1         前言  

    從1998年中國計算機(jī)行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC成立，并將CompactPCI/PXI總線技術(shù)引入到國內(nèi)以來，短短的6年時間，中國CompactPCI/PXI技術(shù)取得了令人矚目的成績，研制和推廣應(yīng)用單位發(fā)展到數(shù)十家，應(yīng)用普及程度不斷提高，應(yīng)用面不斷擴(kuò)大。作為一種能夠滿足不同行業(yè)需要的高性能、高可靠、高可用以及經(jīng)濟(jì)型工業(yè)計算機(jī)技術(shù)，CompactPCI/PXI正在越來越廣泛地被電信（Telecommunications）、數(shù)據(jù)通信（Data Communications）、計算機(jī)電話集成系統(tǒng)（Computer Telephony Integration）、工業(yè)自動化（Industrial Automation）、監(jiān)控和數(shù)采系統(tǒng)（SCADA）、測試和測量自動化（Test & Measurement Automation）、網(wǎng)絡(luò)互連（Networking Connectivity）、航空航天（Avionics & Aerospace）以及軍工和國防（Military & Defenses）等領(lǐng)域所關(guān)注和采用，成為了我國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新亮點(diǎn)。

    形勢喜人，但來之不易。幾年前，即使在2002年，中國計算機(jī)行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC在全國范圍內(nèi)進(jìn)行CompactPCI/PXI技術(shù)宣傳、普及、培訓(xùn)過程中，人們大多還只是出于對新技術(shù)的捕捉、跟蹤、了解、好奇甚至疑慮來參加研討會的，但隨之便被新技術(shù)的特殊魅力所強(qiáng)烈感染。到了2003年，今天可以告訴大家，CompactPCI/PXI技術(shù)在中國已經(jīng)開始大范圍生根、開花、結(jié)果，越來越多的企業(yè)已經(jīng)或者開始基于CompactPCI/PXI平臺研制新產(chǎn)品、改造老產(chǎn)品、承接或?qū)嵤?yīng)用項目，開始品嘗到了新技術(shù)所帶來的豐碩成果。

    然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，以CompactPCI總線為代表的新一代工控機(jī)技術(shù)引起了業(yè)界越來越強(qiáng)烈的關(guān)注，迫切需要得到諸如“CompactPCI的關(guān)鍵技術(shù)以及未來發(fā)展方向是什么？CompactPCI、PICMG 2.16、AdvancedTCA之間的關(guān)系？它們產(chǎn)生的出發(fā)點(diǎn)和應(yīng)用范圍有什么不同？該如何進(jìn)行選擇？”等問題的答案，行業(yè)協(xié)會也有義務(wù)提供準(zhǔn)確的答案。

2         CompactPCI總線技術(shù)走向成熟和完善  

2.1   CompactPCI總線核心技術(shù)

    為了滿足日益提高的處理器速度對海量數(shù)據(jù)的快速傳輸和快速處理的要求，1992年，Intel公司定義了PCI總線作為局部總線，直接用于互連CPU與周邊器件，如與顯示控制器、網(wǎng)絡(luò)控制器、內(nèi)存控制器等互連。為了研制和管理PCI標(biāo)準(zhǔn)，成立了PCI總線特別興趣組織（PCISIG），并先后推出了PCI Local Bus Specification Rev. 2.1、Rev. 2.2以及最新版本Rev. 2.3，PCI總線也由芯片級互連總線發(fā)展成了板級互連總線。PCI總線的32位/33MHz標(biāo)準(zhǔn)具有132MB/Second數(shù)據(jù)傳輸速度，其64位/66MHz的標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到528MB/Second，所以，相對ISA或VME總線每秒幾MB或幾十MB的傳輸速度而言，PCI是高速總線。為了將PCI總線應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，1994年成立了PCI工業(yè)計算機(jī)制造商協(xié)會（PICMG），主要動機(jī)就是為嵌入式計算機(jī)（如工業(yè)計算機(jī)，醫(yī)療設(shè)備，通信設(shè)備，交通設(shè)備以及軍事系統(tǒng)等）研制通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在PICMG在全球有三個分會，分別為PICMG China（即PICMG/PRC）、 PICMG Europe和 PICMG Japan。

    1997年8月，PICMG發(fā)布了第一個CompactPCI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.0 Rev. 1.0，CompactPCI Specification。1997年9月發(fā)布了PICMG 2.0 Rev. 2.1。1999年10月發(fā)布了PICMG 2.0 Revision 3.0。PICMG 2.0 R3.0是CompactPCI總線的核心標(biāo)準(zhǔn)，也是CompactPCI技術(shù)的精髓。它由三項領(lǐng)先技術(shù)綜合而成：

