摘要
距離PICMG 1.2發(fā)布不到二年的時間，PICMG協(xié)會己開始制定更新的規(guī)范─PICMG 1.3，目的是要把一些新的I/O" title="I/O">I/O接口規(guī)格，如PCI Express、USB 2.0、Serial ATA、Gigabit Ethernet引入工業(yè)計算機(jī)平臺以提升系統(tǒng)頻寬" title="頻寬">頻寬。除了提升平臺的運算速度與頻寬，在系統(tǒng)管理與維護(hù)的便利性上，也做了一些改進(jìn)，如增加IPMB與hot plug的支持、減少排線的使用等。本文將介紹PICMG 1.3的主要規(guī)格。
PICMG 1.3的組成
PICMG 1.3總線接口是由兩個x16與兩個x8的PCI Express connector所構(gòu)成，符合PICMG 1.3的CPU板卡〈System Host Board, SHB〉或背板可支持的總線種類如表一所列。
表一：PICMG 1.3支持總線列表
表中可以看出PICMG 1.3主要提供PCI Express的支持，對PCI或PCI-X也有支持，但是次要的，而且SHB只支持32-bit寬度的PCI bus，只有背板才有可能支持到64-bit PCI bus。SHB又分長卡與短卡兩種，短卡僅支持connector A、B，長卡最多可支持到connector D。
提升I/O頻寬
從第一個工業(yè)計算機(jī)規(guī)范PICMG 1.0發(fā)布至今，總線從ISA演進(jìn)到PCI、PCI-X，一直到現(xiàn)在的PCI Express，每一次的更新，目的就是為了提升系統(tǒng)I/O的頻寬，表二是上述各種總線的頻寬比較表。
表二：各種總線的頻寬比較
表三是PICMG 1.0到PICMG 1.3，所支持的總線種類與頻寬列表。表中可以看出每次的規(guī)格更新，頻寬均提升了一倍以上。
表三：PICMG規(guī)范所支持的總線種類與頻寬比較表
更多的電源供給
為了支持新一代的CPU與內(nèi)存，在電源供給上，PICMG 1.3增加了更多的power pin，表四是PICMG 1.0到PICMG 1.3的電源供給比較表。
表四顯示，PICMG 1.3大幅度增加+12V電源的供給，也減少+5V的供給。因為在Pentium-III時代，CPU的耗電量通常不超過30W，CPU電源大多由+5V轉(zhuǎn)換而得，但是新一代的Pentium 4 CPU的耗電量高達(dá)100W以上，若從+5V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率變差，而高達(dá)20安培以上的電流，使電源轉(zhuǎn)換電路容易產(chǎn)生高熱而減少壽命?，F(xiàn)今大多的設(shè)計都己改用+12V轉(zhuǎn)換，這就是PICMG 1.3增加+12V電源供給的主因。
表四：PICMG規(guī)范電源供給比較表
機(jī)構(gòu)的考慮
如同PICMG 1.2，PICMG 1.3的制定原則也希望延用原有的外圍設(shè)備，如機(jī)箱、電源系統(tǒng)" title="電源系統(tǒng)">電源系統(tǒng)，以降低系統(tǒng)開發(fā)成本。在機(jī)構(gòu)上，SHB的零件面與PCI卡或PCI Express卡相反，這一點與PICMG 1.2不同，這樣的轉(zhuǎn)變主要源于二個考慮，一是為了使CPU、北橋、與內(nèi)存接口之間的高速信號線在PCB布線時，走線更為順暢。如圖一所示，如果零件面與PCI Express卡相同，CPU與內(nèi)存接口之間的信號線將互相纏繞而不利走線；二是機(jī)箱的設(shè)計不用更改。如圖二所示，CPU板卡的零件面與PCI Express卡相反時，板卡的邊緣剛好對準(zhǔn)溝槽的導(dǎo)軌。
PCI Express的Insertion loss問題
PCI Express的差動信號，其最高傳輸率達(dá)2.5Gbps/sec，信號從SHB經(jīng)過connector到達(dá)背板的途中，會經(jīng)過PCI Express connector，這造成阻抗不連續(xù)，使信號產(chǎn)生反射或衰竭。為確保信號品質(zhì)" title="信號品質(zhì)">信號品質(zhì)符合PCI Express規(guī)范的要求，對于信號的insertion loss有嚴(yán)格規(guī)定，SHB或是背板的設(shè)計均必須符合要求，以確保信號的eye pattern符合規(guī)范。
