工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡稱“工控機(jī)”）從1983年被正式列入了中國國家計(jì)算機(jī)系列型譜及發(fā)展規(guī)劃至今，已經(jīng)走過了24年的發(fā)展歷程。在這24年里，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為低成本高可靠的自動(dòng)化解決方案有效地推動(dòng)了國家工業(yè)化和信息化的進(jìn)程。
今年，信息產(chǎn)業(yè)部和國務(wù)院全國電子信息產(chǎn)品推廣應(yīng)用辦公室也非常關(guān)注和重視“以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的節(jié)能降耗系統(tǒng)”的發(fā)展，并列入了2008年度電子發(fā)展基金項(xiàng)目
工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的總線進(jìn)展
2.1昨日黃花std總線
在上個(gè)世紀(jì)80年代風(fēng)靡全國的std總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)徹底淘汰。ipc工控機(jī)已經(jīng)演變成純粹的pci總線工控機(jī)，isa總線已經(jīng)從ipc中消失。
2.2方興未艾pci總線
上個(gè)世紀(jì)90年代末期pci總線開始流行，當(dāng)時(shí)isa總線還處于強(qiáng)勢狀態(tài)，雖然國內(nèi)外的業(yè)界專家都預(yù)言isa總線將很快淘汰，但為了既能充分利用現(xiàn)有isa總線的資源，又能跟上新技術(shù)的發(fā)展，ipc中采用了isa總線和pci總線共存的折中技術(shù)方案。應(yīng)該說這種技術(shù)路線是現(xiàn)實(shí)的，也是有效的，也為ipc的持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極的作用。目前，隨著pci總線技術(shù)的成熟和普及，以及硬件、軟件和人才資源的不斷豐富，pci總線在ipc中已經(jīng)完全取代了isa總線。現(xiàn)階段，ipc仍然是可靠性、安全性要求不很嚴(yán)格的低成本測控系統(tǒng)解決方案的重要選擇項(xiàng)，特別是管理自動(dòng)化和管理信息化層的應(yīng)用。曾幾何時(shí)，企業(yè)為了降低成本，將品牌pc機(jī)取代ipc作為測控系統(tǒng)的主機(jī)或管理機(jī)使用，但其長期運(yùn)行的不穩(wěn)定性也讓企業(yè)付出了巨大的代價(jià)。
2.3你中有我嵌入式pc/104總線嵌入式的pc/104總線雖然仍然保持著isa總線和pci總線并存的狀態(tài)，但已經(jīng)向pci/104和pciexpress迅速發(fā)展。pc/104工業(yè)控制計(jì)算機(jī)已經(jīng)問世近15個(gè)年頭，目前仍然在工業(yè)和國防測量、控制領(lǐng)域?qū)w積和功耗有嚴(yán)格限制的應(yīng)用領(lǐng)域保持著持久的地位和發(fā)展態(tài)勢。pc/104總線的第一個(gè)發(fā)展趨勢就是去掉pc/104-plus標(biāo)準(zhǔn)中的isa總線部分，僅保留pci總線部分，為嵌入式板卡的設(shè)計(jì)提供更大的空間[2]，期標(biāo)準(zhǔn)為pci-104specificationversion1.0。pci-104使主流的pci總線技術(shù)在小規(guī)格、高可靠的嵌入式計(jì)算機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)和繼續(xù)發(fā)展。pc/104總線的第二個(gè)發(fā)展趨勢就是兼容pciexpress技術(shù)，新標(biāo)準(zhǔn)正在制定，最有可能的結(jié)果就是pci-104和pciexpress總線共存在一塊板卡上，形成擴(kuò)展的總線標(biāo)準(zhǔn)pcie-104，而板卡尺寸還維持不變[2]。pc/104總線、pc/104-plus以及pci-104總線技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)為epic（embeddedplatformforindustrialcomputing），符合2006年2月頒布的標(biāo)準(zhǔn)epicspecificationversion2.0。epic平臺(tái)可以通過pc/104總線、pc/104-plus以及pci-104總線模板擴(kuò)展i/o功能，并為采用高性能的cpu、存儲(chǔ)器技術(shù)以及散熱設(shè)計(jì)留有足夠的空間，可以快速集成面向特定應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)，縮短開發(fā)時(shí)間，節(jié)省費(fèi)用[3]。
吸收pciexpress技術(shù)的新平臺(tái)是epicexpress。
