（电气工程专业论文）基于compactpci总线加固机的设计与实现.pdf

a b s t r a c t r u g g e d i z e dc o m p u t e r i sas p e c i a li n d u s t r i a lc o m p u t e ru s e di nh a r s he n v i r o n m e n t t h ek i n do fc o m p u t e ri san e wo n eo fi t sk i n d sb a s e do nc o m p a c t p c i ( c p c i ) t e c h n o l o g ya n d c o n f o r m st oc p c i s p e c i f i c a t i o n sa n dr e i n f o r c i n gm e t h o d t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h ef e a t u r e so ft h ec o m p u t e r , a n a l y z e si t s d e v e l o p m e n t c o u r s e ，s t a t u sa n dp r o b l e m sw i t hi t ，a n dd i s c u s s e st h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gt h e r u g g e d i z e dc o m p u t e rb a s e do nc o m p a c t p c it e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： f i r s t ，d i s c u s st h et e c h n i c a lp l a n ，d e s i g na n dr e s e a r c h i nt e r m so fh a r d w a r ea n d r e i n f o r c i n gm e t h o d i nh a r d w a r e ，t h es y s t e mm a i n b o a r dm a k e su s eo fi n t e l4 4 0 b xa g p s e t ，a n d p c i t o p c i b r i d g e c i r c u i t i n t e r f a c em o d u l eb e t w e e np c ia n di s ab u st e s t st h e f u n c t i o no f t h eb u s a r r a n g e m e n to f w i r e si si np o w e r p c bw a ya n dc o v e r e dw i t hl a r g e a r e ao fc o p p e ro nt h eo u tl a y e ro fp r i n t e dp l a t e ，w h i c hp l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ei n d e c r e a s i n gg n dd r i f t i n g ，p r e v e n t i n ge l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n di m p r o v i n g s i g n a lq u a l i t y i n r e i n f o r c i n gd e s i g n ，t h ec a s i n g i s d e s i g n e d i n a i r p r o o fa r tt e c h n o l o g y f a c i l i t a t e db yf o r c e dw i n dc o o l i n ga n dc o n d u c t i o nt or a d i a t eh e a t b o t ht h em o d u l e a n dc a s i n ga r ei n b a l a n c et h e r m a l ”w i t hh e a tc o n d u c t i o nb o a r dt or e d u c eh e a r r e s i s t a n c ei n i n t e g r a t e d s t r u c t u r e i n d e s i g n o f e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , t e c h n o l o g ys u c ha sf u l l ya i r p r o o fc a s i n g ，c o n d u c t i v ep a d s ，f i l t e r i n ga n dg r o u n d i n ga r e u s e dt od e c r e a s ee l e c t r i ci n t e r d i c t i o na n dc u to f f p o s s i b i l i t y o fi n t e r v e n t i o n t r a n s m i t t i n g r e l i a b i l i t y f o r e c a s tm a k e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s a b o u t r e l i a b i l i t y o f m o d u l e sa n d s y s t e m i nh a r s he n v i r o n m e n ts u c ha so na na i r p l a n eo ro nas h i p e x p o s e dt oh e a t ， h u m i d i t y , v i b r a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ea n dr a d i a t i o n ，w h i c ha r et h em a i n e l e m e n t sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c e ，t h er u g g e d i z e dc o m p u t e rb a s e do np c ib u sa n d r e i n f o r c i n gt e c h n o l o g yc a ns t i l l w o r ks t a b l yi ns u c hh a r s he n v i r o n m e n t m o r e o v e l t h i sk i n do fc o m p u t e ri ss u r et ob e c o m et h em a i nr n i l i t a r ye q u i p m e n td u et o i t s i n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e s i n h i g h s p e e d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，t r a n s m i s s i o na n d v i d e op r o c e s s i n g k e yw o r d s ：c o m p a c t p c i ，p c i t o p c ib r i d g e ，r u g g e d i z e d e m c ，r e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂一或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：式、z _ 叩 签字日期：7 年tz 月。严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盔盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：妒j 年f 。月d 乒日签字日期：刃哆年，二月占日 第一章绪论 第一章绪论 计算机自上个世纪四十年代诞生以来，以惊人的速度迅速发展，并广泛应 用于政治、经济、军事等各个领域，其应用环境也从恒温、恒湿、清洁、安静 的空调计算机房，扩大到高山、沙漠、天空、海洋等应用现场。这就要求计算 机必须能在高温、高湿、振动、冲击、盐雾、强烈电磁干扰等条件下正常工作， 抗恶劣环境的加固计算机也因此诞生了。加固计算机因其使用环境与商用、工 业控制计算机相比有很多特殊性，因而有其自身的特点。 1 1 加固计算机的特点i l j 1高可靠性与高可维修性 加固计算机一般用于军事目的，可靠性与可维修性的要求很高，长时间 持续地可靠性工作是头等重要的性能指标。由于工作环境的限制，对于操作 和维修都提出了更高的要求，操作简单，便于维护，才能确保系统达到规定 的可用性。另一方面，由于应用环境及时间的不确定性，要求加固计算机具 备无人值守条件下设备的安全运行，因而还要具备高可用性。 2抗恶劣环境性能强 机载、舰( 艇) 载、车载等恶劣环境下，湿热、盐雾、冲击、振动、强 电磁干扰、电磁泄露等是影响加固计算机运行的主要因素，因此加固计算机 要在各种恶劣环境下正常工作，必须具备很强的抗恶劣环境性能，( 水密或气 密) 机箱密封性对加固计算机系统来说尤为重要。 3系列化、标准化、模块化 无论从使用还是维修方面讲，应用于恶劣环境下的加固计算机，和其他 工控计算机一样，必须具备系列化、标准化、模块化，这是对加固计算机的 最基本的要求。 4专用软件 长期以来，计算机硬件的研制与生产形成了一条完整成熟的经验，而软 件的研制与生产远落后于硬件，尤其是在各类军用数据系统中。