PC104概述.doc

第一部分：基础篇PC/104是一种专门为嵌入式系统而设计的工业控制总线，由于它具有体积小巧、可靠性高、功耗低的特点，非常适合嵌入式PC系统的设计使用，因此自上个世纪80年代末诞生以来，得到了广大用户以及嵌入式PC系统制造商的欢迎，近年来发展非常迅猛，用户群已经扩展到航空航天、工业控制、仪器仪表、车辆船舶、铁路系统、石化、采矿、通讯、军事装备等众多应用领域。PC/104在欧美的应用已经非常成熟，生产厂商众多。在国内的应用也处于快速发展阶段。PC/104的发展前景非常看好。 本篇从PC/104的起源和发展讲起，对PC/104和嵌入式系统的关系、PC/104的特点、PC/104的发展前景、国际PC/104协会、PC/104、PC/104+、PCI-104等三个规范的主要内容进行了详细描述，以期使大家对PC/104有一个完整全面的认识。第一章 PC/104概述第一节 嵌入式系统概述一、嵌入式系统的定义关于嵌入式系统的定义一直是一个有争议的话题，存在着不同的看法及观点，这反映了人们由于观察的角度不同，看问题的立足点不一样，因而对嵌入式系统的认识不尽相同。但从广义的角度来看，嵌入式系统一般是指，“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统”。这个定义从广义的角度上把握了嵌入式系统的基本特征，涵盖面较广，为我们认识嵌入式系统的本质，提供了有价值的参考。要理解嵌入式系统，需要着重把握以下几点：（一）应用特性所有的嵌入式系统都是从特定的应用出发而设计的专门的系统，这就区别于传统的通用型计算机系统。这一特点决定了嵌入式系统的多样性，因为用户的应用永远是丰富多彩的。人们从实际应用出发，设计出了形形色色的嵌入式系统，同时也拓展了嵌入式系统广泛的应用领域。进入后PC时代以来，基于具体应用的嵌入式系统发展风起云涌，波澜壮阔，其应用领域远远超出了通用型计算机系统，而且还在不断拓展。（二）计算机特性所有的嵌入式系统都是以计算机技术为基础的计算机系统，非计算机系统不能称之为嵌入式系统。所谓计算机系统，包括硬件和软件。嵌入式系统的硬件主要包括嵌入式处理器和嵌入式外围设备，软件主要包括嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。嵌入式系统就是软件和硬件根据具体应用经过裁剪的计算机系统。（三）嵌入特性从形态上来讲，嵌入式系统一般都已经脱离了通用型计算机系统的存在形式（标准的硬件组合，配以不同的应用软件，以相同的形态出现在不同的场合，典型的例子为桌面PC），它是以嵌入式的形态（由芯片或者板卡配以软件组成的专用系统，根据应用需求经过了硬件和软件资源的裁剪）隐藏到特定的应用环境里，执行特定的功能。二、嵌入式系统的分类及组成（一）嵌入式系统的分类从目前广泛的应用情况来看，嵌入式系统分为两大类，一类是由基于x86处理器以及其它处理器的嵌入式板卡组成的板卡级嵌入式系统，这一类系统可以用于：工业控制、仪器仪表、交通运输、航空航天、军事装备、通讯、电力、冶金、交通运输等领域，具有非常广阔的应用空间；另外一大类是使用ARM、DSP等专用嵌入式芯片组成的芯片级嵌入式系统，这类系统在新兴的消费电子、智能家电、智能化仪表、移动计算等方面获得了巨大的应用空间。 （二）嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由四个部分组成：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。1. 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经有1000多种，流行体系结构有30几个系列。嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点在于：嵌入式处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用处理器中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式处理器可细分为：嵌入式微处理器(Microprocessor Unit，MPU) ，嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU) ，嵌入式DSP处理器(Digital Signal Processor，DSP) ，嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）。MPU的基础是通用计算机中的CPU，但和通用CPU相比，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点；同时，在该领域技术成熟、产品类型多、选择空间大，满足各种性能需求的处理器比较容易获得。MPU体系结构众多，目前常见的主要有ARM、MIPS、Power PC、68000等系列。 