圖三是信號的連接方式示意圖，圖中可看出SHB在分析insertion loss時，是把PCI Express connector視為阻抗的一個不連續(xù)點。表五則是信號在insertion loss的要求。
Note :
1. 表格內(nèi)的數(shù)據(jù)基于以下的假設(shè)：connector loss=1dB，capacitor loss=1dB/each，F(xiàn)R4 material loss=0.3dB/inch/GHz
2. 以上數(shù)據(jù)均根據(jù)PCI Express Card Electrical Specification Rev.1.0a所列基本定義計算所得
表五：Insertion Loss的要求
其它新增功能
〈1〉 Miscellaneous I/O ports
除了PCI Express與PCI bus，PICMG 1.3還加入了四對USB 2.0 port、四對Serial ATA port、與一個GbE port的支持。這些信號都被引到PICMG 1.3的接口規(guī)格中，讓這些高速的差動信號經(jīng)由印刷電路板到達(dá)背板，信號品質(zhì)會更穩(wěn)定，亦可減少cable的使用，進(jìn)而提升系統(tǒng)維護(hù)的便利性。
〈2〉 IPMB Interface
為了更方便管理系統(tǒng)，PICMG 1.3加入了IPMB的支持，管理人員能夠用IPMB來監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的各種組件的健康狀態(tài)，如CPU或系統(tǒng)溫度、電壓、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等，并且能夠從遠(yuǎn)程控制SHB，或是重置系統(tǒng)等管理工作。
〈3〉 Hot plug support
PICMG 1.3的PCI Express接口支持hot plug功能，系統(tǒng)可以在不斷電的情況下更換PCI Express卡片，提高系統(tǒng)的可用性〈Availability〉。
〈4〉 VIO電壓偵測
背板上的SHB插槽沒有keying可用來防止SHB誤插到I/O電壓位準(zhǔn)不兼容的背板上，所以PICMG 1.3定義VIO信號，讓SHB可以判斷背板所支持的I/O電壓位準(zhǔn)。
〈5〉 電源管理
PICMG 1.3將+3.3Vaux、PSON#、PWRBT#、PWRGD等信號引入硬件接口以支持ATX電源系統(tǒng)的電源管理功能，但需留意的是這些支持都只是optional，若系統(tǒng)不支持ATX電源系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)商也必須確保SHB與背板在搭配舊有的電源系統(tǒng)時仍能正常工作。
〈6〉 SM bus support
PICMG 1.3還預(yù)留了SM bus以滿足未來在系統(tǒng)管理上的需求。
背板設(shè)計該注意的事項
背板有高速的PCI Express信號經(jīng)過，為確保信號品質(zhì)，印刷電路板的阻抗要求極為嚴(yán)謹(jǐn)，一般信號線的特性阻抗為57W+/-10%，差動信號的阻抗則為100+/-10%。
如果有支持64-bit PCI bus，背板必須為AD[32..63]、C/BE#[4..7]、REQ64#、ACK64#、PAR64做pull-up的動作。
PCI bus的工作頻率最高可達(dá)133MHz，為克服同步問題，必須妥善處理回授時鐘?；厥跁r鐘的設(shè)計細(xì)節(jié)與PICMG 1.2相同，有興趣的讀者可參考筆者2003年11月在臺灣通訊雜志所刊登的”PICMG 1.2規(guī)范”，不在此贅述。
結(jié)論
自從PICMG在1994年針對工業(yè)界制定第一個開放性架構(gòu)以來，工業(yè)計算機(jī)的規(guī)格給人的感覺總是落后于主流信息產(chǎn)品規(guī)格。但是從2000年以后，這個情形有了轉(zhuǎn)變。PCI-X出現(xiàn)二年后，PICMG 1.2規(guī)范就將其應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，PICMG 1.3也緊跟在PCI Express的腳步之后推出。