专用软件研 制费用高、可靠性差、研制周期长，成为影响整个战术系统的交付使用的突 出的问题。 第一章绪论 1 2 加固计算机发展过程 加固计算机是一一种特殊的工业控制计算机，其发展过程与工业控制计算机 的发展过程是密不可分。尤其是我国加固机研制起步比较晚，基本采用的工 控计算机总线规范与加固技术相结合的道路。 1 2 1 计算机总线回顾 工控系统中，广泛采用的是标准底板总线，这些总线的特点是它能够以简 单的硬件支持高速的数据传输和处理，并对整个系统具有较高的兼容性及灵 活性，使系统可以在原设计基础上，以最小的变动来跟随市场的变化。这些 标准总线型计算机一般都具有如下特点： 模块化的结构，系统易于快速集成，快速维护； 标准化的总线，有众多的o e m 产品厂商支持，可选范围宽，风险 小； 开放式体系，使系统易于扩展，可伸缩性强，二次开发简单； 无源底板和垂直插板，系统抗冲击性强，抗震性强，易于风冷； 采用通用的系统软件，也得到多数实时操作系统的支持。 1m u l t i b u si i i 系统总线 m u l t i b u si ( 以下简称m b i ) 系统总线是i n t e l 公司1 9 7 4 年推出 3 1 ， 并得到i e e e 承认的一种1 6 位多处理的标准系统总线，它具有1 6 条数据线， 2 4 条地址线( 1 6 m b 寻址空问) ，1 6 位传输，速率可达1 0 m b s ，支持8 级 总线向量中断。它是一种最初的支持集中式并行多处理的计算机系统总线。 在仅有8 0 8 6 8 0 2 8 6 微处理器的当时，特别适合多任务的分布式处理或容错 的应用。也是我国第一台加固机采用的总线规范。 m b i 系统总线是由系统总线、局部总线l b x 、在板i o 总线s b x 等组 成，这也就是其得名的由来。m b i 系统总线采用异步通讯方式，因此允许总 线上的系统模板具有不同的局部总线速率，各模板之间通过系统总线上的应 答信号进行握手或采用给定时间间隔的t i m e o u t 信号来同步。 m u l t i b u s i i ( 以下简称m b i i ) 系统总线是在总结了m b i 和其它计算机 系统总线应用经验和不足的基础上，针对3 2 位处理器的实际需要，推出的 一种与以往传统的计算机系统总线大不相同的新型的智能总线标准，1 9 8 7 年经i e e e 专业委员会批准为p 1 2 9 6 标准。尽管这种总线从技术上讲，代表 了未来计算机系统总线的发展方向，但由于其开发平台较差，产品价格昂贵。 第一章绪论 支持厂商较少，特别是在网络技术高速发展的今天，其市场占有率已大大下降。 2 v m e 总线【4 v m e 总线( i e e e l 0 1 4 ) 也是一种支持多重并行处理的3 2 位系统总线。 v m e 总线特点是主从式异步传输。非复用3 2 位，总线速率为4 0 m b s ， v m e 6 4 标准中可达6 7 m b s ：支持1 6 位至6 4 位地址宽度；8 1 6 2 4 3 2 位数 据宽度的传输；支持1 3 1 个处理器；带菊花链的7 级优先级中断请求，并 支持集中或分布式的中断处理；良好的总线仲裁处理机制：带菊花链的4 级 总线请求和总线仲裁；严格的电气和机械规范。 v m e 总线的机械特性符合国际电气委员会( i e c ) 的欧洲插件规范， 即采用d i n 4 1 4 9 4 和i e c 2 9 7 3 机箱标准，或d i n 4 1 6 1 2 和i e c 6 0 3 2 机箱标 准。机械结构包括机箱、底板和插件板。v m e 插件板分为双高6 u ( 1 6 0 m m 2 3 3 3 5 m m ) 和单高3 u ( 1 6 0 m m * l o o m m ) 两种板型，厚度为 1 6 m m 。 3 p c i 0 4 总线 p c 1 0 4 总线是一种流行的小型工业控制计算机总线标准，其采用层叠 的小板结构，不需要母板和机笼或机箱，可以完全嵌入到控制设备的内部。 4 p c a t 总线 p c a t 总线是在i b m p c 总线基础上发展起来的，总线引脚采用“金手 指”式的插接方式。由于p c 机具有极为丰富的硬件，软件及人力资源，例 如它有数千种i o 扩展摸板，它所用的m s d o s 和w i n d o w s 操作系统已成 为被大家所掌握，并具有数以于计应用软件的支持，这是任何其他计算机系 统无可比拟的。 5 p c i 总线 p c i ( p e r i h p e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ) 总线”1 是在微处理器和高性能外 部设备高度发展的前提下，在p c a t 为广大用户广泛使用的基础上，为 p c a t 在板局部总线增强i o 能力的一系列改良中的成功者。 p c i 局部总线的主要特点为： a ) 总线引脚少：总线目标设备只有4 7 条信号线，主设备最多只有4 9 条信号线； b 1 适应现代计算机技术的需要； c 1p c i 局部总线与处理器无关：支持几乎所有处理器系列； d ) p c i 的开放性。 