基于X86架构MPU最近也开始发展起来，X86架构CPU一直因其功耗大、体积大而被排除到MPU之外。而近几年来，有些公司设计并推出了功耗小、集成度高、体积小（最小的只有10mm10mm）的CPU，完全适用于嵌入式MPU。与其它处理器相比，X86架构的MPU具有高性能(主频可达1.5GHz)，像PC机一样可以处理所有媒体格式，具有开发周期短、软件平台丰富等优势。其中，最重要的一点是其软件可以实现从高端通信产品、消费电子到普通手机等任何平台的兼容。MCU，嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。MCU一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。MCU目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式MPU的一大半市场份额。 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器 随着EDI的推广和VLSI设计的普及化以及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip（SOC）。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon（Siemens）的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。 2. 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备是指用于完成存储、采集、通信、调试、输出、显示等辅助功能的其他部件。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备等。嵌入式系统存储设备主要有闪存盘和固态盘等。闪存盘（Flash Card）是利用闪存（Flash Memory）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质，样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有SmartMedia（SM卡）、Compact Flash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、Secure Digital（SD卡）、Memory Stick（记忆棒）、XD-Picture Card（XD卡）、微硬盘（MICRODRIVE）以及Flash IDE等。闪速存储器(FlashMemory)。它的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息。就其本质而言，FlashMemory属于EEPROM(电擦除可编程只读存储器)类型。它既有ROM的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗很小。固态盘是半导体盘的一种，是按磁盘访问方式工作的DRAM阵列，它是由DRAM阵列加上一个保持系统存储数据的电池构成的。在按块访问的存储设备领域中，它是磁盘的有力竞争者。固态盘因为是无磁的，内部也不存在旋转部件，因此延迟非常小，其访问时间为0.01到0.1毫秒，而15000转硬盘的访问时间则为4到10毫秒。固态盘没有运动的零件，因此非常可靠。另外其工作温度范围可达-4585。而宽温硬盘的工作温度最多也只能到-2585。平板显示器在嵌入式系统中获得了大量的应用，是嵌入式系统重要的显示设备。平板显示器与传统的CRT（阴极射线管）相比，具有薄、轻、功耗小、辐射低、没有闪烁、有利于人体健康等优点。平板显示器件(FPD)分为发光型和受光型两大类。受光型FPD按工作原理的不同可分为：液晶显示器件（LCD）、电致变色显示器件（ECD）、电泳显示器件（EPID）、铁电陶瓷显示器件（PLZT）等。发光型FPD按工作原理的不同可以分为：等离子体显示器件（PDP）、电致发光显示器件（包括ELD和LED）、场发射显示器件（FED）、真空荧光显示器件（VFD）等。当前在嵌入式系统中获得大量应用的有LCD和PDP。LCD是在一定电压下（仅为数伏），使液晶的特定分子改变另一种分子的排列方式，由于分子的再排列是液晶盒的双折射性、旋光性、二色性、光散射性等光学性质发生变化，进而又由这些光学性质的变化转换成视觉的变化，也就是说LCD是一种液晶利用光调制的受光型显示器件。LCD分扭曲向列型（TN-LCD）、超扭曲向列型（STN-LCD）和薄膜晶体管（TFT-LCD）等几种。其中，TFT-LCD已成为LCD发展的主要方向，它使LCD进入高画质真彩图像显示的新阶段。