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不要忽略PC總線技術的發展

作者: 時間:2012-11-02 來源:網絡 收藏
在過去的十年中,PC-based自動化解決方案的使用趨勢日益增加。在二十世紀九十年代早期,大的汽車制造商和其他的制造商開始在機器控制中使用標準PC。這些系統通常取代緊湊的,基于微處理器的解決方案――在大多數工廠都能發現的PLC。從那時起,運行在微軟Windows 和其他操作系統上的PC開始在各種工業場合使用,經歷了超過有競爭力的解決方案的增長。

因此PC的內部組件和那些組件的發展在自動化中變得更重要。之前,已經廣泛宣傳微處理器的進步,半導體公司在市場上吹捧他們越來越快的時鐘頻率。然而存儲器和I/O革新太重要了。后者涉及總線技術,通常比喻為PC的脊梁。因此技術――過去和將來――對自動化最終用戶和總體自動化市場都是重要的。

為什么PC在工業設置中被證明那么流行以致不再需要廣告以及做的每件事都在賬本底線。一方面,不管針對工業還是消費者使用,PC的價格大幅并持續下降。例如,在2005年中期,世界上最大的PC供應商提供相當有能力的機器價格在300美圓以下,那比一年前類似系統的價格下降40個百分點,甚至比兩年前類似系統的價格下降的更大。另一個底線是PC-based解決方案通常極大降低接線成本和組件數量。當與替代方案比較時,這兩個因素都削減成本并使PC-based控制更具有吸引力。

高的性價比結合開放架構。那使革新既容易也不依賴單個供應商的興趣。它也意味著工業設置中的PC能從商用領域的硬件和軟件的進步中獲利。因此PC-based自動化解決方案已經利用總線架構的改進幾年了。

不僅是過去的風暴:更舊的總線技術
最早的總線技術在1981年隨著IBM 原型PC機出現而出現。IBM有自己的名稱,不久命名為工業標準結構(ISA)。首先,它是具有4.77 MHz時鐘,8位的系統,但是到1984年它被擴展成具有8.33 MHz 時鐘,16位版本的系統。總線一般只允許一個直接存儲訪問通道,用于移動數據進出擴展(add-on)卡,例如,那些用于控制工業設備的擴展卡。通過5到12V電壓信號供電。盡管具有不得不處理速度和卡安裝與配置的缺點,這些年ISA仍是主要的技術。直到二十世紀九十年代后期,它仍不能完全從消費者系統消失,ISA總線仍存在于自動化系統中。

ISA的分支,PC/104標準定義了形成因素和總線。前者設計滿足嵌入式控制器的需要。結果,PC/104總線形成因素沒有背板,只有兼容板和互相堆棧的模塊。形成因素也是緊湊的,尺寸僅為3.8 X 3.6英寸。其他的特點也使PC/104總線適應工業應用。例如,插頭-插座連接器確保穩定可靠的連接。規范也要求在信號和電源之間混合更多的接地引腳,因此改進任何卡的電氣完整性并加強其在惡劣條件下工作的能力。

從電氣上來說,除了更低的總線驅動電流,降低了功耗以及最小化組件成本,PC/104總線與ISA總線沒有不同。因此它同時運行數據速率和其他的限制。最初定稿是在二十世紀九十年代早期,這些年PC/104標準經歷了很多變化。

一些變化跟蹤商業領域。涉及ISA總線的問題導致周邊元件擴展接口()標準的開發。在1992年發行,九十年代中期變成主要的總線。不像ISA總線,總線支持插拔。那意味著卡上的中斷通過固件分配到設備,從物理上來說,并沒有通過跳線配置。對消費品和自動化系統的最終用戶來說,有能力增加一個卡而不干擾中斷請求和硬件是一個重要的補充。

PCI總線比其前任速度更快,原來的規范是33.3 MHz時鐘速率,允許峰值時每秒傳輸133MB數據。數據使用32或64位寬度移動,規范要求3.3V和5V信號,已知重要的事實是半導體從5V到3.3V移動,更低的電源規范。

也實施總線主控,即幫助連接到總線的控制器與連接到總線的其他設備通信而不通過CPU。這種方法極大改進了性能,因為它刪除了潛在的阻塞點,例如,允許數據采集(DAQ)卡,直接與磁盤控制器通信。這能自動完成而CPU自身能忙于其他并不涉及總線的任務,例如,從本地高速緩存取指令。

以后版本的標準采用高速、更低的信號電壓和16位總線。PCI標準也整合到PC/104規范版,通常參考PC/104+標準。結果是混合ISA/PCI工業系統的規范。

與ISA標準發生的一樣,工業版PCI標準出現了。Dubbed CompactPCI,具有64位PCI背板,尺寸是標準Eurocard 3U,100mmX160mm和6U,160mmX233mm。滿足CompactPCI標準的卡具有所有32位和64位PCI信號。它們也必須有大量的接地引腳,從而確保在電氣噪聲環境下提供足夠的屏蔽和接地,因此最小化地接地反饋和最大化可靠的運行。

在基本配置中,標準要求八個槽,在臺式機上有16個槽。其他工業友好的特點包括保留有源卡、抗沖擊、抗震動以及使用標準的,大量生產的PCI半導體。

速度和靈活性:最新的總線
盡管PCI總線是各種成功的化身,但是某些缺陷迫使工業開發新技術。一個新技術是USB,用于處理周邊設備(例如,打印機、照相機和其他設備)的通信問題。對便攜式應用來說,它是非常有用的和流行的,現在PC、PDA和其他手持設備上都有USB。開發其他相對新的技術去解決一定應用帶來的問題,特別是聲音、圖形顯示,PCI總線太慢了。解決方案是PCI總線的替代物――PCI Express總線。
在2004年,PCI Express總線開始在臺式機中出現,完全不同于它的前任。一方面,新總線是點對點拓撲。這意味著整個帶寬在每個卡上都是可用的,不像PCI共享帶寬。在狹窄的通道上串行發送數據,每秒雙向傳輸250MB數據。多路徑能聚合成X2,X4,X8,X16和X32帶寬,因此需要極大帶寬的設備能掛在大數據總線上。

使用規范提供的初始信號頻率,X16配置每秒提供4G的數據,是33 MHz PCI系統,32位可用帶寬的30倍。隨著半導體技術的進步,芯片能處理更快的信號頻率,期待PCI Express總線速度最終增加四倍。當時鐘從銅線和總線自身跟蹤的現實信號限制突然增加時,期待實現最大的價值。

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