第一章绪论 1 2 2 计算机总线发展展望 随着计算机网络技术的飞速发展，那些必须利用集中式并行多处理系统 总线达到多重处理的应用，逐渐转向更为灵活的网络系统，因此先进的p c i 总线已成为高性能计算机的首选总线标准。采用p c i 总线的电气和软件标 准，结合欧式卡的组装标准形成的一种新型的总线标准c o m p a c tp c i 总线标 准，正逐渐成为当今最新的一种工业计算机总线标准。 c o m p a c t p c i 是c o m p a c tp e r i p h e r a lc o m p u t e ri n t e r c o n n e c t 的英文缩写 卜1 ，译为“紧凑的p c i ”。1 9 9 4 年，在美国的一些工业计算机厂商建立了p c i 工业计算机制造协会p i c m g ( p c ii n d u s t r i a l c o m p u t e rm a n u f a c t u r e r s g r o u p ) ，致力于扩展p c i 标准到工业系统，管理和维护相关的p c i 规范， 促进建立相关的p c i 规范成为工业范围的标准。1 9 9 5 年p i c m g 发表了 c o m p a c t p c i 规范的1 0 版，9 7 年发表了规范2 0 版：2 0 0 0 发表了规范3 0 版。 设计c o m p a c t p c i 的出发点是很明显的，就是要利用p c i 的优点，提供 满足工业环境应用要求的高性能计算机系统，而同时又要保护和充分利用传 统的工控机产品。c o m p a c t p c i 依附于p c i 平台，在芯片、软件和开发工具 方面可以继续使用大批量生产制造p c 的资源，使其相比传统工业控制计算 机如m b i i i 系统、w m e 系统具有较低的成本；同时吸收了m b i i i 和v m e 总线产品的机械特性的优点，将这些高档总线结构系统中的欧式卡针孔式连 接方式引入了c o m p a c tp c i 总线中，这种连接方式是一种非常可靠和成熟的 机械结构技术，特别适合工业设备，适合嵌入式的应用。同时附加连接器的 特性，也使c o m p a c tp c i 具有更大的可扩展能力，满足千变万化日益庞大的 工业自动化的需要。c o m p a c t p c i 不是重新设计的p c i 规范，而是改造现行 的p c i 规范。使其成为传统工控计算机系统的无源底板总线方式的系统总 线。 1 。2 3 加固计算机的发展过程 加固( r u g g e d i z e d ) 一词是从国外引进的，但具体含义说法不一。很 多人认为，加固只是机械结构上的加固，无非是材料选用厚点的，机壳做 得结实一点，笨重点，因而比较耐冲击、振动，其实这种理解是不确切的， 也是不全面的。究竟应该如何理解昵? 还是应该先回顾一下加固计算机的发 展过程。 第一章绪论 l 国外加固计算机的发展过程 以美国为例，1 9 7 6 年以前，在各兵种服役的计算机多是专用机，因而 机型很多也很乱，给人员培训、后勤支持、使用维修等都带来很多困难，费 用也很高。上世纪7 0 年代末期，美国军方确定了军用计算机型谱，就是选 用优秀的商用计算机系列作为全军的优选系列，这样可以充分利用优秀的久 经考验的商用软件，节省软件开发费用，缩短研制周期。美国军方把选定的 优秀商业计算机系列，选定某些公司进行加固，使得加固后的计算机能够满 足恶劣环境要求，成为军用机系列。如n o r d e n 公司加固d e c 公司的p d p 、 v a x 系列，n o l m 公司加固d e c 公司的n o v a 系列等。 目前美国的军用加固计算机还采用所谓的c o t s ( c o m m e r c i a l o f f - t h e s h e l f ，即“商用内核”。) 1 2 】，就是在技术上成熟、 系统先进、满足军用要求、经过大批生产和使用考验的商用计算机系列中优 选出来，并进行加固构成系列化、标准化的计算机。采用兼容复制技术，在 硬件上瞄准优选的商用计算机硬件技术，一一对应的搬到所研制的加固计算 机上来。美国d y 4s y s t e m 的d a v eh a r r i s o n i “1 早在1 9 9 8 年就曾经撰文介绍 运用c o t sv m e 对美军艾布拉姆主战坦克m 1 a 2 指挥及作战系统进行成功 升级。v m e 总线在国外加固机中的应用比较普遍的。国外的加固机发展很 快，美国几乎每一种新型工控计算机面市的同时，就会有相应的加固机型计 算机亮相，发展速度之快，是我们所无法企及的。如1 9 9 7 年p i c m g 发表 了c o m p a c t p c i 规范，1 9 9 9 年美国s b st e c h n o l o g i e s 就推出了c o m p a c t p c i 总线工控级的p e n t u m i i ia l l i n o n ep cc p 7 2 ”，与此同时也推出了军用 及航空级的r u g g e d m i lp e n t u m i i ip cc r 7 ，后者除在抗恶劣环境性能上 满足美国军用及航空级要求，功能也优于前者。 