由于LCD本身的工作原理也就决定了液晶显示具有低工作电压、功耗小、重量轻、厚度薄、适于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的优良特性，目前被广泛地应用在便携式电脑、数码摄录相机、PDA移动通讯工具等众多领域，占平板显示市场90的份额，被人们誉为第二半导体工业。PDP是基于利用稀有气体（惰性气体）放电所产生的真空紫外线激励荧光粉发光的显示技术。PDP分为交流和直流型两种类型。目前，各大公司基本上是采用表面放电式的交流PDP。等离子体显示技术有易于制作大屏幕显示设备和便于数字化驱动两个显著特点，另外还具有真彩显示、视角大、对比度较高以及器件结构及制作工艺易于批量生产等特点，这些特点使得PDP在大屏幕的显示器市场占有比较重要的地位。3. 嵌入式操作系统 为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面（GUI）等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。由于嵌入式系统面向应用的特性决定了嵌入式系统的多样性，因此面向应用的嵌入式操作系统也是种类繁多。一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系统软件公司的QNX、ATI的Nucleus等；另一类是面向消费电子产品（这类产品包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等）的非实时操作系统，如Windows CE、Palm OS等。4. 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的经过裁剪的计算机软件。由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件的区别在于，它不仅要求在准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。比如一些手持设备上的游戏、记事本、视频软件等。三、板卡级嵌入式系统概况板卡级嵌入式系统起源于工业PC。随着IBM PC及其兼容机型的广泛使用，ISA/PCI总线加固型工业PC（IPC）开始不断发展壮大起来。期间IPC经过了工业化改造，比如取消了大母板，采用无源背板、插卡式模板，工业电源，全钢密封机箱微正压散热，温度自动检测和调整等。尽管如此，其抗震动冲击能力差、非均匀散热、元器件失效率高、平均修复时间（MTTR）长、维护困难等问题仍然没有解决。为了解决这些困扰客户实际应用的难题，满足市场对工业型计算机的要求，人们逐渐设计出了一系列基于PC的，与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工业PC，这类面向应用的具有特定用途的PC我们称之为板卡级嵌入式系统。在市场需求的推动下，板卡级嵌入式系统蓬勃发展，产生出了多种多样的各具特色的规范和标准。其中比较有代表性的是VME总线、CompactPCI/PXI总线、AT96总线、 STD总线、STD32总线、 PC/104总线等规范和标准。（一）VME总线1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，从此VME总线工业控制机在图像处理、工业控制、实时处理和军事通讯中得到了广泛应用。1987年，VME总线被批准为国际标准IEEE1014-1987。VME总线接口为2个96芯的针孔连接器P1和P2（6U欧洲卡），VME总线的数据宽度为32位，最大总线速度是40MB/sec。1996年的新标准VME64（ANSI/VITA1-1994）将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80MB/sec。由FORCE COMPUTERS制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320MB/sec。VME总线工控机大多数运行的是实时操作系统，如UNIX、VxWorks、PSOS、VRTX、PDOS、LynOS以及VMEXEC，由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线工控机采用的处理器有：Motorola公司的68K系列以及Intel公司和AMD公司的微处理器，也有一些采用PowerPC等其它处理器。VME总线工控机的硬件系统和软件系统加上它特定的应用领域构成了典型的板卡级嵌入式系统。（二）ISA/PCI总线基于传统ISA/PCI总线的工业控制计算机由于其与桌面PC完全兼容，因此目前仍有很大的市场空间。其硬件和软件都兼容桌面PC，只是面向特定的应用场合进行了适当的裁剪。其硬件的裁剪体现在根据用户的需要采用了多种规格的板卡，比如长卡、半长卡、3.5板，5.5板，ETX、EBX、EPIC等各种规格和尺寸的嵌入式板卡。软件的应用强调实时性。裁剪后的硬件和软件构成了板卡级嵌入式系统，在工业控制领域获得了大量应用。