工业计算机发展概述.doc

工业控制计算机总线体系结构及发展趋势 (一)工业计算机产业迅猛发展 工业计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义上，工业计算机主要用于工业生产过程的测量、控制和管理，但今天的内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制，而是应用在国民经济发展和国防建设的各个领域。 随着近年来无线网络技术、信息家电、汽车、以及医疗等行业的蓬勃发展，从而使得原本鲜为人知的工业计算机如今正发生着翻天覆地的变化，由于在以上这些行业中工业计算机正越来越多的扮演着十分重要的角色，这便使得工业计算机产品在未来行业市场上的需求和发展也变得更加旺盛而迅猛! 工业计算机的广泛应用已经渗入到我们日常生活的各个方面，已由智能建筑、交通智能、车载计算机、医疗仪器等工业领域扩展到无线基础设施、网络应用设备、网络安全、多媒体应用、金融服务等网络通信与数字多媒体相关的领域。 3C融合、三网融合、企业信息化加速进行，无论是信息产业基础设备、还是企业计算市场，对工业计算机的需求从来都未像今天这般为IT业所重视。工业计算机已经成为信息产业基础设备的核心，包括移动计算平台、通讯计算平台、车载计算平台、工业控制、商业控制、电子商务平台和信息家电，还可应用于与Internet相联接的接入设备。 从软交换机到即插即用的通信服务器，工业计算机将成为一个与信息网络融为一体、以人为中心的随时随地的服务平台。各种各样的工业计算机技术将无处不在，它们将通过多样化网络通信方式(无线或有线，个人网或家庭网，短或长距离)，无缝地集成在一个信息网络里，随时随地为人们提供所需要的丰富多彩的服务，而又不为人所察觉。 新的工业计算机体系结构有更强的交互和互操作性，同时也是多种信息系统的融合平台。最后，工业计算机将朝着创建一个开放、标准化平台的方向发展。 (二) 中国工业计算机产业发展历程 1、STD总线技术开创了低成本工业自动化技术的先河 工业计算机起源于20世纪80年代初期，其标志性产品是STD总线工业计算机。STD总线最早是由美国Pro-Log公司和Mostek公司作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，随后发展成16位总线，后被国际标准化组织吸收，成为IEEE961标准。1991年，由信息产业部电子六所牵头成立了中国计算机行业协会STDMG/P.R.C分会，在国内推广普及STD总线。 STD总线技术是机笼式安装结构，具有标准化、开放式、模块化、组合化、尺寸小、成本低等特点，并且设计、开发、调试简单，得到了当时急需用廉价而可靠的计算机来改造和提升传统产业的中小企业的广泛欢迎和采用，国内的总安装容量接近20万套，在中国工业计算机发展史上留下了辉煌的一页。实践证明：可靠而国产化的工业计算机适合中国国情。 开放标准造就了一个PC-based系统时代 1981年8月12日IBM公司正式推出了开放架构IBM PC机，震动了世界，也获得了极大成功。随后PC机借助于规模化的硬件资源、丰富的商业化软件资源和普及化的人才资源，于80年代末期开始进军工业计算机市场。美国著名杂志控制工程在当时就预测90年代是IPC工业计算机的时代，全世界近65%的工业计算机将使用IPC，并继续以每年21%的速度增长。历史的发展已经证明了这个论断的正确性。 从1997年开始，我国的工业计算机厂商开始进入IPC市场，促使IPC的价格不断降低，也使工业计算机的应用水平和应用行业发生极大变化，应用范围不断扩大，IPC的应用从传统工业控制向数据通信、电信等对可靠性要求较高的行业延伸。目前，中国IPC大小品牌约有15个左右，主要有研华、凌华、研祥、华北工控等。值得一提的是，IPC开创了一个崭新的PC-based时代，拉开了工业自动化和信息化技术走向开放平台的序幕。 迅速发展和普及的工业计算机 随着信息技术的快速发展，通信和计算的融合是大势所趋。计算机与通信技术的发展使独立的业务应用逐步融合为更易使用的、集成的业务应用，同时融合带来了一个新的契机，它必须是一个兼容并蓄的通用平台，在这样的基础之上有一个特点，就是一定要有一个开放的标准架构。这对工业计算机提出了更高的要求。 由于IPC结构和金手指连接器的限制，使其难以从根本上解决散热和高可用性问题，1997年国际PICMG(PCI工业计算机制造者组织)发布了新一代工业计算机技术CPCI，即PICMG2.0标准。