2 国内加固计算机的发展过程 国内加固计算机的研制，始于上世纪的8 0 年代。我国海军计算机自八 十年初开始进入分布式微机应用时期，很快便形成了8 0 x 8 6 的一统天下的 格局f 2 】。加固微机的发展大体经历了m b i 总线加固机和p c a t 总线加固机 两个主要阶段：第一台8 0 8 6 系列m b i 全加固微机鉴定于1 9 8 6 年3 月，以 后逐步推出了以8 0 2 8 6 、8 0 3 8 6 、8 0 4 8 6 为c p u 的系列产品，采用的是1 5 0 芯连接器，6 x 9 英寸的模块尺寸。我军目前仍有相当数量m b i 总线加固机在 役，包括舰载、机载、陆用战车、火炮机动指挥等系统使用m b i 总线加固机。 第一章绪论 p c a t 总线加固机是2 0 世纪9 0 年代以后开始研制的。第一+ 台p c 3 8 6 4 8 6 全加固p c 微机于1 9 9 5 年完成研制，之后又相继推出了双9 6 芯的连接器的 p e n t i u m 5 8 6 和a l l i n o i l ep e n t i u m5 8 6 全加固多媒体微机。p c a t 总线加固 机采用的是一种类似于v m e 标准的模块结构，也是运用两个i e c 6 0 3 2 连 接器p 1 和p 2 ( 每个连接器为3 列3 2 针，共9 6 条引脚) ，模块尺寸仍是6 x 9 英寸。用于作战指挥系统、通信系统等军用电子系统。 v m e 总线加固机在我国也有研制，但应用范围很少，只在少数导航系 统中有所应用。其它总线形式的加固机一般是专用机，更没有统一的标准， 使用的就更少了。目前，嵌入式应用仍然以多总线m b i 为主，双9 6 芯p c a t 总线机在作战指挥、情报、通信及信息显示系统中正在发挥重要的应用。 1 3 加固计算机发展中存在的问题 1机型混乱，无法兼容 加固计算机的发展过程中，在机箱结构方面，似乎还有一种不成文的规 定，就是要采用a t r 机箱或1 9 英尺上架机箱。但无论m b i 总线加固机还 是双9 6 芯p c a t 总线加固机，由于没有统一的规范，不同厂家开发的产品 虽然外型一样，但因没有可依据的总线规范，信号定义各自为政，无法兼容。 这对用户的选择、使用和维护上都带来了很多麻烦。 2 ， 基于微处理器的总线标准，无法适应微处理器技术的飞跃发展 m b i i i 、v m e 等传统工控机总线都是上世纪8 0 年代开发出来的，都是 在基于某些公司生产的微处理器的基础上提出，改进完善而形成总线标准 的。如m b i i i 总线是在8 0 x 8 6 基础上发展起来的，而v m e 是在6 8 0 x 0 的 基础上发展起来的，总线是针对相应微处理器而设计的，它们都经过了“f 几 年的发展过程对3 2 位以下的处理器是较为完善了，但面对今天高速发展的 硅技术它们越来越不适应。 3 ，总线数据传输速度低，远远不能满足现代战争对快速大信息量的需要 m b i 总线1 6 位传输速率只有1 0 m b s ；v m e 总线产品的主要吸引力在 于它的总线底板结构和欧式卡组装技术所具有的坚固、可靠、模块化和o e m 特点。但是，象m b i 一样，v m e 最初的设计是1 6 位总线宽度，尽管后来 作了3 2 6 4 位体系结构的扩展改进，但6 4 位总线宽度时总线数据传输速率 也只有6 7 m b s ，v m e 技术所面临的难以克服的弱点已经限制了它对未来市 场的支持。 6 第一章绪论 场的支持。 4 形势所追，势在必行 在1 9 9 7 年c o m p a c t p c i l 0 规范发布后不久，就有国外工业控制计算机 研制厂商推出相应的c o m p a c t p c i 总线加固机，1 9 9 9 年基于c o m p a c t p c i 3 0 的p e n t u m i l i ；匀口固机2 4 1 开发完成。而我国在2 0 0 1 年基于c o m p a c t p c i 的 p e n t u m j j h 固机才刚刚起步，因此尽快研制出基于c o m p a c t p c i 总线的加固 计算机已是迫在眉睫也是势在必行的。 1 4 本文研究的主要内容及其意义 1 基于c o m p a c t p c i 总线加固计算机的方案没计 本文从c o m p a c t p c i 总线的特性及加固计算机的特殊要求入手，结合实 际情况，提出一种适合恶劣环境特别是军用舰( 船) 载、机载、车载使用的 基于c o m p a c t p c i 总线的加固计算机系统的总体方案：电气规范上，严格遵 循c o m p a c t p c i2 0 规范，包括信号定义、连接器、模板尺寸、底板槽间距； 结构设计上则摒弃c o m p a c t p c i 非密封机箱，采用全密封、强迫风冷和传导 散热相结合的a t r ( a i rt r a n s p o r te q u i p m e n t a n d r a c k i n g ，即航空运输机箱和托 架1 结构机箱。