（三）CompactPCI总线为了将PCI总线规范用成功应用于工业控制领域，1995年11月PCI工业计算机制造者联合会（PICMIG）颁布了CompactPCI规范1.0版，以后相继推出了PCI-PCI Bridge规范、Computer Telephony TDM规范和User-defined I/O pin assignment规范。简言之，CPCI总线 = PCI总线的电气规范 + 标准针孔连接器（IEC-1076-4-101） + 欧洲卡规范（IEC297/IEEE 1011.1）。基于Wintel 架构的CPCI总线工控机，是为高可靠性应用而设计的，其低价位（相对VME总线）、高可靠、热插拔、热切换、多处理器能力等特点在设计之初就引起了可靠性要求较高的电信和工业自动化工业领域的普遍关注。在电信和工业自动化领域，PCI/ISA工控机由于可靠性低和可维护性差等原因，应用的数量很小，市场急需满足应用要求的新产品问世。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，加上工控机设计者一般都掌握基于PC的嵌入式软硬件设计技术，而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言，由于总体成本高、技术开发难度大、模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，CPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用。相反，电信（Telecommunication和Computer Telephony）行业要求制造商提供开放式架构和快速投放市场产品，而产品快速投放市场的能力主要取决于软件而不是硬件。在这方面，由于CPCI工控机采用PC技术，具有丰富而廉价的软件资源，其操作系统WINDOWS NT又是IP AIN的理想开发平台，加上热插拔和热切换能力，恰好与电信要求相一致，因此被广泛应用。通过增加触发信号、局部总线和系统同步时钟等措施，CPCI扩展为高性能的仪表总线PXI（CompactPCI eXtensions for Instrumentation）。PXI总线工控机是一种仪表计算机平台，具有CPCI总线的所有优点，同时，定义的软件和硬件规范又实现了产品完全互操作。从以上可以看出，CPCI/PXI都是面向特定场合的计算机系统，这种系统为了适应具体的应用环境，经过硬件和软件上的再加工，已经具备了传统PC所不具备的特点，而且在存在形态上也已经与原来的桌面PC大相径庭，是一种新型的板卡级嵌入式系统。（四）PC/104总线在80年代末，采用堆栈结构的小巧紧凑的PC/104总线出现在人们的视野，1992年由业界著名的RTD、Ampro，Enclosure等三家公司创建了国际PC/104协会，致力于PC/104技术的发展，迎来了PC/104的春天。发展到今天，国际PC/104协会已经有100多家会员，全世界有300多家厂商在按照PC/104规范生产自己的产品，PC/104在众多嵌入式系统领域获得了广泛的应用。PC/104总线采用互相堆栈的连接方式，其板卡尺寸为90mm x 96mm，较低的功耗和高度的可靠性使其在尺寸和空间受到限制的场合以及对功耗和可靠性有特殊要求的嵌入式场合获得了大量应用，比如消费类电子产品：洗衣机、烘干机、洗碗机、收款机等，目前的应用领域已经广泛扩展到：航空、航天、海运、军事装备、车辆管理、铁路系统、灾害监测、重大危险源、医疗仪器、石油化工、采矿、通讯、电力、冶金、流程工业、纺织机械、工业控制、仪器仪表等领域。（五）STD总线STD总线在1978年最早由Pro-Log公司作为工业标准发明的，由STDGM制定为STD-80规范，随后被批准为国际标准IEE961。STD-80/MPX作为STD-80追加标准，支持多主（MultiMaster）系统。STD总线工控机是工业型计算机，STD总线的16位总线性能满足嵌入式和实时性应用要求，特别是它的小板尺寸、垂直放置无源背板的直插式结构、丰富的工业I/O OEM模板、低成本、低功耗、扩展的温度范围、可靠性和良好的可维护性设计，使其在空间和功耗受到严格限制的、可靠性要求较高的工业自动化领域得到了广泛应用。STD总线工控机采用单片计算机（Computer-on-a-chip）技术，可以继续提升“ALL-IN-ONE”CPU板的性能，而不受小板尺寸限制。（六）STD32总线自从1978年STD总线问世以来，STD总线工控机已经被证明是工业控制实现的主力军。随着技术的进步，原来被工业用户所认同STD-80标准已经难以满足要求。1990年9月，STD32 MG公布STD32规范1.0版。STD32具有32位数据宽度，32位寻址能力，是工业型的高端嵌入式计算机。STD32总线兼容STD-80规范，产品可以互操作。