嵌入式技术：设计师从最新交换结构中做出选择

　　嵌入式系统设计师在利用最新的交换结构技术，不但用于提高数据速率，而且用于动态优化性能、避开失效的子系统，以及与老式元件共存。

　　要 点
　　

        凭借高速交换结构技术的延伸，现货型共享总线体系结构在继续支持目前的高性能嵌入式系统。

　　低压摆幅和点到点传输路径使串行交换结构系统能把数据速率延伸到数千兆比特。

　　交换结构体系能适应系统失效，这是因为它们能在执行修复的同时，使数据绕过有缺陷的路径或处理模块。

　　板级规格中的众多串行结构通信选项可能会导致行业混乱和产品互操作性问题。

　　随着高性能嵌入式系统推高技术极限，板级互连策略需要不断更新，以满足迅猛上升的数据传输要求。设计师能从一系列不断演变、有时是彼此竞争的交换结构技术标准中做出选择，以扩展系统性能并保持预算约束。在很多领域，不断增加的带宽、不断提高的处理要求、不断上升的应用复杂性在持续推动交换结构技术的极限，而医疗仪器、军用系统、通信设施、过程自动化只是其中几个领域而已。

　　新型嵌入式设计传统上依赖于来自嵌入式计算市场的 COTS（商用现货）处理器和外设模块，来降低成本和缩短开发时间。电路板标准免除了获得最优散热性能和机械调准所需的试错式设计迭代。基于标准的设计还使人们能利用兼容的操作系统、厂商供应的驱动程序，以及样本固件，由此缩短了软件开发时间。PCI、VME、CompactPCI、ATCA 等多数广泛使用的嵌入板标准已有数个交换结构互连选项，因此设计师在需要时可选择避开共享总线体系结构。但是，随着高性能嵌入式系统要求推高技术极限，标准机构和 COTS 制造商正在竭力持续交付更新的产品，来满足日益增多的先进应用的需要。

　　交换结构体系结构允许计算节点之间的数据路径动态改变，来支持多路并发的数据传输。设计师用“fabric”（本意为“织物”）这一术语表示这种体系结构，这是因为可通过数据路径把任何节点连至其它任何节点，这些路径就像服装材料中互相交织的线。交换结构的一个主要优点是，每条连接均为直接的点到点数据路径。该特性带来了更好的电特性，从而允许比总线体系结构更高的频率和带宽。典型的交换结构使用多个交换级为源和目标之间的事务设置路由。

　　差分速度

　　多数交换结构规格需要 LVDS（低压差分信号） 来实现节点间的最大带宽。LVDS 使用大约 350 mV 的电压摆幅实现 PCB 迹线或平衡式传输电缆上的每秒数千比特通信。借助这么大的带宽，多数系统仅使用很少的几根并行线路，而更多选择使用串行数据流。该方法为未来的性能增强留下了很大余地，届时只需简单地添加并行数据路径。低压摆幅和恒流线路驱动器以低功耗交付低噪声信号。ANSI/TIA/EIA-644 和 IEEE 1596.3 规范详细说明了LVDS。

　　除了更高的数据速率以外，交换结构还为设计师提供了几个系统优势。一个主要优点是，每条连接均为直接的点到点数据路径，由此免除了并行总线结构的多条连接。串行连接的另一个明显优点是由于信号线少，使得连接器尺寸也小。集成的交换结构互连还能动态提高系统可用性，这是因为它能使关键数据绕过有缺陷的路径或节点。多级交换使设计师能随着要求的改变轻松地调整互连。可把新的交换元件与新的 I/O元件一同安装，这样系统就能在自身发展时保持互连灵活性。

　　在升级或扩展电路板标准的性能水平时，产品兼容性是最复杂的问题之一。VME和PCI已经历了多次升级提高共享总线数据传输速率，并使老式产品能以原始速度通信。交换结构升级后，通过共享总线构造中未使用的卡缘连接器，在背板上发送高速数据。长期可用性是许多高性能嵌入式产品的一项基本要求。台式元件的平均寿命约为18个月，而用户期望典型的嵌入式产品能使用5年或更久。一些军用产品要求15年寿命周期。

　　PCIe(PCI Express) 是较流行的交换结构扩展标准之一，除了嵌入式设计以外，还广泛用于商用台式电脑。基本的PCIe链路包含两条信号路径，它们用LVDS 摆幅和恒流线路驱动器实现每个方向2.5GT (gigatransfer)/s的通信。标准机构批准了2.0版PCIe，把该数据速率提高至5GT/s。但是，由于用于增加传输数量的方案是8B/10B编码方案，因此最大有效数据速率是4Gbps。可通过简单增加信号对或道，轻松地增加 PCIe 链路的带宽，直到达到预期的性能水平。PCIe规范支持 1、2、4、8、16 和32道宽度。2007年8月，PCI-SIG（特别兴趣小组） 宣布：下一版PCIe 将支持 8GT/s比特率。