PCI Express的相關(guān)應(yīng)用預(yù)計在2005年會大量出現(xiàn)在市場上，PICMG 1.3是一個必要的技術(shù)更新，截至筆者完成這篇文章時，PICMG 1.3規(guī)范仍未正式發(fā)布，PICMG協(xié)會將在2004年底正式頒布第一版PICMG 1.3規(guī)范，目的就是要在2005年趕上PCI Express熱潮，這樣系統(tǒng)開發(fā)商就可以把使用在主流桌上型計算機(jī)與服務(wù)器的各種適配卡直接應(yīng)用在工業(yè)計算機(jī)領(lǐng)域，讓系統(tǒng)擴(kuò)充更具彈性，亦可節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)成本。
距離PICMG 1.2發(fā)布不到二年的時間，PICMG協(xié)會己開始制定更新的規(guī)范─PICMG 1.3，目的是要把一些新的I/O" title="I/O">I/O接口規(guī)格，如PCI Express、USB 2.0、Serial ATA、Gigabit Ethernet引入工業(yè)計算機(jī)平臺以提升系統(tǒng)頻寬" title="頻寬">頻寬。除了提升平臺的運算速度與頻寬，在系統(tǒng)管理與維護(hù)的便利性上，也做了一些改進(jìn)，如增加IPMB與hot plug的支持、減少排線的使用等。本文將介紹PICMG 1.3的主要規(guī)格。
PICMG 1.3的組成
PICMG 1.3總線接口是由兩個x16與兩個x8的PCI Express connector所構(gòu)成，符合PICMG 1.3的CPU板卡〈System Host Board, SHB〉或背板可支持的總線種類如表一所列。
| Connector | Type | Pin Count | Signal description |
| A | PCI Express x16 | 164 | One PCI Express x16, or Two PCI Express x8 |
| B | PCI Express x8 | 98 | One PCI Express x8, or Two PCI Express x4, or One PCI Express x4 and Four PCI Express x1 |
| C | PCI Express x16 | 164 | Power pin, USB 2.0, Serial ATA, GbE, and IPMB |
| D | PCI Express x8 | 98 | 32-bit PCI/PCI-X" title="PCI-X">PCI-X bus with bus speed up to 133MHz |
表一：PICMG 1.3支持總線列表
表中可以看出PICMG 1.3主要提供PCI Express的支持，對PCI或PCI-X也有支持，但是次要的，而且SHB只支持32-bit寬度的PCI bus，只有背板才有可能支持到64-bit PCI bus。SHB又分長卡與短卡兩種，短卡僅支持connector A、B，長卡最多可支持到connector D。
提升I/O頻寬
從第一個工業(yè)計算機(jī)規(guī)范PICMG 1.0發(fā)布至今，總線從ISA演進(jìn)到PCI、PCI-X，一直到現(xiàn)在的PCI Express，每一次的更新，目的就是為了提升系統(tǒng)I/O的頻寬，表二是上述各種總線的頻寬比較表。
| Protocol | ISA | PCI 64-bit/66MHz | PCI-X 64-bit/133MHz | PCI Express x8 | PCI Express x16 |
| Bandwidth | Half duplex | Half duplex | Half duplex | Full duplex | Full duplex |
| MB/s | 24 | 533 | 1066 | 2500 | 5000 |
表二：各種總線的頻寬比較