为了在国内更好的推广新技术，1998年STDMG/P.R.C分会正式更名为PICMG/P.R.C分会，并成为国际PICMG组织的执行会员。如果说STD总线工业计算机解决了当时工业计算机的有无问题;IPC解决了低成本和PC兼容性问题;那么CPCI技术解决的是可靠性和可维护性问题。CPCI是PCI总线的电气和软件加上欧洲卡，它具有在不关闭系统的情况下的即插即用功能，该功能的实现对高可用系统和容错系统非常重要，2004年度科技部科技型中小企业技术创新基金项目指南中的这段话，概括出了CPCI技术的主要特点和重要性。 进入21世纪，工业计算机技术更是无处不在，它带来的是一个充满联网设备的世界。融合通信最大的设备挑战是可用性和功能开发缓慢等不利因素。提供全IP功能的通用平台可以支持业务差异化，整合内容和业务支撑系统，将复杂的网络简单化，提供最佳用户体验。为此，2001年PICMG将以太网包交换背板总线引入到CPCI标准中，为电信语音增值服务设备和基于以太网的工业自动化系统提供了新的技术平台。 2002年，PICMG颁布了面向电信的新标准AdvancedTCA，简称ATCA。ATCA比CPCI有更大的规格和容量、更高的背板带宽、对板卡更严格的管理和控制能力、更高的供电能力以及更强的制冷能力等。主要是为了解决电信系统目前主要面临的系统带宽问题、高可用性问题、现场升级问题、可伸缩性问题、可管理性问题以及可互操作问题，并最终降低成本。目前通信和计算机领域都在向开放标准演进，而ATCA的诞生恰恰赶上了信息产业链变革的机遇。 随着工业计算机应用的日益广泛，市场细分成为大多数厂商的共同战略，也使工业计算机技术进一步细分，流行的开放规格繁多，主要包括：PCI-ISA、SHB、CPCI/PXI、ATCA/MTCA、VME/VPX、PC 104/Plus、PMC、AMC、COM E、ETX;母板类包括ATX、Micro ATX、BTX、DTX、Mini ITX、EPIC、3寸板、5寸板等。2.工业控制计算机技术的总线进展2.1昨日黄花std总线 在上个世纪80年代风靡全国的std总线工业控制计算机技术已经彻底淘汰。ipc工控机已经演变成纯粹的pci总线工控机，isa总线已经从ipc中消失。 2.2方兴未艾pci总线 上个世纪90年代末期pci总线开始流行，当时isa总线还处于强势状态，虽然国内外的业界专家都预言isa总线将很快淘汰，但为了既能充分利用现有isa总线的资源，又能跟上新技术的发展，ipc中采用了isa总线和pci总线共存的折中技术方案。应该说这种技术路线是现实的，也是有效的，也为ipc的持续发展发挥了积极的作用。目前，随着pci总线技术的成熟和普及，以及硬件、软件和人才资源的不断丰富，pci总线在ipc中已经完全取代了isa总线。现阶段，ipc仍然是可靠性、安全性要求不很严格的低成本测控系统解决方案的重要选择项，特别是管理自动化和管理信息化层的应用。曾几何时，企业为了降低成本，将品牌pc机取代ipc作为测控系统的主机或管理机使用，但其长期运行的不稳定性也让企业付出了巨大的代价。 2.3你中有我嵌入式pc/104总线嵌入式的pc/104总线虽然仍然保持着isa总线和pci总线并存的状态，但已经向pci/104和pciexpress迅速发展。pc/104工业控制计算机已经问世近15个年头，目前仍然在工业和国防测量、控制领域对体积和功耗有严格限制的应用领域保持着持久的地位和发展态势。pc/104总线的第一个发展趋势就是去掉pc/104-plus标准中的isa总线部分，仅保留pci总线部分，为嵌入式板卡的设计提供更大的空间2，期标准为pci-104specificationversion1.0。pci-104使主流的pci总线技术在小规格、高可靠的嵌入式计算机上得以实现和继续发展。pc/104总线的第二个发展趋势就是兼容pciexpress技术，新标准正在制定，最有可能的结果就是pci-104和pciexpress总线共存在一块板卡上，形成扩展的总线标准pcie-104，而板卡尺寸还维持不变2。pc/104总线、pc/104-plus以及pci-104总线技术的应用平台为epic（embeddedplatformforindustrialcomputing），符合2006年2月颁布的标准epicspecificationversion2.0。