由于a t r 结构机箱的外形尺寸符合包括舰( 船) 载、机载、车 载等大多数加固机应用环境的要求，因此这一方案的提出，对解决长期以来 困扰我国加固计算机发展的机型混乱、无法兼容等问题，将会产生积极的推动 作用。 2 c o m p a e t p c i 总线功能的技术设计与实现 设计并实现c o m p a c t p c i 总线功能，就是要在“一条p c i 总线最多只能 接纳4 个外围卡”的p c i 电气规范下，完成c o m p a c t p c i 总线“可支持8 个 外围卡”的技术设计与实现。研究发现，采用p c i t o p c i 桥电路可以完成 可支持8 个外围卡的电路原理，而要保证信号质量，必须设计高可靠性底板。 系统板采用p c i 2 0 5 0p c i t o p c i 桥实现支持8 个外围卡的功能，底板设计采 用p a d sp o w e r p c b 工具软件，设计1 2 层高密度底板，在底板系统槽的最远端 放置二极管，以二极管终端负载保证信号质量。p c i 总线是一种高速总线，在 6 6 m h z 主频6 4 位总线带宽下，数据传输峰值可达5 2 8 m b s 。无源底板的设 计方案使得所有总线信号都必须通过底板传送，c o m p a c t p c i 规范规定的底 板槽间距是2 0 3 2 m m ，设计8 槽系统底板从系统槽到第7 个外设槽( 第8 槽) 间距1 4 2 2 4 m m ，在这么长的距离上保证信号传输质量，底板很重要。 第一章绪论 基于c o m p a c t p c i 总线加固计算机样机设计包括系统主机板和p c t 接 口板、i s a 接口板，系统主板采用i n t e l ”4 4 0 b xa g p s e t 完成主板功能：p c i 接口用p l x 9 0 3 0 设计高速加密模块；i s a 接口采用1 6 c 5 5 2 、8 2 5 5 a 及8 2 5 9 a 等控制芯片设计一种多功能串并接口电路；底板设计为8 槽p c i & i s a 总线。硬 件设计在电路原理设计完成以后，主要工作就是p c b 设计与实现。为了防止地 线漂移，减少串扰、降低噪声，采用了印制板外层大面积地线覆铜方式。另外， 由于c o m p a c t p c i 连接器是采用压接方式的高密度连接器，因此在设汁中，所 有电源引脚和地线引脚均采用全覆铜方式，而不是通常p c b 设计中十字连接。 4 机箱与模块的加固热设计与实现 c o m p a c t p c i 总线工控机采用的是强迫通风散热方式，加固计算机机箱 采用全密封a t r 结构，强迫风冷和传导相结合散热；模块和机箱均采用“均热 化”设计，装配导热板组合，降低热阻并提供结构紧固。 5 整机的电磁兼容性及可靠性设计 c o m p a c t p c i 规范在连接器的选择及模块、机箱的结构上考虑了电磁兼 容性问题，可以满足工控环境下电磁兼容要求，但不能满足军用环境下电磁 干扰及信息泄露问题，必须进一步进行防护。采用金属密封机箱和导电衬垫 及屏蔽、滤波、接地等技术，进一步降低干扰电平，阻断干扰的传播途径。可 靠性是衡量加固计算机性能的一个重要指标，通过可靠性预计分析，对计算 机系统可靠性给出定量的分析。 6 对样机及试验结果的分析与结论 基于c o m p a c t p c i 总线加固计算机样机在完成设计与试制调试以后，相 继完成了环境试验( 包括高低温、冲击、振动以及湿热) 、电磁兼容性试验、 施加环境应力及电应力的1 8 昼夜可靠性考核试验。试验结果证明，基于 c o m p a c t p c i 总线加固计算机，针对样机在设计和试验过程中存在的问题和 不足，进行分析和讨论，并提出改进措施。 第二章基于c o m p a c t p c i 总线加固机的方案设汁 第二章基于c o m p a c t p ci 总线加固机的方案设计 c o m p a c tp c i 依附于p c i 平台，在芯片、软件和开发工具方面可以继续 使用大批量生产制造p c 的资源。设计基于c o m p a c t p c i 的加固机，出发点 是很明显的，就是要利用c o m p a c t p c i 的优点，设计满足恶劣环境应用要求 的高性能计算机系统。而同时又要保护和充分利用传统的产品。 2 1c o m p a c t p c i 规范的主要内容。3 0 1 c o m p a c t p c i 是由p c i 总线的电气规范及软件标准加上欧标板的结构形 成的种全新的工业计算机总线标准，c o m p a c t p c i 规范对插卡的类型、底 板、连接器、信号组及热切换等都有规定。 1 c o m p a c t p c i 模板 和v m e 模板结构一样，c o m p a c t p c i 插卡是一种标准欧标结构，分为 双高6 u ( 1 6 0 m i n x 2 3 3 3 5 m m ) 和单高3 u ( 1 6 0 r a m l o o m m ) 两种板型，厚 度均为1 6 r a m ，参见图2 1 。