从广播电视监测的需求角度浅谈CPCI等总线技术的对比分析.pdf

传媒技术155导语随着计算机行业的快速发展，多处理器的出现和CPU 速度的不断提高，对微型计算机的体系结构造成了一定的影响。为了满足 CPU 的高速数据传输需求，出现了多总线结构，即 CPU 和其他设备之间连接着两种以上不同的总线，这种结构可将速度不同的两种设备挂载到不同的总线上，减少了总线竞争，提高了系统效率。在多总线结构中，局部总线是重要的一部分，它负责处理器和其延伸线路之间的同步操作。通过直接将外部设备挂在局部总线上，可以实现独立运行而不占用 CPU 资源。正是因为局部总线具有极高的数据传输率，从而被广泛应用于 CPU 与高速缓冲存储器等对传输信息速度有高要求的场合。随着总线技术的发展，其在发展过程中根据实际的需求慢慢形成了几种标准：如 ISA 总线标准、VME 总线标准、PCI总线标准、CPCI 总线标准、PCI Express 总线标准等。然而，对计算机平台而言，能够提供给开放性电信的选择不多，只有 PCI、VME 和 Compact PCI。以山东省广播电视监测中心对前端监测设备的需求为例，其要求前端设备采用的嵌入刀片式结构，必须具有可热插拔（Hot Swap）、高开放性、高可靠性的特征。板卡结构具有良好散热条件、抗振动冲击能力，同时具有气密性、防腐性，符合高抗干扰电磁兼容性要求。因此往往要求板卡所使用的总线也能够满足上述条件，如应对复杂的电磁环境，具有气密性、防腐性等，以确保前端监测板卡能够在上述环境下稳定工作。为保证对各地市广播电视的正常监测，需要将现有的标清数字电视信号监测系统升级为高清信号监测系统。以山东省 DTMB 地面数字电视监测系统为例，其要求支持 32 路高清/标清数字电视节目的视音频异态监测及转码或 8 路 4K 节目的视音频异态监测及转码，这对监测板卡总线支持的通信速率提出了更高的要求。此外，随着技术的不断发展，监测中心的设备也需要同步进行升级，在升级时，不可能一刀切更新完所有设备，所以监测的前端设备要拥有兼容性广泛的总线协议。对上述几种总线技术该如何抉择，则需要每个企业根据自身实际需求以及发展切身考虑。1.三种总线的发展及特点1.1 PCI 总线的发展及特点PCI 总线是一种局部总线，它由 Intel 公司于 20 世纪 90 年代初推出，其含义是外设部件互连（Peripheral component interface）1，PCI 总线的出现让 CPU 绕过了传统意义上的总线，直接与需要高速处理数据的模块相连接，采用将部分系统扩展模块直接与 CPU 芯片挂接的设计思想，而那些对速度要求不高的外设则留在传统的总线上。作为计算机的 I/O 总线，在 20 世纪90 年代时开始逐渐替代 ISA 总线，并且在随后的发展的过程中，不断自我革新，满足时代的需求。在短短10 多年间，历经了 PCI、PCI-X 以及 PCI-E 这三个演变历程，已经作为一种成熟的局部总线结构，广泛应从广播电视监测的需求角度浅谈 CPCI 等总线技术的对比分析亓振军（山东省广播电视监测中心，山东 济南 250000）摘要：【目的】为使广播电视监测系统在众多的总线技术中选择合适自身的总线技术，降低成本，提高监测效率和稳定性。【方法】文章从山东省广播电视监测中心的需求角度出发，介绍 CPCI 总线、PCI 总线、VME 总线这三种总线的发展和特点，并且进行比较。【结果】最终发现 CPCI 总线能够将 VME 和 PCI 的优点有机地结合在一起，具有较高的性能和良好的可靠性等诸多优点。【结论】最后根据山东省广播电视监测系统的实际情况和需求，最终选择了 CPCI 总线技术。