 PCI局部總線的電氣特性（ PCI Local Bus Specification, PCISIG ）。

工業(yè)級歐洲卡封裝結(jié)構(gòu)和規(guī)格（IEC 60297-3 and –4, Eurocard Specification; IEEE 1101.11, IEEE Standard for Additional Mechanical Specifications for Microcomputers Using IEEE 1101.1 Equipment Practice）。

 IEC 2mm高密度針孔連接器（IEC-61076-4-101, Specification for 2mm Connector Systems）。

    PICMG 2.0 Revision 3.0規(guī)定了背板上各插槽之間，系統(tǒng)槽與背板，I/O模板與背板之間嚴(yán)格的互連關(guān)系；定義了背板、模板和前后面板的結(jié)構(gòu)和尺寸；定義P1支持32位PCI操作，P1和P2支持64位PCI操作，P3、P4和P5留給用戶使用或作為總線擴(kuò)展用。規(guī)范還為33MHz和66MHz工作頻率的Clock信號分布，定義了嚴(yán)格的設(shè)計規(guī)則。規(guī)范還定義了系統(tǒng)管理總線，并為背板上每個插槽定義了唯一對應(yīng)的物理地址。CompactPCI系統(tǒng)由金屬外殼和前、后面板組成的整體導(dǎo)電以及ESD電路設(shè)計，使得CompactPCI具有電磁輻射屏蔽和靜電釋放能力，表現(xiàn)出良好的電磁兼容性。

2.2   CompactPCI總線熱插拔技術(shù)

    可維護(hù)性是嵌入式計算機(jī)非常重要的特性。此外，面向特定應(yīng)用的系統(tǒng)（如電信設(shè)備、電力保護(hù)設(shè)備、車載控制系統(tǒng)和軍事系統(tǒng)等）還需要熱插拔（Hot Swapping）功能和容錯（Fault Tolerance）設(shè)計。

    CompactPCI（以下簡稱CPCI）技術(shù)規(guī)范使得流行的PCI總線兼容架構(gòu)可以用歐洲卡規(guī)格實(shí)現(xiàn)。這種模塊化的CPCI模板可以靈活組合成適合各種不同工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的系統(tǒng)。為了提高CPCI系統(tǒng)的可維護(hù)性，需要在CPCI產(chǎn)品上增加熱插拔功能，使得CPCI模板可以在不需要關(guān)斷電源情況下，插入或拔出正在運(yùn)行的系統(tǒng)，而不影響或破壞系統(tǒng)的正常工作，從而為高可用性（High Availability）設(shè)計奠定基礎(chǔ)。為此PICMG成立了熱插拔工作組，并于1998年8月發(fā)布了熱插拔標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.1 R1.0, CompactPCI Hot Swap Specification。隨后于2001年1月推出了修訂版本PICMG 2.1 R2.0。2002年5月發(fā)布了熱插拔基礎(chǔ)軟件規(guī)范PICMG 2.12 R2.0，Hot Swap Infrastructure Interface Specification。

    PICMG 2.1 R2.0標(biāo)準(zhǔn)定義了三種不同的熱插拔模型：

 基本熱插拔模型。基本模型也允許在系統(tǒng)運(yùn)行過程中拔出或插入CPCI模板，但必須由訓(xùn)練有素的操作員通過人機(jī)接口向操作系統(tǒng)發(fā)出控制命令才能實(shí)現(xiàn)，軟件連接不能自動進(jìn)行。

 完全熱插拔模型。完全模式下的軟件連接是自動完成的，不需要人的干預(yù)。完全熱插拔模型應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)型工業(yè)計算機(jī)主要發(fā)展的目標(biāo)。

高可用性模型。高可用性要求系統(tǒng)始終處于運(yùn)行狀態(tài)，幾乎沒有故障。

    為了控制拔出或插入模板的電氣和軟件連接過程，CPCI的連接器插針采用長、中、短三層結(jié)構(gòu)。長針為模板提供預(yù)充電電源，中針連接工作電源和CPCI信號，短針為BD_SEL#和IDSEL#信號，用于啟動板上電源控制并通知該系統(tǒng)模板所處的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定CPCI 熱插拔控制電路要設(shè)計在模板上，而不是在無源背板上，以縮短更換故障部件的時間。這導(dǎo)致了相同功能的CPCI模板將以兩種形式存在，一種是普通模板，一種是支持熱插拔的模板。實(shí)踐證明，CPCI熱插拔設(shè)計75%的工作量是軟件設(shè)計，而硬件設(shè)計只占25%。