2.4國防可靠vme總線
vme總線工控機(jī)技術(shù)憑借多主和實(shí)時(shí)的優(yōu)勢在一定范圍內(nèi)仍然繼續(xù)發(fā)揮著作用。伴隨著微處理器技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)步，vme總線技術(shù)從誕生開始就一直處于不斷的發(fā)展之中，并取得了成功。從vme16的20mb/s、vme32的40mb/s、vme64和vme64x的80mb/s，發(fā)展到了320mb/s。vme總線目前發(fā)展的最新動(dòng)向是發(fā)展vpx和vpx-redi標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)吸收compactpci總線的串行交換機(jī)制技術(shù)（switchedserialfabrics），大幅度提高vme總線的數(shù)據(jù)吞吐量，提高系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)能力，同時(shí)通過橋接技術(shù)繼續(xù)保持著與傳統(tǒng)的vme總線技術(shù)的兼容[4]。雖然vme總線還在發(fā)展，但是必須認(rèn)識(shí)到vme總線技術(shù)太老了，已經(jīng)走下坡路了，除了在對(duì)實(shí)時(shí)性和可用性要求較高的國防領(lǐng)域還占據(jù)一定優(yōu)勢外，新的工業(yè)自動(dòng)化項(xiàng)目幾乎不可能再被采用了。
2.5補(bǔ)充融合compactpci/pxiexpress總線
compactpci和pxi總線相互補(bǔ)充和融合奠定了新一代主流工控機(jī)不可動(dòng)搖的地位。
compactpci總線技術(shù)從1997年誕生到今年已經(jīng)經(jīng)歷了20年的發(fā)展。20年來，高可靠、模塊化、高性能和低價(jià)位的compactpci總線嵌入式計(jì)算機(jī)已經(jīng)在通信、醫(yī)療器械、儀器測量、工業(yè)控制以及軍事設(shè)備、航空和航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
compactpci向儀器儀表領(lǐng)域的擴(kuò)展總線就是pxi。pxi系統(tǒng)聯(lián)盟推出pxi總線標(biāo)準(zhǔn)的最初的目標(biāo)是在測量與自動(dòng)化領(lǐng)域中通過使用pxi規(guī)范提高基于compactpci解決方案的有效性。在保持與compactpci總線技術(shù)在結(jié)構(gòu)、接插件、尺寸和信號(hào)完全兼容的基礎(chǔ)上，pxi增加了定時(shí)和同步結(jié)構(gòu)，使多個(gè)模塊化i/o設(shè)備的定時(shí)特性能夠?qū)崿F(xiàn)精確的同步，大大提高了系統(tǒng)的測控精度和吞吐量。為了快速創(chuàng)建測控系統(tǒng)，pxi配備了可視化的、功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境軟件工具，包括測試管理、測試開發(fā)和i/o驅(qū)動(dòng)程序等[16]。
根據(jù)任務(wù)需求，降低開發(fā)技術(shù)難度、降低成本，也為了充分利用現(xiàn)有的各種資源，用compactpci和pxii/o模塊組成混合測控系統(tǒng)是目前客戶喜歡采用的技術(shù)方案。compactpci和pxi總線相互補(bǔ)充和融合也促進(jìn)了compactpci和pxi總線的深入普及和應(yīng)用，形成了新一代測控技術(shù)，也奠定了它們作為主流工控機(jī)平臺(tái)的牢固地位。
compactpci技術(shù)未來將向更快方向發(fā)展，形成側(cè)重于i/o應(yīng)用的主要平臺(tái)技術(shù)compactpciexpress，并保持與compactpci總線的兼容性。compactpciexpress是通用的、高性能的、面向工業(yè)市場的未來總線系統(tǒng)，其串行、點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換能力可以達(dá)到每秒4gb。除此之外，compactpciexpress的異步通信模式還具有crc校驗(yàn)和算法，可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤自動(dòng)識(shí)別和糾正[1]。
pxi總線與pciexpress相結(jié)合形成了pxiexpress技術(shù)，帶寬達(dá)到6gb/s，比pxi提高了45倍，比gpib提高了100倍。pxiexpress比pxi還增加了附加的定時(shí)和觸發(fā)總線，包括100mhz差分系統(tǒng)時(shí)鐘、差分信號(hào)、以及差分星形觸發(fā)等。通過使用差分時(shí)鐘和觸發(fā)，pxiexpress增加了對(duì)儀器時(shí)鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時(shí)鐘信號(hào)[17]。