关键词：CPCI 总线；PCI 总线；VME 总线；山东省广播电视监测中心 中图分类号：TN948 文献标识码：A文章编号：1671-0134（2023）08-155-04 DOI：10.19483/ki.11-4653/n.2023.08.033本文著录格式：亓振军.从广播电视监测的需求角度浅谈CPCI等总线技术的对比分析J.中国传媒科技，2023（08）：155-158.156传媒技术用于高速外围设备。PCI 总线是可复用 32/64 位地址数据线的一种高性能总线，支持多组外围设备，并且具有高度开放性和广泛的兼容性。其特点如下。（1）高速的数据传输性能。PCI 总线采用宽 32位数据总线（可扩展至 64 位），支持突发性传输，当处于 32 位数据总线和 33MHz 时钟频率下，PCI 总线在读写操作中峰值传送速度达到 132MB/s，64 位时则达到 32 位的两倍。较高的传输速度有效地缓解了数据I/O 瓶颈，提高了 CPU 利用率，适应了高速设备数据传输的需求。（2）兼容多种总线。PCI 总线的出现旨在辅助现有的扩展总线标准，能够兼容其他总线（如 ISA、EISA），在系统中容纳不同速度的设备一起工作，提高系统的兼容性和可扩展性。CPU 总线和 PCI 总线的桥接是通过 HOST-PCI 桥接组件芯片完成的。之后通过 PCI-ISA/EISA 桥接组件芯片，PCI 总线与 ISA/EISA总线进行桥接，形成分层次多总线系统，高速设备移至 PCI 总线上，低速设备继续挂在 ISA/EISA 总线上，系统兼容性得到了拓展。（3）独立的结构。PCI 总线的结构独特，适用于多种不同的处理器，只需更换桥接组件即可用于各种新型处理器（4）即插即用。PCI 设备拥有自己的配置空间，可存储基地址和内存地址等信息。系统 BIOS 和操作系统层软件可自动配置 PCI 总线设备和插卡，使用户使用更为方便。（5）并行总线操作。PCI总线支持完全并行操作，以提高总线的吞吐量和效率。即处理器总线、PCI 总线和扩展总线可以在北桥和南桥的支持下同时进行操作。1.2 VME 总线的发展和特点VME 总线是一种通用计算机总线，由 Mostek、Motorola、Signetics/Philips 公司推出。它结合了 Versa总线的电气标准和 Eurocard 标准的机械形状因子，采用开放式架构。VME 国际贸易协会组织（VITA）于 1984 年成立，主要致力于推动 VME 总线的市场和发展。1987 年，VME 总线被 IEEE 正式接纳为万用背板总线（Versatile Back Plane Bus）标准，标准号为 ANSI/IEEE-1014，将两个 96 芯的针孔连接器作为总线接口，数据宽度为 32 位，带宽为 40MB/s，市场名称为 VME32。1995 年，新一代的架构 VME64脱颖而出，相比较传统的 VME 系统，VME64 的传输带宽达到了 80MB/s，有了很大提升。此后衍生出的 VME64x 是 VME64 的延伸，将数据传输速度增至160MB/s。经过十多年的改造升级，VME 的高可靠性使其在工业控制、军用系统、航空航天等领域得到了广泛的应用。2VME 总线有以下诸多特点：（1）VME 是异步传输的数据传输方式，其周期不定，可复用也可非复用。（2）该总线支持 16、24、32、40 或 64 位多种位数的寻址和 8、16、24、32、64 位数据传送，可根据系统需求动态选择。（3）其数据传输速率为 0 500Mb/s。（4）该总线支持 Unaligned Data 传输，具有误差纠正能力和自我诊断能力，并可由用户定义 I/O 端口。