    為了支持Hot Swap, PICMG 2.1 R2.0定義了三種獨(dú)立于硬件的硬件抽象層接口：Hot Swap System Driver、Hot Swap Service和High Availability Service，但對程序具體如何編制并沒有明確規(guī)定。值得注意的是，2003年初在美國拉斯維加斯舉行的摩托羅拉計算機(jī)事業(yè)部（MCG）年會上，很多著名軟件操作系統(tǒng)公司都展示了支持CPCI熱插拔標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，如Lynx的LynxOS、Microware的OS-9、Enea的OSE、Wind River的VxWorks、Integrated Systems的pSOS等。當(dāng)然，最引人注目的要數(shù)GoAhead的SelfReliant和 Jungo的Go-HotSwap軟件，因為它們是獨(dú)立于操作系統(tǒng)的。雖然如此，由于缺少Windows通用操作系統(tǒng)的支持，在一定程度上延緩了CPCI熱插拔技術(shù)的推廣速度。隨著微軟支持“熱插拔”的嵌入式Windows XP操作系統(tǒng)的推出，相信解決這個問題的日子不遠(yuǎn)了。

2.3   CompactPCI總線的冗余設(shè)計、故障切換和故障管理

    高可用性技術(shù)的目標(biāo)就是通過硬件和軟件設(shè)計，使系統(tǒng)的宕機(jī)時間（Downtime）為最小。今天，大多數(shù)電信設(shè)備供應(yīng)商都將高可用性作為一個主要的技術(shù)指標(biāo)。電信設(shè)備要求系統(tǒng)每年的連續(xù)運(yùn)行時間為99.999%，即每年宕機(jī)時間不超過5分15秒鐘。根據(jù)可用性的計算公式 Availability = MTBF / ( MTBF + MTTR )，給出下表。

系統(tǒng)可用性示意表

    從技術(shù)的角度來看，PICMG發(fā)布的熱插拔規(guī)范只是“預(yù)警”機(jī)制，也就是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過一種方式通知操作員按照規(guī)定的程序，在不關(guān)機(jī)的條件下更換故障模板，使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)然，在一定時間內(nèi)，故障模板上的功能是不能工作的。但高可用性系統(tǒng)必須具有故障自動檢測、診斷和排除故障能力，保證系統(tǒng)所有功能都正常連續(xù)運(yùn)行。這就需要冗余設(shè)計（Redundancy）、自動故障切換（Failover）以及進(jìn)行故障管理（Fault Management）。

    冗余設(shè)計的目的是為了消除單點(diǎn)故障（Single Point of Failure）。單點(diǎn)故障是指“由于系統(tǒng)中一個部件出現(xiàn)故障而將導(dǎo)致整個系統(tǒng)大部分失效或完全失效的故障”。這是高可用性系統(tǒng)所不允許的。冗余設(shè)計分為系統(tǒng)槽冗余、I/O冗余和整機(jī)冗余。

    系統(tǒng)槽冗余（Redundancy of System Slot, RSS），也稱為CPU板冗余。在傳統(tǒng)CPCI系統(tǒng)中，CPU板冗余主要有兩種方式，即主/主方式（Active/Active）和主/備方式（Active/Standby）。在主/主方式中，將系統(tǒng)分成2個獨(dú)立的段（Segment），每段一般6個插槽。每個CPU板管理一個段，兩個CPU同時工作。當(dāng)一個CPU板出現(xiàn)故障時，這個CPU板被隔離，由另一個CPU接管控制權(quán)來同時管理2個段，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在主/備方式（Active/Standby）中，在某一時間段，系統(tǒng)只有一個CPU工作。當(dāng)一個CPU出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)馬上切換到備份CPU板，由備份CPU板接管系統(tǒng)的控制權(quán)，故障CPU板被迅速隔離。備份CPU板是處于“熱備份”狀態(tài)，還是處于“冷備份”狀態(tài)，需視具體情況而定。當(dāng)然，冗余設(shè)計和多主系統(tǒng)設(shè)計是不能等同起來的，多主系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，但CPCI的冗余設(shè)計一般還不能。在CPCI系統(tǒng)中，CPU板與段之間的連接和故障切換需要通過PCI-to-PCI橋或Switched PCI Fabric實(shí)現(xiàn)。

    I/O冗余（Peripheral Redundancy）。I/O模板的熱插拔功能可以縮短系統(tǒng)的MTTR，但卻不能防止系統(tǒng)出現(xiàn)宕機(jī)。為此，需要設(shè)計I/O冗余。I/O冗余一般采用主/備機(jī)制，當(dāng)主工作不正常時，在沒有人干預(yù)的情況下，自動切換到備份，由備份I/O板作為主I/O板，接替原主I/O板的工作。然后通知系統(tǒng)維護(hù)人員，更換故障I/O，將系統(tǒng)恢復(fù)到冗余狀態(tài)。

