工业PC及应用讲座1

1.5 PC/104总线工业计算机
1.5 PC/104总线工业计算机
PC/104-plus Single Board Computer for Harsh Environments of Versalogic Corp.
1.5 PC/104总线工业计算机
Jaguar PC/104-plus Embedded Computer
1.5 PC/104总线工业计算机



虽然PC/104总线工控机的功耗低，但其驱动能力弱 （4mA），其扩展能力和维护性也受到限制，使其在 工业过程控制和自动化领域的应用范围受到局限。 为了兼容PCI总线技术，1997年2月PC/104总线联合会 推出了PC/104-Plus规范1.0版，在PC/104规范3.2版的 基础上，增加了30x4根信号线的J2插座，支持PCI局 部总线规范2.1版。 今天，许多单板计算机（SBC）都设计有PC/104总线 接口，以便通过PC/104总线丰富的I/O模块扩展功能， 满足不同的嵌入式应用要求。
工业PC及应用讲座
第一部分 工业控制计算机概述
刘 鑫
研究员
国家工业控制机及系统工程技术研究中心
1 工业计算机的发展与回顾
1.1 引言 我国工业计算机技术的发展，主要经历了 STD总线、 PC/104总线、PCI/ISA总线、VME总线、AT96总线到 CompactPCI总线，期间大约用了十五年的时间。由于 Compact PCI总线标准结合了VME的高性能、扩展性和可 靠性以及PCI总线标准的开放性、经济有效和灵活性，所 以发展极为迅速，目前已经有取代VME以及STD工业标 准，成为工业界的新一代主流标准的趋势。早在1999年， 国家就将研制具有自主知识产权的CompactPCI总线工控 机系统作为了重点和优先发展的目标之一。
1.3 VME总线工业计算机
Motorola PowerPC VMEbus Single Board Computer
of Motorola Computer Group
1.3 VME总线工业计算机
Low Power Pentium III Single Slot VME Processor Board of Concurrent Technologies
1.7 ISA/PCI总线IPC工业计算机
虽然加固型工控机对基于大母板的桌面机进行了工业化改 造，但其背板技术仍然存在许多缺点：不良的热设计、不 良的连接方式、不标准的模板尺寸和有限的PCI插槽数（最 大4个）等。虽然可维护性和可靠性得到了改进，但仍然不 能满足工业控制要求。目前PCI/ISA工控机主要做控制系统 的检测和管理机使用。
1.3 VME总线工业计算机


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总线工控机是实时控制平台，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。
工业计算机的发展趋势
VXI VME PXI 量测领域
CompactPCI ® ISA PICMG PC/104 PC/104+
现场应用
1 工业计算机的发展与回顾
据统计，市场上每年销售大约30亿颗嵌入式CPU，其中绝 大部分是8位和16位的CPU。与此同时，嵌入式工业控制机 的市场也在迅速增长。嵌入式工控机是嵌入在工业系统内 部，在工业极端环境里能够连续长期稳定可靠工作的工业 型计算机。随着Intel CPU和Microsoft DOS/WINDOWS架 构演变成事实上的标准，ISA/PCI总线加固型工业PC （IPC）开始向工业领域渗透。 IPC虽然经过了工业化改 造（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），但其本质上仍然不是工业型PC，不能从根本上解决 大母板水平放置、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，难以满足工业控制任务的苛刻要求。
1 工业计算机的发展与回顾
1.2 STD总线工业计算机 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IEEE961。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(4.5英寸x 6.5英寸)、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。
1.3 VME总线工业计算机
1GHz Motorola MPC7455 PowerPC VME64 Processor
Board of Motorola Computer Group
1.4 AT96总线工业计算机