c o m p a c t p c i 适配卡的前端头规定安装 顶推 前面 连接器 图2 - l3 u 和6 u c o m p a c t p c i 模板 一块金属面板，称为前面板。前面板上可安装状态指示灯，i l o 连接器，插 9 舞 蹲 第二章基于c o m p a e t p c i 总线加固机的方案设计 拔用的顶遐器，并能填盖机箱前面的缝隙。3 u 卡的前面板仅安装一个项退 器，6 u 卡则可安装两个顶推器。 2 c o m p a c t p c i 底板 c o m p a c t p c i 底板是一种典型的无源底板，同模块一样，也分3 u 和6 u 两种。以3 u 的8 槽底板为例，说明无源底板的元素。参见图2 2 ，在每个 底板连接器的下边，有一个被称为兼容性标志的符号，“”符号表示系 图2 23 uc o m p a c t p c i 底板 统槽，只能插系统卡，原则上，系统卡可以是主机，也可以不是主机。“o ” 表示外围槽，可以插外围卡。标志中的数字表示底板连接器的物理编号。3 u 底板每一槽有2 个连接器p 1 、p 2 实现，6 槽底板每一槽有5 个针孔式连接 器p 1 至p 5 实现。 3 c o m p a c t p c i 连接器 c o m p a c t p c i 连接器为屏蔽型、2 m m 间隔、5 列高密度连接器，符合i e c 第二章基于c o m p a z t p c i 总线加固机的方案设计 图2 36 uc o m p a c t p c i 模块连接器 9 1 7 和i e c1 0 7 6 4 1 0 1 规范，图2 3 是一个6 u 模块的连接器示意图。其主 要特点为： 针孔式连接，底板上使用针式连接器，模块上使用孔式连接器； 具有可编码的定位键，并用彩色定位键区分系统槽和外设槽： 分级引脚用于支持c o m p a c t p c i 热切换； 具有e m i r f i 保护作用的屏蔽壳； c o m p a c t p c i 规范定义j 1 p 1 为3 2 位p c i 总线，j 2 p 2 定义给6 4 位p c i ， j 3 p 3 、j 4 p 4 、j 5 p 5 可作为用户i o 或系统扩展。 4 c o m p a c t p c i 信号组 c o m p a c t p c i 信号组是标准p c i 信号的超集，除p c i 数据、地址、控制 信号，为满足工控计算机的需要，还定义了几个不影响p c i 规范的附加信号， 这些信号是： 按钮复位信号p r s t # ： 电源信号指示信号d e g # 和f a l # ： 系统枚举信号e n u m # ： 专为i d e 设计的中断支持信号i n t p 和i n t s ； 系统槽识别信号s y s t e n 撑。 5 c o m p a c t p c i 机箱 像m b i i * hv m e 一样，c o m p a c t p c i 机箱采用的是垂直底板、导轨插入、 前插式模块安装。当然，如果是后出式i 0 ，还会有后出模块和后面板，后 面板和前面板一样，也可安装状态指示灯、i 0 连接器、插拔用的顶退器。 机箱散热采用的是强制风冷散热方式，一般在机箱底部装有一个或几个图 第二章基于c o m p a c t p c i 总线加固机的方案设计 2 - 46 uc o m p a c t p c i 机箱 风机。图2 4 是一款典型的6 uc o m p a c t p c i 机箱。非密封机箱，信号前出 线方式( 所有信号通过模块面板直接引出) ，底部装有数个风机，机箱上部 为筛网状通风口，多用于工控及电信系统。 2 2 基于c o m p a c t p c i 总线的加固机功能和环境指标要求 i 功能要求 基于c o m p a c t p c i 总线的加固计算机，针对海军方面的用户要求，功能 上应满足以下要求： 微处理器i n t e lp i i i5 0 0 以上； 存储器6 4 2 5 6 m ； 图形显示3 2 m 显存，支持v g a ； 电子盘3 2 m 以上： 串口c o m l 一c o m 2 ，r s 一2 3 2 c 4 2 2 可选； 标准接口支持i d e 、f d d 、l p t 、u s b 、p s 2 键盘鼠标 c o m p a c t p c i 总线数据传输带宽3 2 b i t ；总线时钟频率3 3 m h z ； 系统板支持7 个p c i 设备； 系统支持o s w i n d o w s 、v x w o r k s 。 第二章基于c o m p a c t p c i 总线加吲机的方案设计 2 环境指标要求 工控级别的c o m p a c t p c i 总线计算机，环境指标也比较高，如工作温度0 + 4 5 ，抗冲击能力1 0 9 1 0 m s ，抗振能力1 5 9 5 15 0 h z 。但加固计 算机因其应用环境的恶劣性，对系统环境指标要求就更高。按照海军舰艇用 加同计算机的通用技术要求，基于c o m p a c t p c i 总线的加固机在满足设计要 求的性能指标的同时，整机环境适应性应满足： 工作温度：一1 0 + 6 0 ： 贮存温度：一5 5 + 8 5 。 