    故障管理。為了將系統(tǒng)的宕機(jī)時間降到最短，系統(tǒng)還必須有完善的故障管理機(jī)制。故障管理一般分為5個階段或過程：

故障檢測（Detection）；

故障診斷與定位（Diagnosis & Location）；

 故障隔離（Isolation）；

故障切換（Failover）；

故障排除（Repair or Replacing）。

    當(dāng)然，系統(tǒng)的高可用性硬件設(shè)計也只能保證硬件系統(tǒng)連續(xù)工作，但不能保證系統(tǒng)連續(xù)可用，還需要高可用性系統(tǒng)管理軟件的支持。高可用性系統(tǒng)管理軟件一般分三個層次：底層硬件驅(qū)動程序，由硬件供應(yīng)商提供；中間層是軟件中間件（middleware），對系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測、實(shí)現(xiàn)硬件資源管理與切換，一般由第三方提供；最上層是系統(tǒng)應(yīng)用管理軟件，對整個系統(tǒng)進(jìn)行管理，保證信息的正常流通和信息的完整性，一般由系統(tǒng)設(shè)備制造商針對特定應(yīng)用自行研制。

    需要指出的是，多處理器技術(shù)（Multi-Processors, MPS）也是冗余設(shè)計中經(jīng)常采用的技術(shù)之一，一般分為對稱多處理器（Symmetric Multi-Processor, SMP）系統(tǒng)以及非對稱多處理器（Asymmetric Multi-Processor, AMP）系統(tǒng)兩種。冗余設(shè)計也可以采用系統(tǒng)級冗余設(shè)計，如雙機(jī)冗余和三模冗余（Triple Modular Redundancy, TMR）等。

2.4   CompactPCI總線的電源冗余和風(fēng)扇冗余

    為了給CPCI系統(tǒng)提供一種可靠的、方便維護(hù)的供電方式，1999年，國際CompactPCI協(xié)會發(fā)布了電源接口標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.11 R1.0 CompactPCI Power Interface Specification。R1.0為CPCI系統(tǒng)定義了可拔插的、模塊化的電源電氣和機(jī)械接口，以及對CPCI平臺系統(tǒng)和電源管理最少的接口要求，為CPCI熱插拔和HA系統(tǒng)提供1+1冗余、N+1冗余和N+N冗余電源設(shè)計提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。冗余電源的設(shè)計的核心是均流（Current Sharing）或負(fù)載均衡（Load Balancing）設(shè)計、故障切換和熱插拔。

    為了給CPCI系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的制冷能力，高可用性CPCI系統(tǒng)要求風(fēng)扇冗余設(shè)計。風(fēng)扇冗余一般采用N+M方式（如N=2，M=4）和Active/Active機(jī)制工作，并可以熱插拔更換。任何一組都要有為系統(tǒng)提供足夠制冷的能力。

2.5   CompactPCI完善的系統(tǒng)管理架構(gòu)

    2000年2月，PICMG發(fā)布了具有重要意義的系統(tǒng)管理標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.9 R1.0，CompactPCI System Management Specification。標(biāo)準(zhǔn)為CPCI系統(tǒng)定義了基于IPMI接口規(guī)范的IPMB總線及其管理總線網(wǎng)絡(luò)。互為備份的兩個專用的系統(tǒng)管理控制器模板（獨(dú)立于主CPU），實(shí)時采集和查詢系統(tǒng)所有部件的事件日志（Event Log），向系統(tǒng)管理員報告引起系統(tǒng)服務(wù)中斷的異常事件，以便及時采取預(yù)防措施，防止系統(tǒng)崩潰。系統(tǒng)所有部件（包括CPU模板、I/O模板、包交換模板、無源背板、故障切換電路、機(jī)箱、電源、冗余磁盤陣列、風(fēng)扇、網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)境條件等）的監(jiān)視和管理都統(tǒng)一由管理軟件和系統(tǒng)管理控制器通過IPMI接口和IPMB網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

2.6   脫穎而出的CompactPCI交換式以太網(wǎng)背板技術(shù)

    CPCI總線最初只是單一的總線標(biāo)準(zhǔn)。但當(dāng)1997年PICMG將H.110 Telephony Bus增加到CPCI背板上時，激發(fā)了人們的創(chuàng)新靈感，去探索“將行業(yè)專業(yè)總線移植到CPCI背板上，使單一的PCI數(shù)據(jù)傳輸總線演變成控制總線”的可能。事實(shí)上，這一方面反映了“主流電信設(shè)備供應(yīng)商希望用CPCI架構(gòu)滿足一些高端應(yīng)用的要求”，另一方面也說明人們已經(jīng)開始尋求打破CPCI總線插槽數(shù)量限制和高速數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的手段。為此，PICMG協(xié)會成立了由Performance Technologies牽頭、50多家公司參加的PICMG 2.16工作組，目標(biāo)就是將交換式以太網(wǎng)機(jī)制（Switched Ethernet Fabric）增加到CPCI架構(gòu)中。經(jīng)過幾年卓有成效的工作，PICMG于2001年9月發(fā)布了以太網(wǎng)包交換背板標(biāo)準(zhǔn)PICMG 2.16, CompactPCI Packet Switching Backplane Specification。

