域都在向開放標準演進，而ATCA的誕生恰恰趕上了信息產業鏈變革的機遇。

隨著工業計算機應用的日益廣泛，市場細分成為大多數廠商的共同戰略，也使工業計算機技術進一步細分，流行的開放規格繁多，主要包括：PCI-ISA、SHB、CPCI/PXI、ATCA/MTCA、VME/VPX、PC 104/Plus、PMC、AMC、COM E、ETX;母板類包括ATX、Micro ATX、BTX、DTX、Mini ITX、EPIC、3寸板、5寸板等。

2.工業控製計算機技術的總線進展

2.1昨日黃花std總線

在上個世紀80年代風靡全國的std總線工業控製計算機技術已經徹底淘汰。ipc工控機已經演變成純粹的pci總線工控機，isa總線已經從ipc中消失。

2.2方興未艾pci總線

上個世紀90年代末期pci總線開始流行，當時isa總線還處於強勢狀態，雖然國內外的業界專家都預言isa總線將很快淘汰，但為了既能充分利用現有isa總線的資源，又能跟上新技術的發展，ipc中采用了isa總線和pci總線共存的折中技術方案。應該說這種技術路線是現實的，也是有效的，也為ipc的持續發展發揮了積極的作用。目前，隨著pci總線技術的成熟和普及，以及硬件、軟件和人才資源的不斷豐富，pci總線在ipc中已經完全取代了isa總線。現階段，ipc仍然是可靠性、安全性要求不很嚴格的低成本測控係統解決方案的重要選擇項，特別是管理自動化和管理信息化層的應用。曾幾何時，企業為了降低成本，將品牌pc機取代ipc作為測控係統的主機或管理機使用，但其長期運行的不穩定性也讓企業付出了巨大的代價。

2.3你中有我

嵌入式pc/104總線嵌入式的pc/104總線雖然仍然保持著isa總線和pci總線並存的狀態，但已經向pci/104和pciexpress迅速發展。pc/104工業控製計算機已經問世近15個年頭，目前仍然在工業和國防測量、控製領域對體積和功耗有嚴格限製的應用領域保持著持久的地位和發展態勢。pc/104總線的第一個發展趨勢就是去掉pc/104-plus標準中的isa總線部分，僅保留pci總線部分，為嵌入式板卡的設計提供更大的空間[2]，期標準為pci-104specificationversion1.0。pci-104使主流的pci總線技術在小規格、高可靠的嵌入式計算機上得以實現和繼續發展。pc/104總線的第二個發展趨勢就是兼容pciexpress技術，新標準正在製定，最有可能的結果就是pci-104和pciexpress總線共存在一塊板卡上，形成擴展的總線標準pcie-104，而板卡尺寸還維持不變[2]。pc/104總線、pc/104-plus以及pci-104總線技術的應用平台為epic（embeddedplatformforindustrialcomputing），符合2006年2月頒布的標準epicspecificationversion2.0。epic平台可以通過pc/104總線、pc/104-plus以及pci-104

總線模板擴展i/o功能，並為采用高性能的cpu、存儲器技術以及散熱設計留有足夠的空間，可以快速集成麵向特定應用的嵌入式係統，縮短開發時間，節省費用。

2.4國防可靠vme總線

vme總線工控機技術憑借多主和實時的優勢在一定範圍內仍然繼續發揮著作用。伴隨著微處理器技術和通信技術的進步，vme總線技術從誕生開始就一直處於不斷的發展之中，並取得了成功。從vme16的20mb/s、vme32的40mb/s、vme64和vme64x的80mb/s，發展到了320mb/s。vme總線目前發展的最新動向是發展vpx和vpx-redi標準。這兩個標準吸收compactpci總線的串行交換機製技術（switchedserialfabrics），大幅度提高vme總線的數據吞吐量，提高係統的冗餘設計能力，同時通過橋接技術繼續保持著與傳統的vme總線技術的兼容[4]。雖然vme總線還在發展，但是必須認識到vme總線技術太老了，已經走下坡路了，除了在對實時性和可用性要求較高的國防領域還占據一定優勢外，新的工業自動化項目幾乎不可能再被采用了。