交变湿热条件：温度3 0 。c 5 6 0 。c 5 ，相对湿度9 5 3 ： 随机振动频率：5 1 0 0 0 h z ； 冲击强度：3 0 9 ，8 15 m s ： 电磁兼容性：满足g j b1 5 1 a 一9 7 水面舰艇、潜艇平台要求的界限值 和敏感判据。 可靠性指标应满足： m t b f 15 0 0 0 h 。 2 3 基于c o m p a c t p c i 总线加固机的方案设计 2 3 1 方案设计考虑的几个因素 对于我们来说，c o m p a c t p c i 总线加固机是一种前所未有的全新的加固 汁算机，无论从总线形式还是系统性能、结构方式都是全新的，所以在方案 设计时考虑了以下因素： 1 总线带宽和总线速度 微处理技术和超大规模集成电路高速发展的今天，处理器的运算速度和 处理能力己不再是应用系统中的瓶颈，1 0 0 m 以至1 0 0 0 m 网络设备、s c s i 设备、多媒体视频显示等高性能的外部设备，对高带宽总线的需求显得日益 迫切。c o m p a c t p c i 总线在电气特性上符合p c i 规范，即在3 3 m h z 3 2 b i t 总 线带宽下，数据传输峰值可达1 3 2 m b s ；在3 3 m h z 6 4 b i t 总线带宽下，数 据传输峰值可达2 6 4 m b s ；在6 6 m h z 主频，3 2 位和6 4 位总线带宽下，数 据传输峰值分别可达2 6 4 m b s 和5 2 8 m b s 。当然，对于象电信行业郡种需 要高速网络设备进行大量数据传输的计算机来说，带宽越宽传输速率越高越 好。而对于在恶劣环境应用于控制系统的加固计算机来说，仅考虑速度是不 够的，还要考虑元器件及技术性能的稳定可靠性。基本原则就是在技术上成 第一章基于c o m p a c t p c i 总线加固机的方案设计 熟、系统先进、满足军用要求、经过大批生产和使用考验的商用计算机系列 中优选出来，并进行加固构成系列化、标准化的计算机。 2 p c i t o p c i 桥技术及桥芯片的选择 p c i 规范由于电气负载的制约，一条p c i 总线最多只能接纳4 块附加的 板卡，c o m p a c t p c i 通过增加总线引脚使其可支持8 个卡，如何实现p c i 总 线支持8 个周遍卡的扩展，便成为c o m p a c t p c i 系统设计的关键技术之一。 研究发现，采用p c i 桥技术，通过p c i t o p c i 桥接逻辑扩充第二个p c i 总 线段，可实现达到多于8 块卡的目的。 p c i t o p c i 桥电路为两个p c i 总线之间的连接提供了一个可靠的支持， 它只在主设备上设置一个电气负载，主设备与主p c i 总线之间以及目标设备 与二级p c i 总线之间可以同时在各自的总线上完成数据传输，且支持突发传 送，这就为系统的扩展提供了可靠的保汪。 3 ，主机模块功能 c o m p a c t p c i 模板分为系统卡和外围卡，参照一些国外成熟的 c o m p a c t p c i 系统【2 4 的设计方案，一般都是把主机设计为系统卡，包含以下 内容： 主处理器：( 一个或多个) 以及相关的支持逻辑； 主存储器：主存储器可以驻留在外围卡上，但主p c i 桥的构造必须 允许处理器的c a c h e 从p c i 存储器中高速缓存； 主p c i 桥：这是主处理器总线与p c i 总线之间的桥接； p c i 总线仲裁器：用于总线段的其它槽中安装总线主设备外围卡； i d s e l 译码器：i d s e l 是选择设备必须的； 系统中断控制器：与p c i 中断请求信号( i n t a # i 至n t d # ) 接口； p c i 时钟发生器； 复位逻辑：负责向驻留在p c i 总线段上的所有设备发出复位。 因此，主机模块设计成系统卡，功能上应该选择技术上成熟、经过大批生产 和使用考验的芯片组，而不是最新的。 4 p c i 接口功能的实现 设计c o m p a c t p c i 接口板，关键是p c i 接口电路。p c i 接口逻辑拟采用 p l x 接口电路。这是一种采用p q f p l 7 6 封装形式，内核工作电压3 3 v ，体 积小、功耗低的接口电路，它分为p c i 总线和l o c a l 总线两大部分，p c i 总线直接和系统c o m p a c t p c i 总线相连，l o c a l 总线有数据线、地址线和 第二章基于c o m p a c t p c i 总线加固机的方案设计 控制线，它还有5 个独立的可编程地址空间，所以很容易同外部芯片进行连 接；有独立的串型号e e p r o m 接口：丽个可编程的l o c a l t o p c i 中断， 可边沿和电平触发：两个呵编程f i f o ，具有预读取模式、延时读写模式。 5 加固设计技术 从2 1 5 介绍的基于c o m p a c t p c i 总线系统机箱不难看出，这是一种非 密封机箱，采用强迫风冷散热，仅这一条就不符合加固机的环境指标要求。 当然还有模块结构、