STD32总线由众多的OEM制造商支持，既可以采用已经投放市场的丰富的STD总线I/O模板，也可以采用由STD32产品制造商不断推向市场的STD32总线I/O模板，以及其它与PC兼容的资源，组成工业嵌入式控制系统。STD32总线支持热切换和多主系统，满足工业控制冗余设计要求。STD32总线在保留简单控制总线特点的同时，采用了今天的先进技术设计OEM产品。在嵌入式板卡上带有PC/104+扩展总线，兼容PC/104和PC/104+模块板。（七）AT96总线为了将ISA总线PC机应用在恶劣的工业环境中，1994年由德国SIEMENS公司发起制定了AT96总线欧洲卡标准（IEEE996），并在欧洲得到了推广应用。AT96总线=ISA总线电气规范+96芯针孔连接器（DIN IEC 41612 C）+欧洲卡规范（IEC297/IEEE 1011.1）。AT96总线嵌入式工控机消除了模板之间的边缘金手指连接，具有抗强震动和冲击能力；其16位数据总线、24位寻址能力、高可靠性和良好的可维护性，更适合在恶劣工业环境中应用。在国外，AT96总线嵌入式工控机较齐全，有80386、80486产品，也有Pentium系列产品。以上各类板卡级嵌入式系统正在不断在向高性能、高可靠、低价位方向发展，将在通讯、工业控制和工业自动化、军事和国防、医疗器械、交通运输和模拟仿真等嵌入式应用领域发挥更重要的作用。四、PC/104是典型的嵌入式系统PC/104是典型的嵌入式系统，其处理器采用基于X-86的处理器，配以存储及显示等功能模块构成了硬件系统，软件可采用与PC兼容的操作系统及应用软件。基于PC/104的嵌入式系统的开发，目前在欧美已经非常成熟，具有种类丰富的功能模块板，通过选取不同的模块板，配以不同的软件，就可以构成符合不同应用的典型的嵌入式系统。PC/104系统在形式上采用了多个功能模块板进行互相堆栈的形式，并且占用空间非常小，功耗也比传统PC低得多。堆栈的形式带来了系统升级的便利性和系统高度的可靠性。PC/104的这些特点使得它非常适合应用在特定的嵌入式领域。自80年代末诞生以来，获得了突飞猛进的发展和日益广泛的应用。第二节 PC/104的起源和发展一、 PC/104产生的背景在PC发明之后的十年里，基于PC的嵌入式应用已经远远超过了桌面PC的应用。专用的嵌入式PC应用已经无处不在，嵌入式PC被用于自动售货机、实验室仪表、通信设备、医疗设备等。由于基于PC的标准化的硬件和软件随处可见，嵌入式系统的开发者因而可以极大地降低开发成本、开发时间及开发风险。这就意味着开发者可以极大地缩短对市场的响应时间，开发出市场急需的产品。使用PC架构的嵌入式系统的另外一个优点是节约成本，基于PC的软件和硬件的成本要远远低于传统的STD、VME以及Multibus架构的嵌入式系统。因为以上原因，各嵌入式系统厂商发现了使用PC架构的好处。但是，标准的PC板卡尺寸太大（12.4 x 4.8），底板及插槽的设计都过于笨重，这些极大地限制了PC在嵌入式控制领域的应用。因此，使用更加紧凑的PC总线，减少空间的占用，降低系统功耗，以适合嵌入式领域的应用，便成了人们关注的焦点。当然，用户希望在不抛弃PC架构软硬件资源的前提下得到这些适合嵌入式应用的特点。只有这样，才能够使得PC的软件资源、硬件资源、开发工具和系统设计知识得到充分继承和使用。PC/104正是适应这样的需求而诞生的。它提供了与PC完全兼容的硬件、软件，但却采用了超级紧凑的结构，尺寸为3.6 x 3.8的堆栈模块板。PC/104是应用于嵌入式控制领域的理想之选。二、PC/104标准的制订从ISA总线标准诞生到1991年，ISA 总线在桌面PC 中的应用已经超过了10 年。在这十年时间里，ISA 总线被证明是一种非常成熟的技术。1991年，当业界闻名的Ampro公司、RTD公司和Enclosure公司坐在一起，筹备创建国际PC/104协会的时候，他们无论如何也想不到，这次聚会对世界嵌入式PC的发展历程产生了深远而长久的影响。1992年3月，国际PC/104协会正式发布的PC/104规范提出了一种开放的嵌入式平台，该平台与IBM的PC机兼容，具有灵活的可扩展性，其小巧的尺寸非常适合嵌入式系统的应用。它采用了成熟的ISA总线技术。这一规范一经公布，即被嵌入式厂商广泛接受，受到广大用户的欢迎。由于其简洁完美的堆栈PC概念，广大嵌入式厂商对PC/104的兴趣迅速高涨，PC/104的市场也随之迅速扩张。到目前为止，在世界范围内，国际PC/104协会的会员已经超过了100家公司。PC/104 的出现，为广大嵌入式系统制造商提供了一种全新的选择，极大地拓展了他们产品设计制造的范围。PC/104首先进入了微型控制器领域，比如分布式数据采集系统、工业控制及通信节点等领域。其实，早在国际PC/104协会成立之前，在1987年就出现了世界上第一块PC/104模块，只不过当时不叫PC/104。由于这种模块固有的优点，在正式标准制订之前，已经在嵌入式领域内得到广泛应用。1992年IEEE准备着手审核提交的ISA总线标准IEEEP996，刚成立的PC/104协会也将自己制订的PC/104规范提交了IEEE，作为IEEEP996.1被采纳，称为紧凑型嵌入式PC模块。