    PICMG 2.16的發(fā)布說明了什么問題？首先，它代表了人們追求不斷提升信息交流速度的愿望，打破了并行總線對傳輸速度的物理限制。其次，它也預(yù)示著CPCI架構(gòu)的板級互連方式從一點(diǎn)對多點(diǎn)的并行總線步入到了點(diǎn)對點(diǎn)的串行總線互連時代。第三，它也表明人們在尋求提升系統(tǒng)性能的途徑時，傾向和選擇已經(jīng)成熟的交換機(jī)制（Switched Fabric）技術(shù)，如Switched Ethernet、Switched Starfabric以及Switched Infiniband技術(shù)等，而且有些已經(jīng)形成了產(chǎn)品。因為冗余設(shè)計簡單、故障容易隔離、更換方便，因此基于交換機(jī)制的架構(gòu)更適合設(shè)計高可用性系統(tǒng)。

    PICMG 2.16主要是面向電信應(yīng)用而設(shè)計的。PICMG 2.16使用雙冗余的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過以太網(wǎng)交換板實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)到點(diǎn)互連，消除了單點(diǎn)故障，可以提供大約40倍PCI總線的傳輸性能以及高度的可靠性和靈活性。基于PICMG 2.16可以構(gòu)成刀片式服務(wù)器集群，電信設(shè)備商或服務(wù)商可以用來研制下一帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（NGN）產(chǎn)品，如 2.5G和3G無線設(shè)備、VoIP媒體網(wǎng)關(guān)、軟交換（SoftSwitch）設(shè)備、信令網(wǎng)關(guān)、IP DSLAM、語音/視頻/數(shù)據(jù)服務(wù)器以及呼叫中心服務(wù)器等。所有這些設(shè)備都需要高可用性、高密度、高可靠性和高數(shù)據(jù)吞吐量，這正是PICMG 2.16所具備的特征。

2.7   AdvancedTCA技術(shù)方興未艾

    寫到這里，人們不禁要問“融合了PICMG 2.16技術(shù)的CPCI架構(gòu)難道可以滿足未來數(shù)年之內(nèi)電信技術(shù)發(fā)展的所有需要嗎”？答案肯定是“不能”。首先，隨著寬帶技術(shù)的發(fā)展，需要可以切換每秒Terabits傳輸能力的處理平臺架構(gòu)相適應(yīng)。而目前使用的CPCI連接器不具備傳輸這么高速的低壓差分信號（LVDS）的能力。其次，目前CPCI模板的尺寸小，不能滿足日益增加的功能和容量設(shè)計的要求。第三，隨著處理器以及其它關(guān)鍵芯片性能的迅速提升，功耗也大幅度增加，目前CPCI的供電能力不能滿足要求。第四，目前CPCI插槽之間的0.8″間距已經(jīng)不能適應(yīng)系統(tǒng)散熱等功能的要求，如加大的散熱片、變高的內(nèi)存模塊以及制冷氣流流量的增大等。因此，市場迫切需要發(fā)明新的交換技術(shù)，以滿足日益增長的對具有每秒Terabits傳輸性能的開放式架構(gòu)平臺的需求。這就是新興的PICMG 3.x – AdvancedTCA技術(shù)。

    從PICMG 2.16到AdvancedTCA，Ethernet嵌入到Backplane上的技術(shù)在不斷地發(fā)展。與PICMG 2.16低成本的、冗余的、Gigabit以太網(wǎng)背板相比，AdvancedTCA以太網(wǎng)背板已經(jīng)超越了Gigabit，達(dá)到了數(shù)十Gigabit，而且還在繼續(xù)發(fā)展。

2.8   CompactPCI總線與PICMG 2.16、AdvancedTCA的關(guān)系

    在今后5-10年，CompactPCI總線與PICMG 2.16、AdvancedTCA在相互補(bǔ)充中共存。CompactPCI總線主要面向工業(yè)自動化應(yīng)用，將逐漸取代VME和IPC，牢牢占據(jù)基礎(chǔ)自動化和過程自動化層。而PICMG 2.16和AdvancedTCA將主要針對電信應(yīng)用，畢竟那是個具有1000億美元的大市場。作為已經(jīng)量產(chǎn)并投入運(yùn)行的PICMG 2.16產(chǎn)品，憑借其高可用性、低成本將主要占據(jù)用量比較大的電信邊緣設(shè)備市場。而剛剛發(fā)布的、在2004年以后才可能投入運(yùn)行的AdvancedTCA將主要占據(jù)價位高、用量小的電信核心設(shè)備市場，與PICMG 2.16形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

