总线和背板技术(04-100)

　　新技术之潮正在进入总线和背板领域，趋势是串行总线。但并行总线和背板技术(如PCI，Compact PCI，VME64)绝没有过时，串行总线方案正在更加影响这些可靠的平台。

　　继存储中的串行ATA之后，领导潮流的是通用串行总线(USB)。而串行连接PCI Express将占优势。所有系统的核心是板(见图1)。不管产品如何，通过背板或外设总线获得数据和输出数据是需要的。正在联合建立较新的板形状因数(如PCI Express 和Advanced TCA)，这如同PC/104和VME那样。

　　板上总线有助于背板扩展。两个新串行标准——Hyper Transport和并行RapidIO能实现标准基、高速、芯片到芯片通信。PCI Express 正在革新背板，而Advanced Switching加入开关结构主流，开关结构是大型故障承受系统的基础。
各种总线、背板及标准分别示于表1~6。

　　基板

　　有很多单板计算机(SBC)标准，微型PC/104用于小型SBC扩展。PC104 Consortium将面临所有新技术问题。USB是老生常谈，但是，PCI和ISA总线技术变化到PCI Express需要变革，以保持PC/104的叠层能力。

　　PCI-X板继续排斥服务器和嵌入式应用的高端性能。如同大多数串行技术一样，最新的并行性能往往超过原始标准。但是，随着速度的增加，宽同步总线成为一种负担。PC结构的ISA和PCI板将保持容易使用的特点。新的PCI Express板正在改变PC界，并最后将影响整个嵌入市场。

　　VME、Compact PCI 和Advanced TCA为各种应用(如通信和军事)提供COTS(商业现货)支持。它们也是标准基开关服务器的平台。现在，它们都支持多开关结构。

　　VITA (VME International Trade Association)为扩展古老的标准做了卓有成效的工作，从结构和并行I/O观点，采用围绕已有连接器标准增加引脚的办法。Compact PCI未改变它的PCI总线，但用开关结构支持使输出更容易。Advanced TCA是从开关结构观点和重负载系统有大量板空间出发设计的。

　　芯片间互连

　　Intel 公司给出到芯片组的处理器前端总线，通常它与外设总线(如PCI和AGP)接口。这对于单处理器系统是一种很好的方法，但对于多处理器系统，这将是非标准实现方法。对于控制方法它也是不错的，尽管开放标准、芯片间互连(如Hyper Transport 和Rapid IO)正在改变如何进行板设计。

　　现在，Hyper Transport速度达到令人佩服的22.4Gbytes/s。Hyper Transport NUMA(非标准存储器存取)实现方法推动多处理，而PCI桥接使其成为到板上网络的一种有吸引力的方法。

　　设计人员可受益于Parallel RapidIO，因为它适合于板和背板。

　　背板

　　背板处理三类数据。第一类是明确的I/O，第二类是标准并行扩展总线。第三类是连接到开关结构上的数据。两个主要的并行总线是PCI和它的64位化身PCI-X以及VME。ISA仍然存在在非常老的PC和令人吃警的大量嵌入系统中。它们的继续存在是因为它们的接口容易建造。

　　PCI保持优势的背板技术。PCI也是多层构架板卡总线。PCI Express正在变得更普遍。PCI—X已处在适当位置，即使市场上已结束PCI并行总线开发。当今最高速度总线运行在533MHz或4.3Gbytes/s。

　　VME的2eSST性能指标为320Mbytes/s，此运行速度容易处理大多数应用。

　　外设接口

　　并行和串行口仍然是使用微控制器和SBC设备的标准。至今键盘、鼠标的低速个别外设接口正在走高速串行连接(如USB和IEEE1394)的道路。

　　USB广泛被采用。USB简化了SBC设计，这是由于它只需要1个或2个USB主连接。板上或嵌入式系统中的IEEE1394限于需要IEEE1394的应用，如数字视频摄录像机。IEEE1394b提供更强的网络支持和更高速度。它迟早会找到进入通用PC或嵌入式系统的方法。

　　变化的一个方面是由PCI Express引起的。PCI Express是背板的主要支持，容易路由外面接线盒的能力，使其在很多情况下适于外总线。
把PCI Express移入PC外面的一个实例是Express Card。Express Card是为替代PCMCIA板卡而设计的。通常，所有的板卡具有一个接口，但它可以有USB和PCI Express。Express Card主机可以处理这两个接口。

　　Express Card主机限制是PCI Express只用1通道连接而不是最大32通道。把PCI Express移到接线盒外面将限制所用通道数。尽管如此，此方法仍然比PCT—X更实用。

　　存储器接口

　　像ATA(Advanced Technology Attachment)和SCSI(Small Computer Systems Interface)这样的并行接口正在快速地为串行接口SATA(Serial Advanced Technology Attachment)和STS(Seria Attached SCSI)让路。

　　SATA的第1个体现不是打破性能记录，但它的简单缆线线路和热交换能力，使其进入未来的存储线路。SATA正在为很多RAID(便宜磁盘的冗余式阵列)应用带来令人佩服的利益，迫使人们重新考虑SCSI和SAS的使用。

　　SAS性能比SATA稍微快一点。然而，它们性能重置已有SCSI产品将是有意义的。与SATA相比，SAS的一个优点是大多数SAS适配器也将支持SATA驱动器，而且，SATA缆线可插入SAS连接器。

　　开关结构

　　在PCI Express之后，开关结构是总线和背板方面的最热门话题。近期将在较高端系统中看到结构，而最终结构将进入中规模系统。

　　StarFabric和Ethernet具有最长的线路记录。Ethernet速度高达10Gbit/s。StarFabric是Advanced Switching最好的替代。StarFabric的2.5Gbits/s更适合于很多应用。最大的优点是StarFabric能使开发人员用结构面向编程技术对比于PCI器件的透明桥接。

　　InfiniBand正在出现在超级计算机设计和服务器中。

　　千兆位Ethernet正在出现在很多COTS结构基设计中。兼容并行和串行标准的RapidIO混合是板上芯心间通信和极外通信采用此技术的令人信服的原因。在DSP和FPGA中包含RapidIO接口已把RapidIO做成计算机工厂的选择项目。

　　在所有总线和背板技术中，开关结构在应用时，具有最大的不同点。它消除了系统设计中的一个最大限制—在单板上可以放置多少资源。采用结构方法，资源可以扩展到任何板数。

　　老的总线和板标准从不会消亡。它们仅是被更换。新标准是在得其所，而硬件正在走出组装线。■(益林)