CompactPCI这种开放的工业计算机标准是由PICMG制定出来的。它是当今第一个采用无源总线底版结构的PCI系统。
1.PCI局部总线及其特点
PCI局部总线由美国Intel公司首先提出。1991年Intel公司联合世界上多家公司成立了PCI SIG。PCI SIG致力于促进PCI局部总线工业标准的建立和发展。1992年,PCI SIG发布PCI局部总线规范1.0。经过修改后,1993年发布了PCI局部总线规范2.0,1995年又发布了修改版2.1,并于1995年6月1日开始生效。PCI局部总线是微型机上的处理器/存储器与外围控制部件、外围附加卡之间的互连机构,它规定了互连机构的协议、电气、机械以及配置空间规范。在电气方面还专门定义了5V和3.3V的信号环境。特别是PCI局部总线规范的2.1版定义了64位总线扩展和66MHz总线时钟的技术规范。
PCI局部总线规范是当今微型机行业事实上的标准,也是业界微型机系统及产品普遍遵循的工业标准之一。PCI局部总线不仅满足高、中、低档台式机的应用需要,而且适应于从移动计算到服务器整个领域的需要。PCI局部总线的主要特点是：
PCI局部总线是具有地址、数据多路复用的高性能32位或64位同步总线。因此,总线引脚数目少,对于总线目标设备只有47根信号线,对主设备最多只有49根信号线。
PCI局部总线的诞生是随着技术的发展和应用的需要而出现的。现代操作系统,象Windows、OS/2,对图形应用是极为敏感,极为普遍的。传统的PC I/O结构已经成为制约处理器和视频显示设备间的瓶颈,其他高性能的外围设备,如LAN、SCSI、多媒体等等,也都需要高性能和高带宽。PCI局部总线在33MHz总线时钟、32位数据通路时可达到峰值132MB/s的带宽,在33MHz主频、64位数据通路时,可达到峰值264MB/s的带宽。在66MHz主频时,对于32位数据通路和64位数据通路带宽的峰值,可分别达到264MB/s或528MB/s。
PCI局部总线的设计是独立于处理器的。虽然它是由Intel公司提出的,但却并不仅局限于Intel系列的处理器,当今流行的其他处理器系列,如Alpha Axp系列、PowerPC系列、SPARC系列以及未来处理器结构的下一代处理器都可以使用PCI局部总线。
PCI局部总线的全多主能力允许PCI总线的主设备能对等地访问总线上的任何主设备或目标设备。PCI的配置空间规范能保证全系统的自动配置,这极大地增加了系统的易用性。PCI的向前和向后的兼容性又使得现存的各种产品能平滑地向新标准过渡,保护了用户的利益。
2.工业计算机的基本要求
当今的工业计算机像台式机PC机一样,同样需要高速度和高性能,尤其是对于在可视化图形操作界面、复杂的控制算法以及苛刻的时限要求等场合使用的工业计算机更是如此。此外,在若干办公环境下,对于工业计算机还要有普通办公设备所不及的特殊要求,主要是：
· 坚固————工业计算机往往要工作在热、冷、脏、差的环境,还要能承受一定的冲击或振动,因此,对通风、散热、坚固性的要求较高。
· 可靠————MTBF要高。它涉及到电气部件、机械部件、连接器以及配套的外围设备的可靠性。
· 模块化————工业计算机除了要有普通台式计算机一样的通用配置外,望瓦工内还有多种不同用途的I/O,如模拟/数字转换器、PLC、视频借口或其他各种各样的专用I/O。并且,不同的应用对象要求也各异,这就势必要用模块化解决。
· 标准化————成功的计算机设计大都不是一家能做好的,只有基于标准平台和工业标准才能从多个售主获得好产品。
· 前面板I/O————为了使用方便,工业计算机往往需要从前面连接I/O,前面板也兼有某些状态指示、插卡拔取和锁紧功能。
3.什么是CompactPCI
CompactPCI是compact peripheral component interconnect的英文缩写,意思是“坚实的PCI”。简单地说,CompactPCI是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准,它是当今最新的一种工业计算机标准。
1993年以来,由于PCI总线在开放性、高性能、低成本、通用操作系统等方面的优势,使其得到迅速的普及和发展。这一冲击波大大地激发了通信市场和工业领域的制造商及坚实、模块化、更易用、生命周期更长的嵌入式计算机产品,满足本领域的需要。
1994年,美国的一些工业计算机制造商建立了PCI工业计算机制造协会（PCI industrial computer manufacturers group）,简称PICMG。作为一个非牟利的行业组织,PICMG主要致力于扩展PCI标准到工业系统;管理和维护相关的PCI规范;促进建立相关的PCI规范成为工业范围的标准。PICMG的成员是自愿参加的,按缴纳会费的多少分执行成员、联络员、和会员三级。PICMG的长远享有不同的权利,现有成员的总数在370个以上。1995年PICMG出版了CompactPCI规范1.0,1997年又出版了CompactPCI规范2.0。这些规范是CompactPCI的核心规范,必须付费购买。