3         PXI與虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展勢頭迅猛 

3.1虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展

    電子測量儀器的發(fā)展大致經(jīng)歷了四代產(chǎn)品：第一代模擬儀器；第二代數(shù)字化儀器；第三代智能儀器；第四代虛擬儀器。在現(xiàn)代電子測量領(lǐng)域中，虛擬儀器無疑是現(xiàn)在和將來自動測試技術(shù)發(fā)展的主要方向。區(qū)別于傳統(tǒng)臺式的、用電路實(shí)現(xiàn)的、功能固定的模擬儀器，虛擬儀器（Virtual Instruments）基于軟件技術(shù)設(shè)計，通過計算機(jī)提供的強(qiáng)大圖形環(huán)境和功能擴(kuò)展能力，建立圖形化的虛擬儀器面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測量和分析以及測量結(jié)果顯示等功能。它利用工業(yè)計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、開放式體系結(jié)構(gòu)，配上相應(yīng)的儀器驅(qū)動軟件，使計算機(jī)成為一臺具有高度測試自動化能力、功能強(qiáng)大的“儀器”。虛擬儀器能通過修改軟件和重新配置，實(shí)現(xiàn)不同的測量功能。虛擬儀器今后的發(fā)展趨勢主要有三個方面：首先，虛擬儀器將增加更多的功能，同時在采樣速度和分辨率上也會有很大提高；其次，控制、處理和通信能力將進(jìn)一步增強(qiáng)，如數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)處理、FPGA編程能力以及提高數(shù)據(jù)分析性能；第三，虛擬儀器將突破傳統(tǒng)上只提供測試功能的應(yīng)用局限，向設(shè)計、仿真、測量、控制、生產(chǎn)的連續(xù)過程擴(kuò)展。  

    從技術(shù)發(fā)展的角度來看，虛擬儀器走的是兩條技術(shù)路線：一條是向高速、高精度、大型自動測試設(shè)備（ATE）方向發(fā)展，即GPIB（1975）→VXI（1987）→PXI（1997）的發(fā)展路線。另一條是向高性能、低成本、普及型系統(tǒng)方向發(fā)展，即PC插卡（1987）→并口式（1995）→串口USB/FireWare方式（1999）的技術(shù)路線。  

3.2 PXI技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展方向

    PXI的技術(shù)特點(diǎn)主要有兩個：首先是基于CPCI，并兼容CPCI；其次是面向測試和測量應(yīng)用設(shè)計。PXI的規(guī)格也有兩種：3U和6U。3U的PXI主要應(yīng)用方向?qū)⑹墙M成便攜或小型的測試、SCADA、監(jiān)視與控制以及工業(yè)自動化系統(tǒng)。6U的PXI主要向高采樣速度、高帶寬、高精度、多通道容量的中、大型ATE應(yīng)用發(fā)展。

    PXI和VXI將在既競爭又互補(bǔ)中共存很長一段時間，最終PXI將取代VXI，成為主流工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試平臺。同時PXI將向工業(yè)自動化領(lǐng)域擴(kuò)展，與CPCI形成優(yōu)勢互補(bǔ)，與CPCI共同奠定未來工業(yè)自動化技術(shù)的基礎(chǔ)。

4         中國CompactPCI/PXI產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢喜人

     雖然近幾年受全球信息產(chǎn)業(yè)蕭條的影響，測試和測量（Test and Measurement）領(lǐng)域也處于低迷時期，但PXI卻異軍突起，成為該領(lǐng)域繼GPIB（IEEE488）之后成長最快的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。無論是生產(chǎn)廠家的數(shù)量、產(chǎn)品的種類和數(shù)量，還是系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)量都得到了大幅度增長，越來越多的項目轉(zhuǎn)向PXI解決方案。包括應(yīng)用于測量的CPCI模板在內(nèi)，現(xiàn)在可用于PXI系統(tǒng)集成的模板已經(jīng)超過1000種，產(chǎn)品相當(dāng)豐富。產(chǎn)品的性能也得到了顯著的提升，如數(shù)據(jù)采樣速度已經(jīng)達(dá)到2GHz，測量精度提升到了7位數(shù)字，射頻測量帶寬也達(dá)到了3GHz。而且PXI的性能（如測量速度和精度等）還在不斷地提高。可以預(yù)計在不久的將來，PXI可能超過甚至取代傳統(tǒng)盒式測量儀器，占據(jù)中、低頻段的高精度測量設(shè)備市場的主要份額。

