关于下一代加固计算机总线选择的分析

摘要：本文通过对目前比较成熟的几种串行总线进行对比分析，结合目前国内加固计算机的实际情况，建议将PCI Express总线作为下一代加固计算机的总线标准。

关键词：加固计算机 串行总线 PCI Express

中图分类号: TP23文献标识码：A文章编号：1007-9416(2011)08-0223-03

加固计算机具有性能稳定，可靠性高、环境适应性强等优点，在工业、医疗、交通、军事等方面有着广泛的应用。我国的加固计算机经过数十年的发展，取得了辉煌的成就，先后研制出了几代加固计算机系统，分别采用了MB、ISA、PCI（CPCI）等总线。但随着计算机技术的不断发展和用户需求的不断提高，设计新一代加固计算机系统便显得越发重要。本文从硬件设计的角度出发，对下一代计算机系统总线的选择作了一点浅显的分析，并提出了一点建议。

1、计算机总线的定义及并行总线的缺陷

计算机总线是指一组进行互连和传输信息（指令、数据和地址）的信号线。按照层次结构可以分为局部总线、系统总线（又称板级总线，如ISA和PCI总线）和通信总线（又可称为接口，如RS232、USB等）。本文所讨论的，主要是作为计算机系统内各功能模块间信息与命令传输通道的系统总线。

目前加固计算机所采用的主要是ISA和PCI总线，作为两种经典的总线系统，它们分别是第一代和第二代计算机总线的代表。但作为并行总线，它们有其自身无法克服的缺陷。以PCI总线为例，总线上单个设备的故障便会导致整个系统平台的崩溃；数据线的数量太多，严重的制约了总线频率的提升，进而限制了带宽；共享式的总线形式降低了设备间信息传输的效率与实时性。另外值得一提的是，PCI总线众多的控制与数据线占用了大量的印制板空间，不仅提高了设计难度，更增加了产品成本。

2、目前比较成熟的几种串行总线

为了克服并行总线的缺点，各大计算机厂商与组织争相开发下一代计算机总线——串行总线，目前比较有代表性的有以下四种：

2.1 PCI Express总线

PCI Express总线由Intel公司于2001年公布，原称第三代I/O总线，2002年由PCI-SIG更名为PCI Express。它采用点对点的串行互联方式，使用LVDS信号，8B/10B数据编码形式，每个通道由两对收发差分信号线组成，可构成x1、x2、x4、x8、x12、x16、x32的多通道连接，目前较为成熟的2.0版本规范中定义了其传输频率为5Gbps，3.0版本规范目前也基本确定，x32通道的数据传输速率高达320Gbps。

2.2 Hyper Transport总线

Hyper Transport总线是AMD公司推出的，1999年发布时称为“闪电数据传输”(lightning data transport)，2001年正式确定为本名称。主要作为内存控制器等连接传输，应用于ADM芯片的PC、服务器、工作站、网络转换器和嵌入式应用设备。由数据线、控制信号、时钟信号组成双点单线链路，标准总线宽度为2、4、8、16和32位。采用LVDS信号，电压为1.2V。在2006年发布3.0版本中，其频率为1.8GHz、2.0GHz、2.4GHz、2.6GHz四种。目前主要用于AMD公司的处理器平台，除了连接各种设备板卡外，还用以连接协处理器、桥芯片，并率先推出了机外线缆连接规范，彻底打破了传统的三层总线架构。在高性能服务器、数据处理中心方面也有着广阔的应用前景。

2.3 Rapid IO总线

Rapid IO总线最初是为信号处理设备开发的，1997年Motorola成立行业协会开始制定，于2001年完成。2003年被IEC授权为背板串行总线。被认为是面向嵌入式应用的总线，主要应用在网络接入和路由、DSP、电信、无线通信存储、局域网等领域。Rapid IO总线同样采用LVDS差分接收/发送信号，频率分别为1.25GHz、2.5GHz和3.15GHz，可以实现芯片互连，也很容易实现板级和系统级互连。

2.4 Infini Band总线

Infini Band总线是由Intel的下一代总线(NGIO)和IBM的将来总线(FIO)合并而成，于2000年发布。最初设计面向服务器，用电缆连接机箱设计，现在已对芯片连接作了定义，是基于通道构造(Channel Based Fabric)实现对等操作(Peer-to-Peer)，能进行多CPU和多设备互连，目前主要用于服务器、集群计算和存储局域网，不过现在一般被认为是PCI Express的补充。采用LVDS差分接收/发送信号，传输频率为2.5 Gbps，可构成x1、x4、x12的多通道连接。