compactpci/pxiexpress技術(shù)可以滿足應(yīng)用越來越廣泛的高速測量要求，如rf/if信號(hào)的采集、數(shù)字視頻的測試、高速圖像的采集等[17]。
2.6新一代虛擬儀器總線
基于ethernet的lxi標(biāo)準(zhǔn)是目前最有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮摂M儀器總線技術(shù)。自動(dòng)測試系統(tǒng)的建立，往往包括一臺(tái)或多臺(tái)儀器、主控計(jì)算機(jī)和測試軟件、測試夾具以及系統(tǒng)總線。而系統(tǒng)總線就像是中樞神經(jīng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制指令和測試數(shù)據(jù)的傳送。測試系統(tǒng)的總線由兩種技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)，一種是基于網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的總線，如gpib等；一種是基于背板式互連的總線技術(shù)，如vme/vxi或cpci/pxi等。為了滿足測試系統(tǒng)對(duì)低價(jià)格、更高帶寬和更高數(shù)據(jù)傳輸速度的要求，測試系統(tǒng)總線正在向兩個(gè)方向發(fā)展：一是基于網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的總線正在向基于ieee802.3和tcp/ip技術(shù)的ethernet方向發(fā)展，即lxi總線技術(shù)；二是基于背板技術(shù)的總線已經(jīng)從vxi過度到cpci/pxi技術(shù)，并正在向pci/pxiexpress技術(shù)發(fā)展。“無論是相對(duì)gpib、vxi還是pxi，lxi都將是未來的總線技術(shù)發(fā)展趨勢”[5]。lxi（lanextensionsforinstrumentation）是lxi聯(lián)盟定義的一種基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ethernet技術(shù)的開放式儀表平臺(tái)總線標(biāo)準(zhǔn)，用于構(gòu)成模塊化的、靈活的、高性能的小型或中型測試系統(tǒng)。通過lxi標(biāo)準(zhǔn)，將gpib擴(kuò)展到lan，使pc或儀表之間的通信更加簡單和廉價(jià)。lxi標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)重要的功能特點(diǎn)：一是具有基于webbrowser的人機(jī)界面接口和程序性控制框架的標(biāo)準(zhǔn)化的lan接口，lan接口的連接方式既可以是有線的，也可以是無線的；二是有三種觸發(fā)方式，即lan觸發(fā)方式、ieee1588精確定時(shí)協(xié)議觸發(fā)方式和lxi觸發(fā)總線；三是多種標(biāo)準(zhǔn)的儀表測試設(shè)備可以共存在同一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，如gpib、pxi、vxi以及基于lan接口的儀表等[6]。作為以太網(wǎng)技術(shù)在測試自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展，lxi技術(shù)正在為世界上越來越多的儀表制造商所采用。由于lxi具有g(shù)pib的易用性、pxi/vxi的性能、ethernet的靈活性和功能，所以lxi技術(shù)也是目前最受關(guān)注、最有發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮摂M儀表總線技術(shù)。
2.7串行、點(diǎn)到點(diǎn)、高速互連總線技術(shù)
串行、點(diǎn)到點(diǎn)、高速互連總線技術(shù)pciexpress、advancedtca以及microtca正在蓬勃發(fā)展隨著芯片和模板的密度越來越大，速度越來越快，傳統(tǒng)的并行總線逐漸成為系統(tǒng)性能提高的主要瓶頸，而且問題越來越嚴(yán)重。與此同時(shí)，串行總線的性能也在不斷地提高，這也進(jìn)一步推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的共享并行總線技術(shù)向高速、獨(dú)占的、點(diǎn)到點(diǎn)的串行總線技術(shù)方向轉(zhuǎn)移。
(1)pciexpress總線。早在2001年的春季，intel公司就宣布要用一種新的技術(shù)取代pci總線和多種芯片的內(nèi)部連接，并稱之為第三代i/o總線技術(shù)，即3gio(3rdgenerationi/o)，也就是今天的pciexpress。
中國電子商務(wù)服務(wù)聯(lián)盟成員單位 瓊ICP備