　　快速成果

        RapidIO行业协会定义的RapidIO也是一种流行的点到点互连技术。 RapidIO分组交换体系结构最初由摩托罗拉公司和Mercury Computer Systems公司构思，在嵌入式系统中的计算节点和外设节点之间传输数据和控制信息。全双工点到点链路具有1 条或4 条高速串行道，以及8B/10B编码数据传输，信号传输速率为1.25Gbps、2.50Gbps或3.125Gbps，峰值带宽为20Gbps。该协会把比特并行时钟和数据作为初始RapidIO规范的基础，而以后的规范采用了串行时钟和数据传输，来降低引脚要求并延伸信号距离。

　　InfiniBand是另一种流行的高速互连，已成为许多高性能计算应用的首选交换结构。与多数大型主机使用的通道模式一样，所有InfiniBand 传输均开始或结束于通道适配器。每颗处理器均包含主通道适配器，而每个外设则具有目标通道适配器。这些适配器还能通过交换信息提高安全性或服务质量。InfiniBand使用128比特IPv6协议唯一标识每个节点，并提供因特网兼容性。InfiniBand传输基于分组或连接，以便支持数据块或连续数据流。InfiniBand的基本技术是一条双向链路，包含2个LVDS对，由此提供1条传输路径和1条接收路径，各自工作于2.5Gbps。可用带宽为信号速率的80%，这在每个方向带来了 2Gbps或250Mbps数据速率。通过把4条或12条链路编组用于每条传输路径，就能实现更高带宽的连接。凭借12条链路，有效吞吐速度可达48Gbps。

　　PCIe、RapidI/O和InfiniBand 只是类似的交换结构体系结构的一部分，它们目前被集成到标准型高性能嵌入式系统产品中，并正被推广到所有此类产品。例如，CompactPCI 是基于 PCI 的低成本台式硬件的加固形状系数等价品，目前借助该原始规范的一系列可选附录，定义了串行交换结构互连。CompactPCI 板基于 Eurocard 行业标准（后者定义了 3U 和 6U 板尺寸），并考虑了从卡笼的前部加载和拆除。较流行的 6U 版本在卡的后端拥有多达5个连接器，为传统 CompactPCI总线分配了2个，其余3 个连接器提供了额外引脚，适合于那些连至背板交换结构的可选连接。CompactPCI 和 CompactPCI Express 是 PICMG 支持和控制的开放规范。

　　与此类似，VITA 41 VXS 向老牌的 VMEbus 标准添加了交换结构技术，并保持了产品兼容性。VXS 规范定义了有效负载卡、交换卡，以及一种新型高带宽 P0背板连接器，并保持了标准的P1 和 P2 并行 VMEbus 连接器。每个 P0 交换结构端口包含2 套各 4 条串行比特通道——一套用于输入数据，一套用于输出数据。规定的 P0 连接器技术为每条串行通道支持高达 10 Gbps 的数据速率。有效负载卡其实就是添加了新型 VXS 交换接口的标准 VMEbus 处理器、存储器或 I/O 板。交换卡不带 P1 和 P2 连接器，形状系数与有效负载卡相同，并包含多达 18 个全双工串行连接器，外加 1 个电源连接器。交换卡包含在有效负载卡之间设定串行数据路由所需的结构开关。为了保持交换结构不可知性，VITA 41子规范为 InfiniBand、串行 RapidI/O、GbE 和PCIe 规定了交换卡和有效负载卡定义。

　　万能钥匙

　　Pentek 公司最近发布了它的 4207 型数字信号处理和数据获取系统，在 VXS 形状系数中具有多个高速串行接口（图 1）。这种新板采用飞思卡尔公司的 MPC8641D 双核 PowerPC AltiVec 处理器和 Xilinx Virtex-4 FX 系列 FPGA。另外，一种交换结构透明的纵横制交换机把多个 Gb 级串行资源连接起来，其中包括 PowerPC 和 FPGA、2 个 XMC、双 VXS 端口、双Fibre Channel 端口、2 个可选串行收发器。4207 型结合了许多标准接口和协议，包括 VXS、PMC、XMC、PCI-X、PCIe、GbE、RocketIO、RapidI/O、Fibre Channel、Xilinx Aurora 和 VME64x 技术，这种纵横制交换机容纳所有这些技术。开发者可利用未用的 FPGA 资源实现定制信号处理算法，并实时处理捕获的数据。Pentek 公司可立即供货的 4207 型的起价为 14725 美元。

        ATCA 具有较大的形状系数、若干高可用性特性、高速交换结构互连，为电信业中常用的专有设备提供了可行的现货替代品。ATCA 规范为所有板和有源模块提供了热插拔能力，由此使系统能实现甚至超过难以达到的“5 个 9”（即 99.999%）可用性。这种交换接口提供了全网互连，其中的每个插槽均有连至其它插槽的直接连接。ATCA 具有内置交换接口，因此避免了其它板标准的“传统兼容”问题。