（5）其配有多个背板和多达 21 个插卡插槽，在极限情况下，可以有 21 个处理器单元。（6）拥有 7 条中断请求线。1.3 CPCI 总线的发展和特点CPCI 是由国际工业计算机制造者联合会 PICMG在 20 世纪 90 年代公布的一种高性能总线接口标准，它的电气规范标准承袭自 PCI 局部总线的电气特性和规范，封装则采用欧式卡的工业组装技术。这些都使得 CPCI 与 PCI 总线完全兼容，PCI 总线转变成 CPCI插卡只需改变接口电路，无须改变整体的逻辑、电气和软件功能，从而降低开发难度、缩短开发周期，并节约开发成本。CPCI 在工业计算机领域、军用设备领域、测控系统和数据通信系统中应用广泛，具有高可靠性和开放性。3CPCI 总线是根据工业控制环境的要求，通过改造总规范而产生的总线，它汲取了 PCI 总线和 VME 总线的精华，具有如下优点。1.3.1 标准规格的机械结构对 IPC 来说，它采用了一种新型的机械结构，即标准欧卡规格的机械结构，这种结构在 PCI 环境中具有更高的可靠性和可维护性。同时，IPC 放弃了传统的金手指式互连方式，改用密度更高的 2 毫米针孔连接器，这种连接器具有较强的气密性和防腐性，从而更进一步提高了 IPC 的可靠性，并增加了负载能力。CPCI 为工业应用场合设计，采用三段 EDS 静电导出条机械结构，通过导轨上的静电卡子和地连接，能有效防止静电对器件和系统的干扰。经过测试，该系统能抵抗高达 8000V 的浪涌脉冲，为恶劣的工业应用环境提供可靠保障。41.3.2 支持热插拔应电信的要求，PICMG 于 1994 年制定了 CPCI 的热插拔标准，在不破坏系统的正常工作的前提下，在系统仍在运行没有断电的条件下，拔出或插入板卡均传媒技术157不对系统造成影响。热插拔的好处是在不关闭系统的情况下增强系统性能或诊断系统故障，这是 CPCI 总线的重要优势。为传输不同类型的信号，该连接器采用了长、中、短针 3 种不同的连接方式。板卡的长针传输预充电电源，中针传输工作电源和信号，短针传输控制电源和监测板卡状态的信号。1.3.3 高扩展性CPCI 拓展了现有的 PCI 所适用的环境，使其能够适用于高要求领域。它不是用单一总线实现的多板卡运行，而是通过 PCI-PCI 桥接芯片来连接。7 个 CPCI插槽可桥接成一个 PIC 总线段，一个单一完整的系统则由多个 PCI 总线段组成。CPCI 总线可同时连接多个PCI 设备，一个典型的子系统最多可支持 8 个插槽。此外，通过使用网桥芯片进行扩展，CPCI 总线可进一步扩充插槽数量。51.3.4 被动式背板在传统工业的 PC 中，更换一块板卡十分耗时，需要去掉机箱盖，从板卡上断开所有连接，再换卡重新连接后将机箱盖上。再者像 PCI 等其他类型的插卡只能从主板的上面插拔，通过顶角固定。这对信号要求极高的电信行业或者其他行业来说，这种方式不够稳定，会带来太多的误差。但是 CPCI 系统的插卡采用被动式背板配置，插拔均在系统正面进行，方便了升级和修改时的插拔和替换。1.3.5 高传输性能CPCI 在 64 位/66 MHz 系统配置情况下，能够提供 528 MB/s 的背板传输能力。电信行业往往对于传输速度有着很高的要求，因此在电信行业，带宽是衡量嵌入式系统的主要指标，在这方面，CPCI 具有很强的优势。62.三种总线的比较根据山东广播电视监测中心的实际情况，同时考虑到相关企业相关技术的研发和市场化实际应用情况，在这三种总线中选择出一种符合广播电视监测的工作环境要求，同时能够方便相关企业进行对应的开发工作，降低项目总体成本，需要对这三种总线进行细细比较。