嵌入式系统架构发展与选择

嵌入式系统架构发展与选择通用电气–马越August2011主题1.嵌入式系统架构设计多样性及统一性2.系统设计模式3.系统扩展模式August2011GEIP2开放式嵌入式系统架构针对嵌入式系统的架构设计一直存在各种讨论，是采用封闭结构，还是采用开放结构对不同的应用有不同的侧重。但随着半导体工艺的飞速发展，完全封闭型设计已经很难跟随。此用更开放的结构已经成为趋势。在行业中也存在着多种开放式架构，要采用哪种才是更合理的结构？August2011GEIP3嵌入式系统架构发展从封闭到开放从定制到标准从低速到高速从并行到串行August2011GEIP4嵌入式系统架构多样性PC104/+/ISA•最传统的工业总线GEIP5August2011VME•最可靠的控制总线CPCI•最方便的工业总线ACTA•最“大”的总线VPX•最有发展前景的总线CPCI-Express•最具有争议性的总线嵌入式系统架构多样性PICMG2.16VME32VME64VME64xVME320VITA4140Mbytes/secExp0x164,000Mbytes/sec240Mbytes/sec570Mbytes/sec320Mbytes/sec160Mbytes/sec80Mbytes/secVME1620Mbytes/sec133Mbytes/secPCI32x33MHzPCI64x33MHz266Mbytes/secVME31.1550Mbytes/sec随着数据率的增加随着数据率的增加随着数据率的增加随着数据率的增加，，，，维护维护维护维护通道的可靠性对用户提出通道的可靠性对用户提出通道的可靠性对用户提出通道的可靠性对用户提出了更高的挑战了更高的挑战了更高的挑战了更高的挑战并行总线高速串行互连VITA46/4818,000Mbytes/sec嵌入式系统架构对比VME&CPCI•最典型，最流行的并行控制总线GEIP7August2011VMECPCI尺寸6U为主，大尺寸可以设计更多器件，提供高密度I/O接口3U为主，小尺寸适合使用在紧凑空间，减少了部分性能总线传输率(MB/s)160(VME64x),320(VME320)132(32bit/33MHz),528(64bit/66MHz)中断级7级中断,更多的中断级可以保证实时I/O响应4级中断支持槽数单背板21槽单背板8槽(33Mhz)/5槽(66MHz)系统架构多主多从，可以使用多个处理器卡，极大提供系统处理能力一主多从，只有1个系统槽，其它是外设槽。外设槽较多时，系统板负担较重。总线中继可以通过VME中继板级联，GE的V5504中继板可以级联19x19个21槽机箱基于PCI电气特性，最多支持256个PCI设备操作体统Windows,Linux,VxWorks等Windows大点数支持在国内外复杂的控制和仿真应用中，VME总线是第一选择，对于上千点及更多的I/O设备可以良好支持。多应用在中小型测试测量系统中分布式应用多处理系统架构，广泛在分布式系统中应用；可以通过以太网或反射内存网实时传输数据，多个处理器分担不同的任务。单处理器板负担重，实时性不高嵌入式系统架构对比VME&VXS&VPX•VITA标准发展的不同阶段GEIP8August2011VME64xVXSVPX嵌入式系统架构对比CPCI&CPCI-Express•CPCI-E是CPCI背板在J1,J2上的从新定义，增加差分信号对GEIP9August2011PICMG2.0(cPCI)PICMG3.0(ATCA)3U和和和和6U,传统电信用户传统电信用户传统电信用户传统电信用户,及工业控制用户及工业控制用户及工业控制用户及工业控制用户8U高高高高，，，，280mm深深深深,6HP槽宽支持高级前面板集成槽宽支持高级前面板集成槽宽支持高级前面板集成槽宽支持高级前面板集成,更更更更适合电信用户适合电信用户适合电信用户适合电信用户4HP槽宽槽宽槽宽槽宽大体积大体积大体积大体积–48VDC供电供电供电供电,5和和和和3.3Volts供电需求供电需求供电需求供电需求去除所有的去除所有的去除所有的去除所有的PCI特性特性特性特性,从新设计串行从新设计串行从新设计串行从新设计串行互联互联互联互联AC或或或或DC供电供电供电供电灵活用户灵活用户灵活用户灵活用户IO支持板极热插拔支持板极热插拔支持板极热插拔支持板极热插拔IPMI管理牵制管理牵制管理牵制管理牵制用户子卡扩展用户子卡扩展用户子卡扩展用户子卡扩展IO结构强制性电源及热管理结构强制性电源及热管理结构强制性电源及热管理结构强制性电源及热管理嵌入式系统架构对比CPCI&ATCAGEIP10August2011嵌入式系统架构对比VPX&CPCI-express•VPX或者VITA46,VITA48•CPCI-e也为EXP.0GEIP11August2011VITA46BaseSpecificationMechanical,power,etc.VPX.1VMESignalMappingVPX.2ReservedforPCISignalMappingVPX.3SerialRapidIOLinkTechnologyVPX.4PCI-Express&ASILinkTechnologyVPX.7Reservedfor10GbEthernetLinkTechnologyVPX.9XMC&PMCUserI/OMappingVPX.10RearTransitionModuleSpecificationVPX.6ReservedforGbEthernetLinkTechnologyVPX.8ReservedforInfiniBandLinkTechnologyVPX.5ReservedforHypertransportLinkTechnologyEXP.0BaseSpecificationSystemSlotType2X8PeripheralslotHybridPeripheralslotType1X16PeripheralslottBridgeslotVITA48RuugedizedEnhancedDesignImplentation(REDI)REDI.1AirCoolingREDI.2ConductionCoolingREDI.3LiquidCoolingCompactPCI-eXpressAugust2011GEIP12CPUx16Type2STDcPCI32bitPXIx8STDcPCIcardswithJ1/J2OptionalPCIePortsCPCI-E有两种板型3U和6U背板采用8速或16速PCI-E完成数据交互VPX3U6UAugust2011GEIP13VPX分为3U和6U两种结构，背板数据交换可以采用PCI-E,sRIO,以太网等VPXVITA46.4(PCI-express交换)通过VPX46.4可以实现CPCI-Express功能,P1连接器定义August2011GEIP14VPXVITA46.4(PCI-express交换)P1差分信号可以组成不同宽度的交换信号August2011GEIP153UVPX案例August2011GEIP16StereolineinCore™2Duo2.26GHzPenrynRGBUSB2(4)SATA(2)x1PCIex4PCIe10/100/1000BaseTLPCKBD&MOUSECOM1,2USBFWHDDR3SDRAMDDR3SDRAM1GbFLASHDISKBIOSx16PCIeGS45(GMA950)GPIOICH9MSUPERIOUtilityConnector(Power,IPMI)x4PCIex4PCIe(lanes1-4)GigEthernet3xUSB,SATA,GPIOKbd/Mse,Audio,x1PCIex16PCIeextension(lanes5-16)SATA,USB,RGBx1PCIecodecStereolineoutGigEStereolinein系统设计充分利用P1的PCI-E信号VPX6U混合背板PCIesRIOGigEthernetVMEP2P1P0P6P3P4P5SBC610SLOT2DSP230DSP230DSP230DSP230DSP230SLOT8SLOT9统一背板中同时采用多种互联方式6UVPX案例August2011GEIP181，采用Srio作为点到点数据交互2，采用PCI-e连接扩展设备3，采用VME兼容已有设备嵌入式系统架构统一性控制系统•VME•CPCI•PC104GEIP19August2011共同特点共同特点共同特点共同特点：：：：1，实时性2，确定性3，可靠性4，低功耗5，可扩展性嵌入式系统架构统一性数据处理系统•ATCA•VPX•CPCI-ExpressGEIP20August2011共同特点共同特点共同特点共同特点：：：：1，高吞吐率2，高带宽3，单点高处理能力4，高功耗5，可扩展嵌入式系统架构统一性并行和串行并行和串行数据传输是嵌入式系统共同采用的数据传输模式，只是在不同应用当中，重点有所不同•控制系统对时间、中断、IO控制能力的要求，更倾向于采用并行总线•新型嵌入式数据处理系统具有更高的单节点处理能力，要求更高的背板带宽、更高的传输速度，一般采用串行模式传输GEIP21August2011嵌入式系统架构统一性模块化设计COTSCommercialoftheShelf已经成为嵌入式系统开放设计的别名。多数嵌入式系统设计都会统一为这种模块化模式•模块化设计易于扩展系统性能•模块化设计易于维护和升级•模块化设计可以节省设计成本GEIP22August2011系统设计模式从系统到模块
基于既有的项目
基于特有标准a.功能确认b.结构确认c.模块设计GEIP23August2011系统概念和设计验证周期比较长固定，不灵活，不宜扩展机构设计没有确定的拓扑低成高，资源少系统设计模式从模块到系统
全新项目设计
基于开放式标准（COTS）a.结构选择b.模块选择c.系统设计GEIP24August2011缩短系统概念和设计验证时间更灵活，更多选择严整的并且确定的拓扑建立生态系统的COTS低成本(集成,完全所有权，二次开发，升级换代，等.)COTS系统设计进度案例3UCPCI演示系演示系演示系演示系统统统统2003-20043UCPCI样样样样品系品系品系品系统统统统-Rugged2004-20053UCPCIEDU系系系系统统统统2005–提供提供提供提供3UCPCIVMC2006RIUFormFactorR/S20073UCPCIPIU2007系统扩展模式分散式系统互联
以太网
现场总线
反射内存技术反射内存反射内存反射内存反射内存网络高速高速高速高速，，，，实时实时实时实时，，，，确定确定确定确定可达2Giga波特率的选择方式可达174M字节/秒传输速率低延迟率：最坏情况750纳秒数据可以在256个独立系统（节点）间共享与操作系统，处理器和总线方式无关传输距离可达10公里（单膜）网络中断能力–点到点或广播GEIP26August2011分散式系统案例August2011GEIP27通过高速反射内存网实现分散式系统数据同步与传输系统扩展模式集中式扩展
数据总线
硬线扩展
背板交换•星型•环型•网状GEIP28August2011FabricBoardNodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeNode双环型双环型双环型双环型星型星型星型星型全网状全网状全网状全网状嵌入式系统设计归纳从前面的分析可以看出，随着技术的不断发展，将来的系统设计倾向于3中结构模式1，并行系统结构-控制系统2，串行系统结构-数据处理系统3，混合系统结构–并行与串行混合系统结构这三类系统结构会未来10年动态平衡中发展August2011GEIP29我们的责任客户永远是第一位的带给您先进的理念和务实的行动带给您高性能产品和高效的服务August2011GEIP30Thankyou.