IEEEP996最终没有被IEEE通过，但ISA总线已经成为了事实上的标准，获得了广泛的应用。IEEEP996.1的命运也一样，尽管没有被IEEE通过，但也已经成了事实上的标准，在国际PC/104协会的努力下，PC/104规范后来又颁布了多个版本，指导了广大嵌入式厂商的设计生产。今天，全世界几百家公司按照PC/104规范生产制造出功能丰富多样的PC/104产品，PC/104在嵌入式控制领域获得了巨大成功。PC/104和ISA总线的区别在于：小巧的外形尺寸：3.6 x 3.8独特的自堆栈总线：取消了底板和插槽针孔式连接：可靠坚固的64针和40针针孔式插座取代了PC的金手指连接总线驱动电流减小：4mA的总线驱动电流，大大降低了功耗，典型模块板的功耗为12瓦由于PC/104的这些好处以及统一标准的制订，专注于嵌入式领域设计的厂商分享到了标准化带来的好处。更多的厂商加入到了生产PC/104产品的队伍中来。在PC/104规范正式颁布后的四年里，PC/104逐渐成为了嵌入式系统领域的宠儿。采用PC/104规范的主板，再配以微软的MS-DOS操作系统，用户就可以非常容易地实现编程和扩充标准的外围设备。目前，PC/104的应用领域仍然在不断扩张和持续增长，越来越多的用户意识到了使用PC/104的好处，即在系统设计、软件开发及面向市场的响应速度等方面带来的时间上和成本上的节约。PC/104主板已经由最初功能简单的PC-XT，发展成为高度集成的586单板电脑。现在，PC/104的硬件资源已经发展到带PIII级处理器、512M内存功能强大的单板电脑。凭借着低廉的软件开发成本，优秀的开发工具，便利的可升级性，PC/104成为了嵌入式系统开发者最喜欢的选择。三、使用PC/104的好处（一）小尺寸PC/104规范定义的板卡标准尺寸为90mm96mm（3.63.8），这样小的尺寸使得PC/104嵌入式板卡成为了嵌入式系统应用的理想产品。（二）开放的高可靠性的工业规范PC/104嵌入式板卡在电气特性和机械特性上可靠性极高，其功耗低，产生热量少。板卡与板卡之间通过堆栈进行可靠的连接，抗震能力强。全世界有超过300家公司使用这些开放的规范来生产和销售各种PC/104模块板。（三）模块可自由扩展PC/104模块具有灵活的可扩展性。它允许工程师互换及匹配各种功能模块板，增加和升级系统的功能只需通过改变相应的模块即可实现。（四）低功耗4mA的总线驱动电流，即可使模块正常工作，低功耗有利于减少元件数量。各种插卡广泛采用VLSI芯片、低功耗的ASIC芯片、门阵列等，典型模块板的功耗仅为12W。（五）堆栈式连接PC/104系统采用堆栈式结构，无需主板和插槽，通过堆栈结构将多个模块板叠加起来，从而有效减小了整个系统所占的空间。（六）丰富的软件资源与PC系统兼容的操作系统、开发工具、应用软件都可以运行在PC/104系统中。这使得用户可以随时利用无处不在的PC系统丰富的软件资源，从而降低软件购买、学习、培训等方面的成本。此外，在许多PC/104系统的设计中，大量的实时操作系统已经被成功地应用。（七）开发周期短和PC兼容的软硬件环境，广泛的客户基础，使得PC/104开发成本低，开发周期短，对市场需求的反应时间短。四、PC/104+的制订PC/104+第一次将PCI总线引进了PC/104标准。PCI总线的引入明显提高了系统的性能。PC/104+的制订是为了应付视频信号的处理以及其它大流量的设备，PC/104+同时保留了向后兼容PC/104的特性。PC/104+规范定义了一个4排30列120针，针孔间距为2mm的堆栈总线插座，该插座与104针的PC/104堆栈总线插座相对应。尽管在技术的采用上落后于桌面PC若干年，但PC/104始终跟随着桌面PC。它充分利用了商用的高度集成的CPU及芯片组。随着技术的发展，桌面PC采用了PCI总线技术，以支持速度更高的视频卡和硬盘。人们很自然会发现这样的事实，PC/104还在采用速度较慢的ISA总线。为了应付这种局面，PC/104协会理事会专门成立了一个委员会开发新的规范，以期将PCI总线技术带进PC/104规范。委员会对世界范围内30家知名公司进行了调查，对他们提供的建议进行了评估。似乎每个人都对PC/104+有一些自己的望文生义的理解。委员会对规范涉及到的连接器的类型和位置、总线信号以及与其它PCI设备的兼容性等细节问题都进行了仔细讨论。大家争论的焦点是板卡的尺寸和形状。最后，委员会认为，应该定义一种能够延续PC/104特性的规范，以免在市场上引起混乱。PC/104+这一规范最终诞生了。正如从字面意思上的理解，PC/104+是对PC/104的扩充，而不是替代。规范中定义的3.6x3.8英寸的板卡尺寸，是大家关注的焦点。如此小的尺寸，还带有2个堆栈总线插座，这给部件封装留下的空间实在非常有限。为了给部件封装留下较多空间，PC/104+规范考虑了对PC/104规范的兼容，即可以兼容只带ISA总线的PC/104模块。