2.5補充融合compactpci/pxiexpress總線

compactpci和pxi總線相互補充和融合奠定了新一代主流工控機不可動搖的地位。 compactpci總線技術從1997年誕生到今年已經經曆了20年的發展。20年來，高可靠、模塊化、高性能和低價位的compactpci總線嵌入式計算機已經在通信、醫療器械、儀器測量、工業控製以及軍事設備、航空和航天領域得到了廣泛的應用。

compactpci向儀器儀表領域的擴展總線就是pxi。pxi係統聯盟推出pxi總線標準的最初的目標是在測量與自動化領域中通過使用pxi規範提高基於compactpci解決方案的有效性。在保持與compactpci總線技術在結構、接插件、尺寸和信號完全兼容的基礎上，pxi增加了定時和同步結構，使多個模塊化i/o設備的定時特性能夠實現精確的同步，大大提高了係統的測控精度和吞吐量。為了快速創建測控係統，pxi配備了可視化的、功能強大的集成開發環境軟件工具，包括測試管理、測試開發和i/o驅動程序等。

根據任務需求，降低開發技術難度、降低成本，也為了充分利用現有的各種資源，用compactpci和pxii/o模塊組成混合測控係統是目前客戶喜歡采用的技術方案。compactpci和pxi總線相互補充和融合也促進了compactpci和pxi總線的深入普及和應用，形成了新一代測控技術，也奠定了它們作為主流工控機平台的牢固地位。

compactpci技術未來將向更快方向發展，形成側重於i/o應用的主要平台技術compactpciexpress，並保持與compactpci總線的兼容性。compactpciexpress是通用的、高性能的、麵向工業市場的未來總線係統，其串行、點到點的數據交換能力可以達到每秒4gb。除此之外，compactpciexpress的異步通信模式還具有crc校驗和算法，可以實現錯誤自動識別和糾正。

pxi總線與pciexpress相結合形成了pxiexpress技術，帶寬達到6gb/s，比pxi提高了45倍，比gpib提高了100倍。

pxiexpress比pxi還增加了附加的定時和觸發總線，包括100mhz差分係統時鍾、差分信號、以及差分星形觸發等。通過使用差分時鍾和觸發，pxiexpress增加了對儀器時鍾的抗噪聲能力，並能傳輸更高頻率的時鍾信號。

compactpci/pxiexpress技術可以滿足應用越來越廣泛的高速測量要求，如rf/if信號的采集、數字視頻的測試、高速圖像的采集等。

2.6新一代虛擬儀器總線

基於ethernet的lxi標準是目前最有發展潛力的新一代虛擬儀器總線技術。自動測試係統的建立，往往包括一台或多台儀器、主控計算機和測試軟件、測試夾具以及係統總線。而係統總線就像是中樞神經係統，負責控製指令和測試數據的傳送。測試係統的總線由兩種技術體係實現，一種是基於網絡接口技術的總線，如gpib等；一種是基於背板式互連的總線技術，如vme/vxi或cpci/pxi等。為了滿足測試係統對低價格、更高帶寬和更高數據傳輸速度的要求，測試係統總線正在向兩個方向發展：一是基於網絡接口技術的總線正在向基於ieee802.3和tcp/ip技術的ethernet方向發展，即lxi總線技術；二是基於背板技術的總線已經從vxi過度到cpci/pxi技術，並正在向pci/pxiexpress技術發展。“無論是相對gpib、vxi還是pxi，lxi都將是未來的總線技術發展趨勢”[5]。lxi（lanextensionsforinstrumentation）是lxi聯盟定義的一種基於工業標準ethernet技術的開放式儀表平台總線標準，用於構成模塊化的、靈活的、高性能的小型或中型測試係統。通過lxi標準，將gpib擴展到lan，使pc或儀表之間的通信更加簡單和廉價。lxi標準有三個重要的功能特點：一是具有基於webbrowser的人機界麵接口和程序性控製框架的標準化的lan接口，lan接口的連接方式既可以是有線的，也可以是無線的；二是有三種觸發方式，即lan觸發方式、ieee1588精確定時協議觸發方式和lxi觸發總線；三是多種標準的儀表測試設備可以共存在同一個係統當中，如gpib、pxi、vxi以及基於lan接口的儀表等[6]。作為以太網技術在測試自動化領域的應用擴展，lxi技術正在為世界上越來越多的儀表製造商所采用。由於lxi具有gpib的易用性、pxi/vxi的性能、ethernet的靈活性和功能，所以lxi技術也是目前最受關注、最有發展潛力的下一代虛擬儀表總線技術。