       不过，ATCA 基本规范没有为数据传输指定具体的交换结构技术， 而是用一系列附属规范为 Ethernet、Fibre Channel、InfiniBand、StaRFabric、PCIe、RapidI/O 等各种交换结构定义了背板细节。虽然这种方法使设计师能借助任何交换结构技术构建达标板，但它带来了互操作性问题，并可能使规范陷于分裂。 由于 ATCA 的重点是电信，因此 GbE 是许多系统设计的首选交换结构，而 Diversified Technology 公司的 ATS1936 Switch Blade 就是一个很好的例子（图 2）。

        ATS1936 是一种成本较低的 ATCA 交换板，符合核心 PICMG 3.0 ATCA 规范以及 3.1 Ethernet 交换结构选项。该板具有 3 个 AdvancedMC（高级夹层卡）区，分别用于操作/行政/管理、防火墙、加密应用。通过分隔基础网络和交换结构网络，ATS1936 提供了单独的控制面和数据面，并在基础交换结构上提供 1 Gb 以太网交换。扩充路径提供 1 Gb或 10 Gb 以太网交换。ATS1936 单价为 5245 美元。

　　夹层交换结构

　　为了使基板的带宽和性能相配，AdvancedTCA 设计者添加了可更换的插件模块，它们的许多特性与这种基础体系结构相同。产生的 AdvancedMC 标准为设计师提供了一种热插拔、可现场更换的模块，以便降低维护成本并缩短停机时间。AdvancedMC 模块具有远程管理和交换结构技术，约为 3英寸×7英寸形状系数。模块采用单倍尺寸或双倍尺寸构造，带有紧凑型、中型和全尺寸型面板。在互连方面，AdvancedMC 支持高速串行互连，以便最终包含 ATCA 允许的所有交换结构。这种基本规范定义了一种具有多达 21 个端口或 42 个差分对的交换接口，由此提供了模块之间或连至基板的全双工点到点连接。

        AdvancedMC 的额定速率为每端口 12.5 Gbps，能处理 Ethernet、PCIe、RapidI/O、InfiniBand 等现代协议的多条道。各附属规范把各端口与具体交换结构要求对应起来。

　　鉴于 AdvancedMC 的所有这些高功率、热插拔、交换结构和管理特性，设计者制定了一项标准，把这些模块直接插入背板当中，以便创建小巧的独立式系统。该标准就是 MicroTCA，它提供了一种独立式机箱，带有可直接接受 AdvancedMC 卡的背板，由此免除了 ATCA 载板。MicroTCA 规范定义一个最小系统，它是一组互连的元件，包含至少 1 个 AdvancedMC 模块、1 个载板汇集器、1 个电源模块，以及用于配套的互连、散热和机械资源。载板汇集器结合了控制和管理基础设施和互连结构资源，支持多达 12 个 AdvancedMC 模块。较小的形状系数使 MicroTCA 概念可用于电信和多种嵌入式项目中的预算较低的应用。

　　为了支持 ATCA 插件和 MicroTCA 应用，Kontron 公司提供 AM4100 AdvancedMC 模块，它由飞思卡尔的 MPC8641D 1.5 GHz 双核 PowerPC 处理器提供动力（图 3）。该模块具有高达2.3 MIPS 计算性能，并且它的 4 Gb 以太网接口支持实时传输协议、校验、服务质量和分组操作活动。AM4100 包含多达 2 GB 焊接 DDR2-SDRAM、4 MB 可引导 NOR 闪存、多达 4 GB NAND 闪存，以及用于用户及配置数据的 EEPROM。其中 2 个 4 Gb 接口可连接至模块卡边缘连接器，或前部面板的 RJ45 连接器。另外，这种板支持 4 道 PCI Express 或串行 RapidI/O，以便提供高速交换结构连接。AM4100 可完全热插拔，这使人们能在不关闭 ATCA 载板或 MicroTCA 系统的前提下更换模块。一种专用的模块管理控制器管理着这块板，并支持 ATCA 管理接口命令，后者使操作员能更快检测和排除模块级故障。 AM4100 板支持包可用于 Linux 和 WindRiver 的 VxWorks 操作系统。

       虽然有几种体系结构仍在为通用互连技术而竞争，但几乎毫无疑问的是，交换结构已成为了最高性能的嵌入式系统必不可少的一部分。当前的交换结构系统已改善到这种程度：更多的增强措施会触及电压回转率、连接器特性、传输路径的物理极限。因此，并行道的添加将带来数据速率方面的多数改善。由于串行交换结构技术成为了系统性能的限制因素，因此设计师将回到实验室，研制下一代高速数据交付系统。