epic平台可以通过pc/104总线、pc/104-plus以及pci-104总线模板扩展i/o功能，并为采用高性能的cpu、存储器技术以及散热设计留有足够的空间，可以快速集成面向特定应用的嵌入式系统，缩短开发时间，节省费用。2.4国防可靠vme总线 vme总线工控机技术凭借多主和实时的优势在一定范围内仍然继续发挥着作用。伴随着微处理器技术和通信技术的进步，vme总线技术从诞生开始就一直处于不断的发展之中，并取得了成功。从vme16的20mb/s、vme32的40mb/s、vme64和vme64x的80mb/s，发展到了320mb/s。vme总线目前发展的最新动向是发展vpx和vpx-redi标准。这两个标准吸收compactpci总线的串行交换机制技术（switchedserialfabrics），大幅度提高vme总线的数据吞吐量，提高系统的冗余设计能力，同时通过桥接技术继续保持着与传统的vme总线技术的兼容4。虽然vme总线还在发展，但是必须认识到vme总线技术太老了，已经走下坡路了，除了在对实时性和可用性要求较高的国防领域还占据一定优势外，新的工业自动化项目几乎不可能再被采用了。 2.5补充融合compactpci/pxiexpress总线 compactpci和pxi总线相互补充和融合奠定了新一代主流工控机不可动摇的地位。 compactpci总线技术从1997年诞生到今年已经经历了20年的发展。20年来，高可靠、模块化、高性能和低价位的compactpci总线嵌入式计算机已经在通信、医疗器械、仪器测量、工业控制以及军事设备、航空和航天领域得到了广泛的应用。 compactpci向仪器仪表领域的扩展总线就是pxi。pxi系统联盟推出pxi总线标准的最初的目标是在测量与自动化领域中通过使用pxi规范提高基于compactpci解决方案的有效性。在保持与compactpci总线技术在结构、接插件、尺寸和信号完全兼容的基础上，pxi增加了定时和同步结构，使多个模块化i/o设备的定时特性能够实现精确的同步，大大提高了系统的测控精度和吞吐量。为了快速创建测控系统，pxi配备了可视化的、功能强大的集成开发环境软件工具，包括测试管理、测试开发和i/o驱动程序等。 根据任务需求，降低开发技术难度、降低成本，也为了充分利用现有的各种资源，用compactpci和pxii/o模块组成混合测控系统是目前客户喜欢采用的技术方案。compactpci和pxi总线相互补充和融合也促进了compactpci和pxi总线的深入普及和应用，形成了新一代测控技术，也奠定了它们作为主流工控机平台的牢固地位。 compactpci技术未来将向更快方向发展，形成侧重于i/o应用的主要平台技术compactpciexpress，并保持与compactpci总线的兼容性。compactpciexpress是通用的、高性能的、面向工业市场的未来总线系统，其串行、点到点的数据交换能力可以达到每秒4gb。除此之外，compactpciexpress的异步通信模式还具有crc校验和算法，可以实现错误自动识别和纠正。 pxi总线与pciexpress相结合形成了pxiexpress技术，带宽达到6gb/s，比pxi提高了45倍，比gpib提高了100倍。pxiexpress比pxi还增加了附加的定时和触发总线，包括100mhz差分系统时钟、差分信号、以及差分星形触发等。通过使用差分时钟和触发，pxiexpress增加了对仪器时钟的抗噪声能力，并能传输更高频率的时钟信号。 compactpci/pxiexpress技术可以满足应用越来越广泛的高速测量要求，如rf/if信号的采集、数字视频的测试、高速图像的采集等。 2.6新一代虚拟仪器总线 基于ethernet的lxi标准是目前最有发展潜力的新一代虚拟仪器总线技术。自动测试系统的建立，往往包括一台或多台仪器、主控计算机和测试软件、测试夹具以及系统总线。而系统总线就像是中枢神经系统，负责控制指令和测试数据的传送。测试系统的总线由两种技术体系实现，一种是基于网络接口技术的总线，如gpib等；一种是基于背板式互连的总线技术，如vme/vxi或cpci/pxi等。为了满足测试系统对低价格、更高带宽和更高数据传输速度的要求，测试系统总线正在向两个方向发展：一是基于网络接口技术的总线正在向基于ieee802.3和tcp/ip技术的ethernet方向发展，即lxi总线技术；二是基于背板技术的总线已经从vxi过度到cpci/pxi技术，并正在向pci/pxiexpress技术发展。