2.7串行、點到點、高速互連總線技術

串行、點到點、高速互連總線技術pciexpress、advancedtca以及microtca正在蓬勃發展隨著芯片和模板的密度越來越大，速度越來越快，傳統的並行總線逐漸成為係統性能提高的主要瓶頸，而且問題越來越嚴重。與此同時，串行總線的性能也在不斷地提高，這也進一步推動了計算機的共享並行總線技術向高速、獨占的、點到點的串行總線技術方向轉移。

(1)pciexpress總線。早在2001年的春季，intel公司就宣布要用一種新的技術取代pci總線和多種芯片的內部連接，並稱之為第三代i/o總線技術，即3gio(3rdgenerationi/o)，也就是今天的pciexpress。

(2)tca總線。自從picmg於2001年9月發布了以太網包交換背板標準（compactpci packetswitchingbackplane/psb）picmg2.16，將串行ethernet網絡在背板上實現以來，壟斷背板設計多年的並行總線技術被打破，使可管理的、冗餘的、點到點的、串行包交換互連總線技術（switchedserialinterconnects，也叫switchedfabrics技術）得到廣泛接受。2002年12月picmg發布了基於switchedfabrics技術的更新、更快和功能更強大的開放式平台架

構標準picmg3.0，即advancedtca（advancedtelecomcomputingarchitecture），簡稱atca；並於2005年3月又推出了advancedmezzaninecard標準，簡稱amc；2006年7月，picmg發布了最新的技術標準microtca（microtelecommunicationscomputingarchitecture）。atca是麵向下一代運營通信設備的係列工業標準的總稱，它融合了在高速互連技術，下一代微處理器技術，不斷提高的可靠性、可管理性和可服務性技術等方麵的最新發展成果，滿足電信運營對網絡設備構建係統（nebs）、歐洲電信協會標準（etsi）以及99.999%時間可用性的要求。atca還具有模板尺寸大（8u×280mm×6hp）、供電能力強（-48v/200w），可以熱插拔（hot-swappable）以及支持多協議（ethernet、infiniband、starfabric、pciexpress、rapidio）的switchedfabrics技術等特點。在不久的將來，atca背板的信號傳輸速度將從現在的5gbps提高到10gbps，大幅度提升atca的數據傳送能力。

amc針對atca技術定義了一種模塊化的、基於lvds信號的高速串行互連接口的“女兒板”標準。將amc模塊插在atca載板上可以構成特定功能的atca模板。將amc插在背板上就發展成了一種小型化、模塊化、高性能的計算平台係統，這就是microtca。microtca集中了atca和amc的先進性，可以滿足電信、醫療設備、工業測量和控製、軍事設備以及消費類電子產品的需要。

根據2006年vdc的研究預測，到2009年atca的市場份額將達到$1.15billions，amc將為$763millions，microtca將增長到$217millions[8]。從2007年“第六屆中國picmg技術年會”的情況看，包括gefanuc、adlink、pentair、華為、emerson、索斯科、motorola以及continuouscomputing[18]等具有影響力的公司都展示了研製的atca/microtca產品、技術和應用案例，充分說明了vdc預測的可信性。

所以,在未來幾年裏，小型化的、基於並行總線技術的pc/104（包括pc/104-plus、pci-104）和compactpci/pxi工控機將繼續占據主流地位，並向pciexpress技術發展，同時保持向下的兼容性；vme總線技術除了在軍工還保持一定優勢外，在工業自動化領域的應用將越來越少；虛擬儀器技術將向網絡化的lxi技術發展；電信領域將由atca技術一統天下，由高速、串行、點到點的switchedfabrics技術取代統治該領域多年的並行總線技術；microtca技術將從電信領域向其它領域擴展；無線網絡技術將擴大在工業測控領域的應用，有線和無線混合網絡是未來工業控製網絡的一個新的發展方向；作為工業控製計算機技術的一種新的存在形式，pac技術將在工業自動化領域得到更大的發展。

另外，有關硬件機構加固技術和工程環境應用性能提升始終是推動工控機進步的動力。滿足惡劣環境的具有安全性、可靠性和環境標準要求的加固型計算機才可以稱為工業控製計算機或工業加固計算機。模塊化的、開放的、標準化的總線型工業控製計算機技術，可以使設備製造商或係統集成商方便、快捷地構造麵向特定需求的高可靠的應用係統，產品研發周期短、費用低、生存周期長，可選擇性好，並且具有良好的性能、可靠性、可擴展性、可維護性和服務能力。

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