在进一步优化了规范的细节之后，在委员会工作组全体成员的合作下，经过PC/104协会理事会全体成员的投票表决，PC/104+规范于1997年2月正式颁布。由于有了新的规范，全世界广大嵌入式厂商可以制造出大量的高端嵌入式PC系统和外围设备，从而给系统设计者带来了另外一种新的嵌入式系统设计方案。PC/104+能够很好地与PC/104兼容，但它并不能取代PC/104，PC/104+只是为需要更高处理速度和更大流量的嵌入式应用领域提供了一条新的扩展途径。桌面PC系统在不断向多媒体、通信及大容量存储等高端应用的领域发展。而在PC/104领域，嵌入式系统设计者最需要的是小尺寸和低功耗以及软件与桌面PC兼容这样的特性。鉴于此，嵌入式PC市场将遵循它特定的发展方向。PC/104已经被广大用户证明是嵌入式领域的理想解决方案，尤其当它结合了PCI总线之后，它将如虎添翼。五、PCI-104的出现及应用PC/104通过104针的插座支持ISA总线，PC/104+通过104针和120针的两个插座分别支持ISA和PCI总线，PCI-104则去除掉了104针的ISA总线插座，只保留有120针的PCI总线插座。但南桥芯片的存在使得PCI-104的板卡上仍然能够得到ISA总线。因为PCI总线正在逐渐取代ISA总线，因此在PC/104+结构中，对于ISA的需求正在逐渐减少。PCI-104规范于2003年由国际PC/104协会颁布。最先产生的堆栈型PC是带有104针ISA堆栈总线的PC/104，之后产生的PC/104+则是在104针ISA堆栈总线的另一侧增加了120针的PCI堆栈总线。而到了PCI-104，则去掉了104针的ISA堆栈总线，这就为嵌入式系统设计者在有限的板卡区域提供了更加充足的设计空间。PCI-104是一个崭新的名词。其实，“只带PCI堆栈总线的PC/104+”这样的概念早在PC/104+出现的时候就已经存在了。国际PC/104协会技术委员会早就预见了此类板卡的发展前景，但命名的方式却极为拗口。直到PC/104协会技术委员会制定了全新的PCI-104规范，PCI-104这个新名词才第一次出现。有些人可能会认为，PCI-104的出现，将预示着ISA总线的终结。这让我们回想起，在1992年PC/104规范发布的时候，也曾有人预言，ISA总线的末日到了；到了1997年，PC/104+规范发布的时候，又有人预言，ISA总线即将消失。可是，直到现在，ISA总线不是还在存在吗！PCI-104会取代PC/104吗？也许会有这么一天。但在将来相当长的一段时间里，大多数嵌入式生产厂商仍将会继续生产PC/104和PC/104+产品，以满足广大客户的需求。但我们需要未雨绸缪，我们需要着手为将来PCI-104时代的到来做准备。让我们先来看看PCI-104技术的优点。PCI-104和PC/104+相比，前者为嵌入式系统设计者提供了更加充裕的板卡空间。对每一位嵌入式系统设计人者而言，能够在有限的板卡上拥有更多的设计空间，就可以将更多的额外功能、连接器和其它特有的技术加入到整个系统中，从而优化和升级整个系统。美国RTD公司的SPM6020HR是世界上第一块采用PCI-104技术的嵌入式模块板。该模块板采用了TI公司的第六代DSP芯片TMS320C6202，通过PCI总线可与主机通信。除了配备标准的SDRAM和串口以外，它还自带启动闪存和电源接口。这些特点使得该模块板可以在不带CPU模块板的情况下，实现独立运行。单独一块DSP模块板，无法发挥它特有的功能。它必须要和数据采集模块板结合起来，才能进行快速高效的数据采集、处理与传输。SPM6020可以通过多种方式来传输数据。其一便是通过PCI总线。许多数据采集卡和数据存储系统都支持这种传输方式。但这种方式也存在缺点，DSP模块与系统中的其它设备共享PCI总线，效率较低，因为系统中的视频卡、硬盘控制器及以太网卡等都会大量占用PCI总线，CPU与南桥芯片之间也需要通过PCI总线来交换数据。虽然在实际应用场合中能够使PCI总线饱和的情况并不多（例外的情况是视频应用领域，这也是DSP的一个重要应用领域），然而在实时的应用场合，总线的延迟时间却是极其重要的因素，甚至和总线的带宽一样至关重要。DSP需要在特定的时间内完成特定的工作量，这些工作通常包括：数据采集、数据处理、数据传输结果等。如果数据在通过PCI总线时，延迟时间过长（即便带宽满足），系统将崩溃。这种问题通常可以通过增加缓存来解决，但这种解决方法并不能从根本上解决问题。PCI总线的局限性还在于不能够脱离主机独立工作。DSP模块与CPU模块一起配合使用时，CPU模块可以为DSP模块提供PCI时钟频率和逻辑仲裁信号。如果没有CPU模块提供的这些信号，PCI总线将无法工作。另外一种传输方式是通过DSP模块上自带的串口（McBSP）。这是一种比较好的方法。DSP能够彻底发送和接受数据，即便是复杂的数据包也没有任何问题。串口通常适合于作数据传输，但配置起来却比较繁琐。任何数据采集卡上串口配置时，都需要设置采样率、选择数据通道等一系列繁琐工作。通常情况下，这些配置工作可以通过PCI总线来完成，串口只用来传输数据。