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。
1.3 VME总线工业计算机


1987年VXI总线联合会成立，其目标是定义板级仪器标 准 ， 即 VME 扩 展 仪 器 仪 表 总 线 。 VXI 总 线 工 控 机 以 VME总线为内核，将欧洲卡尺寸扩展为四种：VXI A （3.9 inch x 6.3 inch）、VXI B（9.2 inch x 6.3 inch）、 VXI C（9.2 inch x 13.4 inch）及VXI D（14.4 inch x 13.4 inch），其中现在最常用的是VXI C规格。 1993年，VXI规范被采纳为国际标准IEEE 1155。VXI 总线工控机规定的操作系统类型有DOS、WINDOW 3.1、 WINDOWS 95、WINDOWS NT、Solaris 1和2、HPUX、MacOS以及SCO Unix。
Of Versalogic Corp.
1.5 PC/104总线工业计算机
1.7 ISA/PCI总线IPC工业计算机
现在工业控制机已经发生了很大的变化，过去专用的封 闭式的架构迅速被PC技术的开放式架构所取代，其中最 重要的原因之一就是软件的兼容性。工业控制机用户过 去和现在都希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系 统和开发工具，这就导致了开放式桌面PC在工业环境中 的直接应用。然而，桌面PC机技术是面向每年2000亿美 元的商用机市场的，而不是相对比较小的工业计算机市 场的，它不具备工业级性能：抗强震动、冲击、高温、 潮湿和具有快速修复能力（MTTR一般小于5分钟）。 由桌面PC技术衍生的ISA总线加固型计算机在工业上得 到了相当广泛的应用。
1.8 MULTIBUS总线工业计算机
Multibus总线最早是由Intel公司研制的，因包含四种总 线而得名，即 Multibus System Bus，I/O Expansion Bus （ISBX），Execution Bus（iLBX），Multichannel I/O Bus。Multibus II总线（ANSI/IEEE 1296标准）适用于 性能适中、仅有少量处理器、没有高速缓存一致性要求 得体系结构。对那些有高速扩展缓存，并要求并行一致 共享存储的执行模式的系统，应用会受到一定约束。 尽管存在一些限制，Multibus总线凭借其系统的灵活性、 易使用性以及高可靠性，使之成为历史上得到广泛采用 的总线结构之一。
1.7 ISA/PCI总线IPC工业计算机
1992年6月，Intel公司开发了快速的开放式PCI总线规范， 作为局部和低层次的内部处理器总线。在两年之内几乎每 个处理器制造商都将PCI作为计算机内部芯片级互连总线， 而且自然地发展成了板极互连总线。1995年6月PCI SIG正 式公布了PCI 局部总线规范 2.1版，同时PICMG推出了第一 个标准PCI/ISA无源背板总线标准，这样，加固性PCI/ISA 总线工控机问世了。目前，PCI/ISA工控机主要制造商有： Texas Microsystems、 Teknor Industrial Computers、 Industrial Computer Source、Trenton Terminals、I-Bus 以 及台湾的衍扬（AAEON）、研华（ADVANTEC）、磐仪 （Arbor）、大众、研祥、华北工控、艾雷斯等企业。
STD总线486 CPU板
STD总线 32路12位光电隔离A/D板
1.3 VME总线工业计算机


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），其中P2的外侧2排针由用户自定义，以满足 用户的特殊要求。VME总线的数据宽度为32位，最大 总线速度是40MB/sec。
传统PCI结构
处理器
Host to PCI bridge PCI Slots
处理器 PCI卡
PICMG 1.0规范的无缘背板
独立PCI卡
百度文库
处理器
Host to PCI bridge PCI Slots
1.8 MULTIBUS总线工业计算机
第一个Multibus I标准总线产生于1974年，当时只是一 条CPU与存储器连接的总线。随着微处理器技术的进步， 于20世纪80年代发展成了Multibus II总线。 Multibus I总线（IEEE796）的应用始于1976年，作为 各种结构的系统之间的互联总线使用。在典型的系统中， 底板本身并不采用唯一的总线形式，如在底板上增加扩 展I/O总线，以提高存储器映射I/O与处理器的传输速度， 使中央处理器访问存储器的速度比一般底板要快得多， 提高了底板的性能价格比。
1.4 AT96总线工业计算机

在国外，AT96总线工控机较齐全，有80386、80486产 品，也有Pentium系列产品，如瑞士Digital Logic AG公 司3U的MSE386/486V、MSE486DX和MSEP5AT，其 中 MSEP5AT 的 CPU 为 Pentium （ 100MHz-200MHz MMX）。6U的欧洲卡MSWS1，支持33MHz-100MHz 的 486DX CPU ； 最 新 产 品 MSWS3 ， 采 用 Pentium （166MHz-233MHz） CPU，支持高速Ethernet网络接 口。
1.4 AT96总线工业计算机
1.4 AT96总线工业计算机
8U机架
6U机架
1.5 PC/104总线工业计算机

在80年代末，Ampro Computers发明了PC/104总线。 1992年3月PC/104总线联合会发布了PC/104规范1.0版, 几 经 修 改 ， 于 1996 年 6 月 公 布 了 PC/104 规 范 3.2 版 。 PC/104总线采用自层迭互连方式和3.6 inch x 3.8 inch的 小板结构，抛弃了PC机的大母板，使其更适合在尺寸 和空间受到限制的嵌入式环境中使用，如消费类电子产 品：洗衣机、烘干机、洗碗机、收款机等。近来，紧凑 加固性设计的PC/104工控机在军工产品中开始采用，如 火箭、导弹和战斗机等。