    在中國，臺灣企業(yè)的PXI產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展比較快，處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。其中影響最大的是凌華科技集團(tuán)的PXI產(chǎn)品。據(jù)來訪的美國業(yè)界人士介紹，凌華的PXI產(chǎn)品在美國的影響力甚至超過了國家儀器公司（National Instruments），令我感到非常驚訝。內(nèi)地PXI技術(shù)研究和產(chǎn)品研制起步較晚，目前還沒有推出具有核心技術(shù)的、有影響力的產(chǎn)品。雖然少數(shù)企業(yè)也研制一些數(shù)采或儀器模板，還只能與臺灣和國外產(chǎn)品配套使用。國外產(chǎn)品主要來自美國國家儀器有限公司。我國軍方已經(jīng)將CPCI/PXI同時列入主要采購產(chǎn)品，測試和測量自動化領(lǐng)域也將PXI作為主要發(fā)展目標(biāo)，所以內(nèi)地企業(yè)與臺灣企業(yè)密切合作，共同推進(jìn)中國PXI技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)勢在必行。

    與PXI相比，CPCI產(chǎn)品在內(nèi)地的發(fā)展很快，有自主產(chǎn)品的廠家已經(jīng)發(fā)展到數(shù)十家，產(chǎn)品面廣。CompactPCI領(lǐng)導(dǎo)廠商臺灣凌華科技為工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)提供了從CPU主板、機(jī)箱、電源到I/O的全系列完整解決方案。此外，還有臺灣研華、臺灣大眾、臺灣麥肯、臺灣致茂、北京康拓科技集團(tuán)研發(fā)中心、中國船舶重工集團(tuán)第七零九所、七一六所、中國航天科工集團(tuán)七零六所、航天西安七七一所、電子部上海32所等廠商，可以研制和生產(chǎn)具有核心技術(shù)的系統(tǒng)平臺產(chǎn)品。內(nèi)地的其它廠家，如北京新松佳和、興夏機(jī)電、深圳研祥、深圳艾雷斯、上海鼎鈦克、北京理工大學(xué)、北京寰龍科技、北京瑞賽科技、北京世紀(jì)興元、北京旋極信息技術(shù)、北京中科泛華、陜西海泰、四川縱橫儀器公司、北京方天長久等，主要提供各具特色的配套I/O產(chǎn)品。在電信產(chǎn)業(yè)方面，CompactPCI/PICMG 2.16產(chǎn)品供應(yīng)商主要來自臺灣凌華、臺灣研華、東進(jìn)技術(shù)、杭州三匯、北京林克海德、上海倍生電子科技、杭州邁可行、泰信科技、新太科技、炎黃新星等。電信巨頭華為、中興、大唐等公司也基于CompactPCI/PICMG 2.16標(biāo)準(zhǔn)自主研制了一系列新產(chǎn)品，并開始打入國際市場。市場上還有Intel、Ziatech、Motorola Computer Group、Kontron、NMS、Force以及Performance Technologies等國外廠家的產(chǎn)品。但總的來看，中國自主研制的CompactPCI產(chǎn)品在市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。

5         中國CompactPCI/PXI技術(shù)的應(yīng)用氣氛活躍

     近幾年，無論是工業(yè)自動化領(lǐng)域、測試和測量自動化領(lǐng)域還是電信等其它領(lǐng)域，人們對標(biāo)準(zhǔn)化、開放性和面向未來的技術(shù)孜孜不倦的追求，有力地驅(qū)動著CompactPCI/PXI技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。與此同時，CompactPCI/PXI技術(shù)也逐漸被內(nèi)地市場所接納和認(rèn)同，應(yīng)用氣氛十分活躍，應(yīng)用效果明顯。