设计CompactPCI的出发点在于,迅速利用PCI的优点,提供满足工业环境应用要求的高性能的核心系统,而同时还能充分利用传统的总线产品,如ISA、STD、VME或PC104来扩充系统的I/O和其他功能。
因此,CompactPCI不是重新设计PCI规范,而是改造现行的PCI规范,使其成为无源底版总线式的系统结构。例如,原PCI规范最多只能接纳4块附加的插卡,这对工业应用往往是不够的。CompactPCI的基本系统就设计成了8块卡。CompactPCI依附于PCI平台,在芯片、软件和开发工具方面可以得到大批量生产制造的PC机资源,有利于自身成本的降低。
经过VME总线产品的广泛使用,证明欧式卡组装技术是十分可靠和成熟的机械结构技术,特别适合各种嵌入式应用。其主要优点是：
· 标准化组装技术可从多个供货商得到,有利于降低开发投资。
·板卡垂直于地平行插入机箱,利于通风冷却。
·每个插卡都能用螺钉锁紧,有利于抗冲击和振动。
·插入式的电源模块便于维修。
·容易安装到标准机架和工厂的其他装置中。
4.CompactPCI系统介绍（见PICMG发布的标准文档）
5.CompactPCI系统的扩展
基本的CompactPCI系统只也许有8个插槽,一个槽插系统卡,7个槽插外围适配器卡。PICMG的初衷是利用PCI贫农柜台迅速提供高性能工业机的核心系统,这对于使用超大规模集成电路的今天,8块插卡的系统已经是可观的规模了,但是大多数嵌入式实时应用系统还是要求有多余8个槽的扩展系统。对于插卡式结构的系统,总线底版上的插槽数取决于所使用的驱动器技术。VME总线使用高电流驱动能力,而CompactPCI使用CMOS（反射波）技术,只能支持8个槽。为了增加更多的插槽,可以使用PCI到PCI桥电路芯片扩展第2个PCI总线段,在第2个PCI总线段上还可以插入附加的适配器卡。具体实现方法可以多样。例如,在第1个PCI总线段的6U卡上安装桥电路芯片,利用附加连接器J4、J5把总线信号映射到规定的引脚上即可把总线信号扩展出去。PCI到PCI的桥电路芯片可以看成是“超级缓冲器”,尽管它的集成度很高,内部功能也很复杂。用桥电路扩展PCI总线段的方法在制定规范时进行过全面仿真测试,结果表明这种扩展带来的损失并不大,一般每次总线交易只增加一个时钟周期（30～33ns）。使用桥电路扩展PCI总线段的方法允许创建很大的系统,实际使用时按需要决定。PCI到PCI桥电路芯片在市场上已有多家公司出售。
利用桥电路芯片也可将CompactPCI与别的总线组成混合系统。例如,在一块6U的系统卡上,使用PCIVME的桥电路相片（Newbridge公司出售）将VME-64的信号映射到CompactPCI的J4、J5连接器上,就可以创建CompactPCI/VME的混合系统。Force公司已宣布了这种系统。PCI的基本传送方式是突发传送,传送速度很高。用CompactPCI存取普通低速I/O,如并行、A/D转换器等并未有效利用系统的性能。假如完成一次8位或16位的写周期,PCI可能要用100ns,但这仍比低速I/O的存取速度快很多。而若使用PCI到ISA的桥电路芯片就能实现这种转换,并且有效地解决了今天市场上广为流行的普通I/O的继续使用问题。
在工业实时应用方面,通信系统中I/O模块数量大,线缆多,如何方便有效地解决I/O模块的扩展问题,PICMG的成员通过实践急做出了回答。在最新规范中定义的总线底板上和适配器卡上的3个附加连接器（J3/P3,J4/P4,J5/P5）总的引脚数达到315个,通过这些引脚可以容易地I/O模块的扩展。最新修改的IEEE1101.11机械规范草案发布时将会有详细的规定。扩展用户I/O模块的另一种最常用的方法就是所谓“楼中楼（mezzanine）”模块。这种“楼中楼”模块又叫子块,现已发展了2个系列的子块标准,一个是工业PACK,一个是PMC。工业PACK子块的尺寸是45.7mm×99mm（1.8＂×3.9＂）,它自身带有2个连接器,一个是PCI总线接口,一个是50脚的用户接口。子卡插在“载卡”上,“载卡”就是CompactPCI适配器卡,然后用尼龙螺钉固定住。3U的载卡上可安装2块子卡,6U的适配器上可安装4块子卡。PMC模块是由VME制造商开发的,尺寸稍大些,6U卡上可安装2块。
另外,为了利用最新的技术成果,USB和IEEE1394也可作为CompactPCI的扩展手段。USB（通用串行总线）标准能提高12MB/s的总线带宽,常用的鼠标、键盘、显示器、扬声器、扫描仪、游戏操纵杆、打印机等均可通过电缆连接到系统,并得到Windwos和NT的支持。若要达到能处理非压缩活动视频信息的要求,IEEE1394不失为一种好选择,它能提供100～400MB/s的带宽,满足MPEG-2、视频磁盘或SVGA高质量视频处理的要求。
6.结束语
CompactPCI是一种新的开放的工业计算机标准,它是PCI总线技术和成熟的欧式卡组装技术的结合。采用CompactPCI既能即时吸取PC机最新硅技术的成果,又具有满足通信和工业实时应用所必要的坚固、可靠、模块化、易使用、易维护的优点。PICMG致力于CompactPCI标准的开发和发展,必将为未来的工业计算机应用提供性能价格比更好的解决方案。
