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嵌入式标准板卡规范如此“多娇” 嵌入式随需发展

导读:后PC时代,嵌入式系统的发展风起云涌,波澜壮阔。在这一历史洪流中,众多的嵌入式系统规范争奇斗艳,各种嵌入式板卡令人眼花缭乱。伴随着极大量标准软硬件产品的支持,嵌入式PC架构产品的应用已远远超出了台式机范畴。那么,嵌入式系统的规范究竟经历了怎样的发展呢?

  PC/104规范

  自90年代以来,PC总线成为最为普及的总线标准之一,其应用已从台式个人计算机扩展到工业控制、仪器仪表等领域。采用PC总线标准进行的系统的开发虽然可以获得大量的软件支持,但存在体积庞大、功耗高等缺点。

  在嵌入式微机的应用中,由于标准PC、PC/AT 主板和扩充卡的巨大尺寸而受到了限制。为了给紧凑型的ISA(PC、PC/AT)总线结构提供机械和电气规范,一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线“PC/104”于1992年应运而生。 其小型化的尺寸(90x96mm)、极低的功耗(典型模块为1-2瓦)和堆栈的总线形式(决定了其高可靠性),受到了众多从事嵌入式产品生产厂商的欢迎。PC/104在嵌入式系统领域逐渐流行开来,被大量用于车载系统、机载设备、电力控制、医疗仪器、智能交通、通讯设备、视频监控、军用电子装备等领域。发展至今,PC/104嵌入式计算机衍生出PC/104(ISA)、PC/104+(ISA+PCI)和PCI-104(PCI)三个相关标准。

  其实,早在PC/104规范诞生之前,1987年就产生了世界上第一块PC/104板卡,由于其固有的优点,在国际上制订统一的规范之前,一直有许多厂商在生产类似的嵌入式板卡。到了1992年,由业界著名的RTD公司和AMPRO公司等12家从事嵌入式系统开发的厂商发起,组建了国际PC/104协会,得到了全世界众多厂商纷纷响应,从此PC/104技术的发展走上了康庄大道。

  EPIC规范

  随着嵌入式系统的发展和市场多样化的需求,PC/104规范已经无法全面满足用户的需求。作为对PC104标准的补充,由WinSystems、VersaLogic、Octagon Systems、Micro/sys以及Ampro CorporaTIon等多家公司发起。EPIC规范为PC/104嵌入式板卡制造商提供了又一个优秀的平台。

  EPIC规范(Embedded Platform for Industrial Computing Specification)的尺寸为4.5” x 6.5” ,大于PC/104规范的尺寸3.6” x 3.8”,小于EBX规范的尺寸5.75” x 8.0”。 EPIC(Embedded Platform for Industrial Computing)是一种标准的、开放的、可扩展的嵌入式单板计算机。规格为115x165mm,完全支持PC/104、PC/104+及PCI-104标准产品。

  2005年1月,EPIC规范被PC/104协会正式接管。据悉,该协会曾于2004年4月正式接管了EBX规范,一直在板卡预留PC/104接口的EBX规范从此融入了PC/104家族。自此, EPIC和PC/104标准共存,在继续保持紧凑结构的同时,满足嵌入式控制应用的不同需求。

  SOM规范

  早期的嵌入式单板强调的是高度集成的全功能解决方案,在有限大小的空间里实现计算机所必要的所有功能,以便符合设备商的需要,他们可以根据自己的产品选择合适大小及功能的板卡,搭配功能模块及应用软件形成最终的产品。嵌入式厂商称之为“All-In-One Solution”,即全功能板卡。这种平台基本满足应用的需要。

  但是随着嵌入式计算机的发展,众多行业需要嵌入式的解决方案,更多的应用产生出来,可以说嵌入式无处不在。嵌入式单板只是平台,不是最终产品,需要二次开发、需要增加系统功能模块,需要特殊的设计满足功能需要,更有部分应用由于种种问题需要将附加功能模块直接集成到单板上来,规范需要重新设计、产品设计周期长等等问题。嵌入式厂家想到了解决的办法—SOM,即将核心的计算机平台模块化,提供统一标准化的信号及结构接口,在底板上实现功能接口及特殊设计。设备厂商只需要专注于自己的核心模块开发,不用再为多样的应用,繁多的功能需求发愁,要做的只是提供标准的计算机模块。

  当这种模块化的作法,逐渐成为工业、嵌入式计算机厂商客户的通用作业流程后,标准规范的制定就成为必要系统80% 的功能都集成在SOM。SOM的产生带来了极大的市场冲击,降低成本、降低开发费用、快速上市、设计灵活,高度符合客户需求、能够一次设计、多次升级,解决了客户的痛苦。目前,SOM共有4个标准—SOM 144, SOM-ETX, SOM-XTX, SOM-EXPRESS。