近些年来，随着 IPTV 的广泛应用，运营商大规模开展 IPTV 建设和运营。与此同时也带来了很多负面问题，使得电视监测中心面临着新的挑战。涉及境外媒体、盗版、社会矛盾与冲突等内容的 IPTV 业务，包括运营商自办频道、私增隐藏频道、非法插播、版权违规和低质量传输等行为，对信息和文化安全构成了较大的安全隐患。随着 IPTV 业务的发展和影响力日益扩大，对其施行监管的需求变得更加紧迫。山东广播电视监测系统不仅在传统电视和数字电视的监测系统中大规模运用了 CPCI 总线技术，针对新兴的 IPTV 业务的监测系统也采用了 CPCI 总线技术。首先，针对这 3 种总线技术，PCI 总线作为台式机系统在业界的标准，拥有庞大的 PC 市场做后盾，众多的程序以及廉价的芯片均可以支持此项技术，其成本低廉，拥有众多的选择以及采纳新技术的周期短让它能够在市场上得到广泛的应用。但是它无法为要求高可靠性、高可用性的系统提供服务。VME 标准是面向工业应用开发的，非常重视高可用性。它的封装密集坚固，安装和移动十分方便，具有很高的可靠性。但由于专门的工业设计，造价高昂，应用范围有限，开放性不足。CPCI 的出现将 VME 和 PCI 标准的优点组合在一起，融合了计算机电信的 CT-Bus 总线标准。因此，它得到了设备制造商和服务供应商的广泛接受。7其次，由于整体的电视监测系统需要网络的支持，因此对传输速度的要求也颇高，从之前介绍的 3 种总线技术中可知 32 位 33MHz 的 PCI 总线最大传输速度为 132MB/s，与 32 位 33MHZ 的 CPCI 总线最大传输速度相同，64 位、66MHz 的 CPCI 总线和 PCI 总线的最高传输速度均可达 528MB/s，而 32 位的 VME 总线最大理论带宽为 40MByte，其实际传输速度为 15 MB/s，从传输速度来看，VME 的带宽太小，PCI 总线和 CPCI总线技术则可以很好的满足电视监测网络的需求，且VME 总线工控机没有统一的软件标准，因此更依赖于硬件，软件研制是它的最大弊端，需要付出高昂的费用和漫长的研制周期，而 PCI 总线和 CPCI 总线技术可以利用 PC 技术的软件资源，产品研制周期短、传输速度高、成本低，整体考虑下来，先将 VME 总线技术排除了。PCI 总线虽然被广泛应用于工业界，但是无法提供高可靠性，也难以大规模地扩展 I/O 接口，同时其数据采集板卡的插槽散热性能也有欠缺，主板接口稳定性表现不佳，更换接口板卡时容易损耗，难以满足电视监测系统复杂的工作环境要求。CPCI 总线的前身是 PCI 总线，且将 PCI 总线和 VME 总线的优势均结合了起来，并能够兼容这两个总线技术，其较 PCI 标准的金手指式连接器，抗冲击、振动的能力大大提高、能够在复杂电磁环境下稳定工作、有效防止静电对器件和系统的干扰。其散热能力和连接稳定性也是 PCI总线无可比拟的。相较于VME，其传输速度、后期维护、软件设计上具有较大优势。采用 CPCI 总线，对于板卡程序的维护来说也十分便捷且不需要停机，因此，对于电视监测网络来说，CPCI 总线的种种优势，都表158传媒技术明了其更适合电视监测系统的发展。8根据 CPCI 总线的设计特点，在结合山东广播电视监测系统与企业多年沟通和交流的基础上，形成了一种新的设计理念，对 CPCI 的板卡结构进行选择。在结构上，有着两种尺寸规格，其一为 3U，另一个则是 6U。3U 的尺寸规格为 100mm160mm，6U 的规格则是 233.35mm160mm，其结构见图 1 所示。3U 板卡可通过 J1、J2 的 2 个孔氏连接器与背板相连，实现64 位的 PCI 信号连接，与主板通信，可提供给用户自定义 I/O 口共 64 个。