    在工業(yè)自動化領(lǐng)域，CompactPCI/PXI應(yīng)用的成績顯著。唐山大學(xué)基于CompactPCI/PXI技術(shù)研制的鍋爐供熱自動控制系統(tǒng)，成功地應(yīng)用在唐山市熱力總公司供熱項目上，開發(fā)周期短，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。陜西海泰電子研制的多通道瞬態(tài)信號測試系統(tǒng)，檢測器件電起爆/點(diǎn)火瞬態(tài)響應(yīng)特性，解決了石油行業(yè)中火工品器件的參數(shù)測試問題。上海寶鋼采用CompactPCI/PXI研制的軋機(jī)震動紋自動監(jiān)測、診斷系統(tǒng)，應(yīng)用于軋鋼廠冷軋平整機(jī)組，為指導(dǎo)現(xiàn)場操作、進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制以及設(shè)備維護(hù)提供了科學(xué)手段。清華大學(xué)利用基于CompactPCI/PXI技術(shù)建設(shè)的實(shí)驗室熱工水利學(xué)測控平臺，研制成功了先進(jìn)的熱工測量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，完成了海水淡化等重要課題研究。天津大學(xué)采用CompactPCI/PXI研制的原油管道泄漏遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，成功應(yīng)用于勝利油田和華東輸油管理局的集輸管線和長輸管線，取得了很好的效果。北京航空航天大學(xué)應(yīng)用CompactPCI/PXI技術(shù)成功完成了航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)管道聲模態(tài)及非定常特性測量的數(shù)據(jù)采集和分析課題。中國科學(xué)院上海所采用CompactPCI/PXI技術(shù)，研制成功的實(shí)驗衛(wèi)星的信號分析系統(tǒng)和整星測試系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。清華大學(xué)基于CompactPCI/PXI技術(shù)，研制成功了數(shù)字地震監(jiān)測系統(tǒng)，用于中國的核電站建設(shè)。鐵科院基于CompactPCI/PXI技術(shù)研制成功的列車調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)得到應(yīng)用。西安翔宇航空科技有限公司在充分分析和借鑒國外先進(jìn)ATE技術(shù)基礎(chǔ)上，采用CompactPCI/PXI研制成功了航空機(jī)載電子設(shè)備全自動綜合測試系統(tǒng)，已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)通訊、導(dǎo)航、儀表和機(jī)載計算機(jī)的維修測試過程。中國空間技術(shù)研究院采用CompactPCI/PXI研制了一系列星載計算機(jī)及其測控系統(tǒng)的地面測試設(shè)備，完成新技術(shù)改造任務(wù)。

    CompactPCI/PICMG 2.16產(chǎn)品在電信領(lǐng)域的應(yīng)用，目前還主要集中在電信增值業(yè)務(wù)這一塊，比如新一代聲訊平臺和虛擬運(yùn)營等。華為、中興和大唐已經(jīng)采用CompactPCI/PICMG 2.16技術(shù)研制了一系列新產(chǎn)品，并得到了廣泛應(yīng)用。北京林克海德公司采用CompactPCI/PICMG 2.16，自主開發(fā)了個性化回鈴音業(yè)務(wù)，并在山東聯(lián)通、河南聯(lián)通得到了應(yīng)用。東進(jìn)技術(shù)基于CompactPCI/PICMG 2.16研制的數(shù)字中繼語音卡產(chǎn)品，已在很多地區(qū)得到了應(yīng)用。杭州三匯公司基于CompactPCI研制的語音卡產(chǎn)品，也在電信、金融等行業(yè)得到了應(yīng)用。偉橋計算機(jī)股份有限公司正在與凌華科技合作，研制基于CompactPCI/PICMG 2.16技術(shù)的VoIP網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，進(jìn)軍CTI市場。杭州邁可行基于CompactPCI/PICMG 2.16研制的MPS2000業(yè)務(wù)交換平臺，已經(jīng)在上海電信等得到了應(yīng)用。

6         結(jié)論

     從1997年全球不足2000萬美元的小行業(yè)，發(fā)展到2002年20億美元的產(chǎn)業(yè)，預(yù)計在2003年將達(dá)到32億美元，短短幾年，CompactPCI走過了一個不平凡的發(fā)展歷程。從研制、到生產(chǎn)、到銷售、到應(yīng)用、到服務(wù)，CompactPCI已經(jīng)在國內(nèi)形成了完整的運(yùn)行體系，并保持著良好的發(fā)展勢頭，有效地推動著工業(yè)自動化、測量自動化和信息化產(chǎn)業(yè)朝著面向未來的標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展。

    國家非常重視CompactPCI技術(shù)在內(nèi)地的發(fā)展，在“九五”和“十五”計劃中都將CompactPCI技術(shù)作為了優(yōu)先發(fā)展項目。從2001年開始實(shí)施的一系列工業(yè)自動化重大專項也將“以工業(yè)控制計算機(jī)為基礎(chǔ)的開放式控制系統(tǒng)”產(chǎn)業(yè)化列入了第一批支持項目，并明確指出“研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化CompactPCI系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”是該項目的重點(diǎn)任務(wù)。今后，中國計算機(jī)行業(yè)協(xié)會PICMG/PRC愿與各界同仁一道，為不斷提升我國CompactPCI/PXI技術(shù)研制水平和應(yīng)用水平，促進(jìn)CompactPCI/PXI技術(shù)的普及、交流和發(fā)展，為早日實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)CompactPCI/PXI產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化而繼續(xù)努力！