  ETX规范

  计算机领域技术的革新和嵌入式技术的发展,使得处于垄断地位的PC/104在实际应用中出现了诸如整板的无线缆设计、相对更高的计算性能、更加丰富的扩展接口、良好的散热设计理念以及更高的集成度等瓶颈。为了解决这些瓶颈,适应未来技术发展趋势和市场需求, 2000年,控创首次推出了ETX(Embedded Technology eXtended)规范和相关产品。

  由于该规范从发布伊始就对所有厂家和用户开放,所以成功取代了过去8年间嵌入式计算机领域的主流规范PC/104规范。ETX成为嵌入式计算领域“片上计算机模块”的代名词,市场也接受了“芯片PC”的概念。

  ETX是一种工业SOM(模块系统)应用的新标准,是嵌入式控制领域近年来得到推广应用的标准之一。ETX模块包括两个部分:一个是ETX CPU模块,另一个是ETX自定义载板。ETX外形尺寸为114mm x 95mm,集成了声卡、LVDS显示、网口、USB和标准I/O功能的CPU子系统。而千变万化的接口部分和客户特殊功能扩展则设计在任意形状尺寸的载板上,ETX模块通过4个100pin的高密度连接器与客户载板连接。这样的设计使得其扩展更加灵活,系统升级也轻而易举,并且最大限度地减少线缆连接。

  COM Express规范

  从PC技术发展史来看,新技术不断更替旧技术成为一种长期演变的规律和趋势。相比前几种规范,尽管ETX规范拥有很出色的优点,但是仍然无法忽略周边规范与新兴的接口的不同。SDVO、LPC、、SATA、PCI Express等都不在ETX的规范中。于是控创和英特尔联合PICMG协会发起,在2005年推出了新的规范COM Express,延伸了ETX现有规范,成为新一代的模块化系统标准。该规范充分考虑了未来处理器的发展方向,其公开性、普及性和前瞻性都上了一个台阶。

  与PCI/104设计概念不同,为寻得省空间与高性能需求间取得平衡,COM Express采用的是板卡与载板配对的方式架构整套系统,加入了过去ETX所缺的SDVO、PCI Express等规范。该规范定义了主板尺寸,有Indexed Form Factor 155mm × 100mm与基本型Basic Form Factor 125mm × 95mm尺寸,连接器的物理外观统一为ROW AB/CD和2种,端子设计都是采220端子规划。目前,该规范还有一加强版本,COM Express Extension。

  值得一提的是,在COM Express发布之后,Ampro联合研华推出了一个介于ETX和COM Express之间的过渡性规范XTX,初衷是针对已经在使用ETX的用户,尤其是不需要用到ISA总线的用户,可以用到PCI express、SATA等新技术,是临时的解决方案。这个规范与ETX的主要区别是将用于路由ISA总线的X2连接器重新定义为一些高频信号,其技术特点没有COM Express丰富和先进,有其应用的需求,但没有足够的产品可供选择,并不具备前瞻性。

  Em-ITX规范

  目前市场上常见的版型结构有WTX、PC-104、AT、Baby-AT、ATX、Micro ATX、EBX、NLX、EPIC、EATX、WATX等。这些规范各具特点,但在排线、散热、扩展等方面存在一些问题。而轻薄、排线合理,而且散热性能优秀的主板对于一些行业应用十分必要,例如工业、医疗、车载系统等。

  针对以上板型存在的问题,以及数字广告牌、信息查询终端及其它有超薄嵌入式设备需求,2009年3月,作为在低功耗X86平台的领导者,威盛电子推出了Em-ITX规范。该规范不但能减少传统计算机架构中因体积庞大与排线过多而造成的整线困难、系统内部散热不良,和排线维护不易等问题;同时又能够容纳更多的应用功能接口。

  Em-ITX 是首款采用双 I/O 海岸线(Coastline)设计的全新板型,适用于开发通用型可升级的超薄嵌入式设备。Em-ITX 比EBX 与Mini-ITX 的总面积减小了30%,提供了用户高可靠性、高集成度的规范,它将成为未来超轻薄嵌入式设备的产品规范。

  回顾嵌入式系统规范的发展道路,我们不难看到,嵌入式技术将会是社会发展的一种需求。信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机,为嵌入式市场展现了美好的前景,同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。嵌入式系统正朝着人性化、网络化、超低功耗、高集成度等方向发展。工程师们只有通过不断地创新、整合新技术才能开发出适应市场不同的需求产品。


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