通过分析上述几种串行总线（Rapid IO总线也有并行形式的定义形式）我们可以了解到，它们大都采用LVDS差分接收/发送信号，具有极快的数据传输速率，可以根据需要灵活的进行不同通道数的配置，既保证了数据传输的速度，又能合理降低功耗。总线上各设备间通过“交换中心”进行“点对点”数据传输，确保了数据传输的实时性。另外，除了连接各种设备板卡外，还可以作为处理器、协处理器、桥芯片间的连接总线使用，有的总线还推出了机外线缆连接规范，这彻底改变了以往的总线形式，为计算机总线的发展翻开了新的一页。

3、下一代加固计算机总线的选择

根据目前我国加固计算机行业的现状，下一代加固计算机总线应满足以下几点要求：(1)具有广阔的市场前景，得到众多计算机硬件、软件厂商的支持，成为主流的下一代串行总线。(2)已经或者能够被采纳为工业和军工总线标准。(3)在新的总线平台内，能够合理的兼容目前加固计算机中广泛使用的PCI总线板卡。

比较前面介绍的四种串行总线，PCI Express最初定位就是代替PCI总线，并解决芯片间连接不足，得到了包括Intel、AMD、DELL、IBM在内的20多家业界主导公司的支持，已被业界所公认。Hyper Transport总线目前只在AMD公司的产品中使用，虽然有一定的技术优势，但影响较小。Rapid IO最初定位于嵌入式计算机，在PowerPC等嵌入式产品中应用较为广泛。Infini band 主要是定位于服务器、集群计算等。因此可以看出，虽然市场会存在几种串行总线并存的情况，但PCI Express已经成为公认的下一代串行总线的主流标准。

2005年，PCIMG组织推出了名为CompactPCI Express的EXP.0标准，将PCI Express总线定义为下一代工业串行总线标准。在AdvancedTCA标准中，也采纳了PCI Express总线。并且，针对PCI Express总线的各种工业标准也正在完善中。

由于目前大部分加固计算机中采用的都是PCI总线的板卡，因此下一代总线计算机平台必须能够较好的兼容PCI总线产品，新的串行总线和PCI总线必须能够做到有机的并存。而在这一点上，PCI Express总线有着先天的优势，PCI Express本身就是为了替代PCI总线而设计的，作为总线标准主要制定者的Intel公司，在自己设计的“迅驰”平台中，其南桥芯片（ICH）更是同时支持PCI Express和PCI总线。并且PCI Express可以方便的通过桥芯片转接成PCI总线，原先的硬件和软件设计可以做到无缝移植。在PCIMG EXP.0标准中，专门定义了“混合型（Hybrid）”和“继承型（Legacy）”板卡，很好的做到了PCI Express和PCI设备的兼容。

综上所述，PCI Express总线符合下一代加固计算机的各项需求，非常适合作为下一代加固计算机的总线标准。

4、关于PCI Express总线加固计算机架构的建议

目前关于PCI Express总线加固计算机的架构，行业内尚未形成统一的规范，但综合分析各行业组织的研究成果，PCIMG EXP.0标准应该是一个较好的选择。PCIMG EXP.0标准PCIMG 组织制定的PCI Express总线工业标准，在标准中对PCI Express的机械和电气接口进行了详细的介绍，并对如何兼容PCI板卡进行了详细的描述，下面对PCIMG EXP.0标准中的各种模块与配置进行简要介绍，也许能为我国下一代加固计算机总线平台的设计带来一些启发。

4.1 连接器

PCIMG EXP.0标准中共定义了五种连接器，分别是：

4.1.1 HM连接器 （继承型连接器）

HM连接器同PCIMG2.0(CompactPCI)标准中定义的CPCI连接器完全相同，也分为带KEY键和不带KEY键两种，是PCIMG EXP.0标准中专门向后兼容CPCI标准而定义的，因此被称之为继承型连接器。