6U 板卡则是在 3U 板卡的基础上增加了 J3、J4、J5 三个连接器，拥有多达 315 条 I/O接口线供用户自行定义。根据这 2 种结构的特点，又根据实际的需求，对CPCI 板卡的尺寸采用 6U 的规格，但是仅采用 J1、J2两个孔氏连接器，足以实现 PCI 信号连接，达到所需的功能。9图 1 CPCI 板卡结构图结语在工业控制现场中，信号检测与反馈环节的实际工作环境往往十分恶劣且复杂，同时需要采集大量数据并且要求采集速率、精度高，因此数据采集系统的性能和稳定性非常重要。计算机总线技术的发展也为此做出了贡献，从 ISA 总线开始，经过 PCI 总线、VME 总线，到 CPCI 总线，不断拓展和完善，以确保控制过程的准确性、高效性和稳定性。PCI 总线因其能够得到众多的程序支持，且能够以低廉的价格买到相应的芯片，在 PC 机市场中得到广泛的应用，但是其不可靠性，却让一些要求高可靠性的系统望而却步。VME 总线标准成熟、可靠性高，常用于军用嵌入式计算机等领域。虽然比 PCI 总线来说更加稳定，经过 20 多年的发展，它在传输速度上仍低于 PCI 总线，且其成本昂贵，仍是一大缺陷。而 CPCI 的出现，则是将这两者的优点都结合了。CPCI 总线被广泛应用于工业控制，其在复杂的环境中确保数据准确采集。CPCI 总线的高性能和通用操作系统，确保系统的高速数据传输和良好的兼容性，为数据采集系统的可靠性提供了保障。总之，CPCI 总线具有可热插拔（Hot Swap）、高开放性、高可靠性。板卡结构具有良好散热条件、抗振动冲击能力、符合高抗干扰电磁兼容性要求，具有气密性、防腐性。能够满足电视监测系统的复杂工作环境的工作要求。在传输速率上也可能满足电视监测系统的传输要求，在过去和未来都是电视监测系统采用最多的总线选择。山东广播电视监测中心已经选择采用 CPCI 总线的监测前端设备，其既能与已有的广播电视监测系统中心监管平台兼容对接，实现互联互通，也可混插于山东省电视监测台已有的 CPCI 监测机箱，降低系统升级改造的成本。可以预见，CPCI 在电视监测领域的应用会越来越广。参考文献 1 PCI Local Bus Specification，Revision 2.2，PCISIG，December 18，1998.2 崔亮，杜新华，黄栋杉.浅谈 CPCI 总线与 VME 总线技术及在机载计算机中的应用J.航空电子技术，2012（1）：48-54.3 张天林，张思敏.CPCI-E 与 VPX 总线标准的比较分析J.工业控制计算机，2009（7）：1-2，5.4 张强，耿爱辉，曹立华，王挺锋.CompactPCI 板卡硬件设计与传输速率测试 J.光学精密工程，2009（8）：2047-2052.5 余捷杰.基于 CPCI 总线的操控功能主机的设计和实现D.北京：中国科学院大学（工程管理与信息技术学院），2015.6 汪强.基于 CPCI 总线的嵌入式计算机通用接口设计 J.计算机工程与设计，2008（4）：875-878.7 刘鑫，周金莲.CompactPCI 总线工控机技术的现状与应用 J.电子技术应用，2002（7）：6-8.8 王刚，吴斌，郝荣荣，等.CompactPCI 总线技术及系统设计 J.现代电子技术，2005（16）：92-94.9 彭友铭，肖子枫，郭 勐，等.CPCI 总线与 VME 总线桥接底板的研制 J.计算机工程，2006（24）：247-250.作者简介：亓振军（1979-），男，山东莱芜，科长，高级工程师，研究方向为广播电视、网络视听监测及系统建设。（责任编辑：张晓婧）