“无论是相对gpib、vxi还是pxi，lxi都将是未来的总线技术发展趋势”5。lxi（lanextensionsforinstrumentation）是lxi联盟定义的一种基于工业标准ethernet技术的开放式仪表平台总线标准，用于构成模块化的、灵活的、高性能的小型或中型测试系统。通过lxi标准，将gpib扩展到lan，使pc或仪表之间的通信更加简单和廉价。lxi标准有三个重要的功能特点：一是具有基于webbrowser的人机界面接口和程序性控制框架的标准化的lan接口，lan接口的连接方式既可以是有线的，也可以是无线的；二是有三种触发方式，即lan触发方式、ieee1588精确定时协议触发方式和lxi触发总线；三是多种标准的仪表测试设备可以共存在同一个系统当中，如gpib、pxi、vxi以及基于lan接口的仪表等6。作为以太网技术在测试自动化领域的应用扩展，lxi技术正在为世界上越来越多的仪表制造商所采用。由于lxi具有gpib的易用性、pxi/vxi的性能、ethernet的灵活性和功能，所以lxi技术也是目前最受关注、最有发展潜力的下一代虚拟仪表总线技术。 2.7串行、点到点、高速互连总线技术 串行、点到点、高速互连总线技术pciexpress、advancedtca以及microtca正在蓬勃发展随着芯片和模板的密度越来越大，速度越来越快，传统的并行总线逐渐成为系统性能提高的主要瓶颈，而且问题越来越严重。与此同时，串行总线的性能也在不断地提高，这也进一步推动了计算机的共享并行总线技术向高速、独占的、点到点的串行总线技术方向转移。 (1)pciexpress总线。早在2001年的春季，intel公司就宣布要用一种新的技术取代pci总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代i/o总线技术，即3gio(3rdgenerationi/o)，也就是今天的pciexpress。(2)tca总线。自从picmg于2001年9月发布了以太网包交换背板标准（compactpcipacketswitchingbackplane/psb）picmg2.16，将串行ethernet网络在背板上实现以来，垄断背板设计多年的并行总线技术被打破，使可管理的、冗余的、点到点的、串行包交换互连总线技术（switchedserialinterconnects，也叫switchedfabrics技术）得到广泛接受。2002年12月picmg发布了基于switchedfabrics技术的更新、更快和功能更强大的开放式平台架构标准picmg3.0，即advancedtca（advancedtelecomcomputingarchitecture），简称atca；并于2005年3月又推出了advancedmezzaninecard标准，简称amc；2006年7月，picmg发布了最新的技术标准microtca（microtelecommunicationscomputingarchitecture）。atca是面向下一代运营通信设备的系列工业标准的总称，它融合了在高速互连技术，下一代微处理器技术，不断提高的可靠性、可管理性和可服务性技术等方面的最新发展成果，满足电信运营对网络设备构建系统（nebs）、欧洲电信协会标准（etsi）以及99.999%时间可用性的要求。atca还具有模板尺寸大（8u280mm6hp）、供电能力强（-48v/200w），可以热插拔（hot-swappable）以及支持多协议（ethernet、infiniband、starfabric、pciexpress、rapidio）的switchedfabrics技术等特点。在不久的将来，atca背板的信号传输速度将从现在的5gbps提高到10gbps，大幅度提升atca的数据传送能力。 amc针对atca技术定义了一种模块化的、基于lvds信号的高速串行互连接口的“女儿板”标准。将amc模块插在atca载板上可以构成特定功能的atca模板。将amc插在背板上就发展成了一种小型化、模块化、高性能的计算平台系统，这就是microtca。microtca集中了atca和amc的先进性，可以满足电信、医疗设备、工业测量和控制、军事