4.1.2 ADF连接器（高速差分信号交换连接器）

ADF连接器全称High-speed Advanced Differential Fabric Connectors，主要用于传输PCI Express信号，因此连接器设计较为特别，信号引脚成对排列，并且在每对信号线外侧有一个L型的屏蔽罩，以保证每对差分信号间互不干扰。为高速信号的传输提供了可靠的保障。

4.1.3 UPM连接器（模块电源连接器）

UPM是系统内功能模块的电源连接器，分为7芯和5芯两种。其中7芯连接器是为系统模块和类型1外设模块设计的，5芯连接器是为交换模块设计的。

4.1.4 eHM连接器（接口信号连接器）

eHM是一个有着5行、8列引脚的连接器，该连接器可用于系统模块、类型1外设模块和类型2外设模块，主要用于传输用户的I/O接口信号，还可为类型2外设模块提供电源接口。

4.1.5 电源连接器（电源模块连接器）

电源连接器是系统内电源模块专用的47芯连接器，同PICMG 2.11规范中定义的一样。

4.2 模块

同PCIMG2.0(CompactPCI)标准类似，系统内的模块可分为3U和6U两种，除电源模块外，还包括6种模块，分别是：

4.2.1 系统模块

系统模块作为整个平台的主控模块，可以提供两路或四路PCI Express信号接口，其接插件包括7芯UPM连接器、ADF连接器、eHM连接器。3U的系统模块示意图如图1所示。

图1 3U系统模块示意图

4.2.2 类型1外设模块

类型1外设模块的接口形式和系统模块完全相同，只是作为设备模块使用。

4.2.3 类型2外设模块

类型2外设模块同样是设备模块，3U模块的其示意图如图2所示，与类型1外设模块相比，只是少了一个ADF连接器和一个7芯UPM连接器。

图2 3U类型2模块示意图

4.2.4 混合型外设模块

严格的讲，在系统中只存在“混合型外设插槽”，插槽自下而上分别由带KEY键的HM连接器、ADF连接器、eHM连接器插座构成。这是一个非常灵活的插槽，CPCI、PCI Express总线和用户I/O接口信号同时存在于一个插槽上，用户可以根据需要灵活的对模块上的插头进行组合，在使用时将会非常方便。

4.2.5 继承型模块

继承型模块的定义与PCIMG2.0(CompactPCI)标准完全一致。

4.2.6 交换模块

交换模块主要作为其余模块上PCI Express信号的交换、传输中心使用，作为整个系统的总线控制与连接中心。其3U模块的示意图如图3所示。

图3 3U交换模块示意图

在上述模块中，系统模块、类型1外设模块、类型2外设模块、混合型外设模块、继承型模块的6U模块，都是在3U模块的基础上，按照PCIMG2.0 (CompactPCI)标准增加相应的接插件。6U交换模块是在3U模块的基础上在后面增加5个ADF连接器。

4.3 系统平台的搭建

图4是一个PCIMG EXP.0规范推荐的3U系统平台的示意图。

图4 3U系统平台示意图

通过图4可以看出，在PCIMG EXP.0定义的系统平台中，PCI Express总线和CPCI总线可以近乎完美的共存，既发挥了PCI Express总线的高性能，又能充分兼容CPCI总线设备。

在PCIMG EXP.0规范中，并未对PCI Express转PCI总线电路的实现位置作出明确的定义，而这一功能是下一代加固总线计算机不可或缺的。为了解决这一问题，可以采取以下措施。

(1)对于使用6U模块的系统平台，PCI Express转PCI总线电路可以在系统板卡中实现，PCI总线可以从系统模块的J4插头引出。(2)对于使用3U模块的系统平台，可以增加一块混合型外设模块，充分利用混合型模块接插件灵活的特性，在该模块上实现PCI Express转PCI功能。

5、结语

PCI Express总线自身具有传输速率高、连接灵活等优势，同时得到了众多软硬件厂商的支持，已经成为公认的下一代串行总线的主流标准。并且由于PCI Express总线能够很好的与目前加固计算机中广泛使用的PCI总线模块兼容，同时根据PCIMG EXP.0标准的定义，PCI Express和PCI总线模块也能够在同一个系统中有机的并存，这样便使其非常适合作为下一代加固计算机的总线标准。

参考文献

[1]CompactPCI Express PICMG EXP.0 R1.0 Specification.PCI INDUSTRIAL COMPUTERS.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

推荐访问： 加固 总线 选择 计算机 分析

---