至少需要配置一个独立的串口。当然，串口的数据传输率不高。DSP模块板上自带的串口，其数据传输率不到100Mbps。尽管这样的数据传输率对于大多数应用场合已经够用了，但对于视频采集领域，却显得力不从心。第三种传输方式是通过专用总线。比如SPM6020HR采用的platform总线。由于PCI-104规范的板卡上不再保留ISA堆栈总线，多出来的空间就可以用来设计这种专用数据传输总线。platform总线的数据传输率为80Mbps，这样的数据传输率对当前大多数应用场合已经足够了。将来我们也可以将其数据传输率提高到800Mbps。我们可以发现，platform总线的数据传输率小于PCI总线，但它最突出的优点在于DSP对它具有绝对的控制权，通过platform总线的数据只涉及DSP操作。这一特点使得DSP能够独立控制数据通过总线时的延迟时间和总线带宽的分配。而在PCI总线下的情况却是，每一个设备都具有平等的优先权，如果一个以太网卡对总线提出请求，而此时DSP正在从数据采集模块板获取数据，那么DSP将丢失对总线的控制权。而对platform总线来说，DSP完全可以忽略以太网卡的请求，直到完成重要的数据传输任务。Platform总线另外一个特点是，它可以脱离CPU，单独运行。Platform总线的这一特点使得DSP模块可以独立于CPU模块板单独运行。电源、时钟及其它所有信号都由DSP自身来提供。Platform总线是内存映射结构，既便于配置又便于进行高效数据传输。Platform总线的优点还在于它使用简单。开发一个与PCI总线通信的板卡通常需要设计一个PCI和局部总线之间通信的桥接器。而Platform总线其实就象一个快速的ISA总线。数据宽度可以是8位到32位。Platform总线的接口设计也十分简单，它还提供数据缓存。这些特点减少了Platform总线的开发时间和开发成本。现在，美国RTD公司已经开发出了采用Platform总线的数据采模块板。当然，Platform总线可以用于任何板卡的开发，因为它具有和ISA总线一样的简单易用性；另外，它也支持以太网卡、硬盘控制器、无线网络模块板等。六、PC/104发展概况PC/104由美国Ampro公司于1987年发明，后来随着众多生产厂商的加入，PC/104在美国及欧洲获得了大量应用，出现了众多专门从事PC/104生产制造的公司。著名的PC/104生产厂商有美国的Ampro公司、RTD公司、Diamond公司、Micro/sys公司、Octagon公司、Versalogic公司、WinSystems公司、Dynamic公司等，欧洲的有Lippert公司、Kontron公司、DigitalLogic AG公司、Eurotech公司等。PC/104的国际性组织国际PC/104协会1992年在美国成立。随着欧美PC/104市场的成熟，同时也出现了专业性的网站和杂志等。专业性网站有：、、等，专业性的杂志有由Extension Media主办的PC/104 & PC/104-Plus Embedded Resource Catalog 2005等。总地来看，欧美制造商起步早，产品种类丰富，有的制造商能够生产上百种产品，而且主要面向高端市场。PC/104在国内的发展始于最近几年，随着国外PC/104产品进入中国市场，PC/104也被广大中国用户所熟悉和认可，基于PC/104产品的生产和应用也逐渐发展起来。台湾的制造商起步比大陆稍早，生产厂家较多，产品品种也多一些。内地主要以代理欧美和台湾的品牌为主，也有个别企业目前已经拥有了自己的品牌，发展很快。内地已经有两家制造商加入了国际PC/104协会。无论是内地企业，还是台湾企业，产品主要都是面向工业应用领域。面向航空、航天、军事装备等高端领域主要还是欧美品牌的天下。七、PC/104的发展前景今天，PC/104、PC/104+、PCI-104产品已经被广泛应用于商业、工业、航空以及军事装备等领域，其在商业及商用现货领域作为嵌入式系统理想解决方案的这一主导地位，已经得到大家的一致认可。“堆栈型PC”已经被证明是一种能够广泛应用于各种场合的坚固的、可靠的及高性价比的嵌入式系统解决方案。所有这一切决定了PC/104产品的发展前景无限光明。众多厂商及广大用户对“堆栈型PC”的青睐使得PC/104产品能够方兴未艾，并且长久不衰。由于PC/104系统与传统PC系统的兼容，并且具有丰富的开发工具和软件资源，使其成了广大用户最喜欢的选择。其它的嵌入式系统规范总是试图切入PC/104的市场，然而它们与生俱来的先天不足限制了它们的广泛应用。CompactPCI是一种了不起的嵌入式标准，但却具有昂贵的连接器和背板；PMC的局限性在于它只允许一块附加插卡；其它一些采用大板卡的规范由于使用插卡式内存，对系统的可靠性带来了致命的影响。PC/104具有非常灵活的模块化配置功能。开发者可以根据自己的需求，准确选择他们所需要的功能模块，用于构建自己的系统，还可以为系统配备极其坚固的外壳。用PC/104模块构建的系统体积非常小巧，但功能却十分强