表三是PICMG 1.0到PICMG 1.3，所支持的總線種類與頻寬列表。表中可以看出每次的規(guī)格更新，頻寬均提升了一倍以上。
| Specification | PICMG 1.0 | PICMG 1.2 | PICMG 1.3 |
| BUS support | ISA (24MB/s) PCI 66(533MB/s) |
PCI-X 133 (1066MB/s) PCI-X 133 (1066MB/s) |
PCI Express x16 (5000MB/s) PCI Express x8 (2500MB/s) PCI 32-bit bus (optional) |
表三：PICMG規(guī)范所支持的總線種類與頻寬比較表
更多的電源供給
為了支持新一代的CPU與內(nèi)存，在電源供給上，PICMG 1.3增加了更多的power pin，表四是PICMG 1.0到PICMG 1.3的電源供給比較表。
表四顯示，PICMG 1.3大幅度增加+12V電源的供給，也減少+5V的供給。因為在Pentium-III時代，CPU的耗電量通常不超過30W，CPU電源大多由+5V轉(zhuǎn)換而得，但是新一代的Pentium 4 CPU的耗電量高達(dá)100W以上，若從+5V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率變差，而高達(dá)20安培以上的電流，使電源轉(zhuǎn)換電路容易產(chǎn)生高熱而減少壽命?，F(xiàn)今大多的設(shè)計都己改用+12V轉(zhuǎn)換，這就是PICMG 1.3增加+12V電源供給的主因。
| Specification | +3.3V power pin | +5V power pin | +12V power pin | Power to SHB |
| PICMG 1.0 (64-bit PCI) | 12 pin (~40W) | 22 pin (~110W) | 2 pin (~24W) | 36 pin (~174W) |
| PICMG 1.2 | 22 pin (~73W) | 25 pin (~125W) | 1 pin (~12W) | 48 pin (~210W) |
| Proposed PICMG 1.3 | 26 pin (~86W) | 8 pin (~40W) | 28 pin (~336W) | 62 pin (~462W) |
表四：PICMG規(guī)范電源供給比較表
機(jī)構(gòu)的考慮
如同PICMG 1.2，PICMG 1.3的制定原則也希望延用原有的外圍設(shè)備，如機(jī)箱、電源系統(tǒng)" title="電源系統(tǒng)">電源系統(tǒng)，以降低系統(tǒng)開發(fā)成本。在機(jī)構(gòu)上，SHB的零件面與PCI卡或PCI Express卡相反，這一點與PICMG 1.2不同，這樣的轉(zhuǎn)變主要源于二個考慮，一是為了使CPU、北橋、與內(nèi)存接口之間的高速信號線在PCB布線時，走線更為順暢。如圖一所示，如果零件面與PCI Express卡相同，CPU與內(nèi)存接口之間的信號線將互相纏繞而不利走線；二是機(jī)箱的設(shè)計不用更改。如圖二所示，CPU板卡的零件面與PCI Express卡相反時，板卡的邊緣剛好對準(zhǔn)溝槽的導(dǎo)軌。
PCI Express的Insertion loss問題
PCI Express的差動信號，其最高傳輸率達(dá)2.5Gbps/sec，信號從SHB經(jīng)過connector到達(dá)背板的途中，會經(jīng)過PCI Express connector，這造成阻抗不連續(xù)，使信號產(chǎn)生反射或衰竭。為確保信號品質(zhì)" title="信號品質(zhì)">信號品質(zhì)符合PCI Express規(guī)范的要求，對于信號的insertion loss有嚴(yán)格規(guī)定，SHB或是背板的設(shè)計均必須符合要求，以確保信號的eye pattern符合規(guī)范。
圖三是信號的連接方式示意圖，圖中可看出SHB在分析insertion loss時，是把PCI Express connector視為阻抗的一個不連續(xù)點。表五則是信號在insertion loss的要求。
Note :
1. 表格內(nèi)的數(shù)據(jù)基于以下的假設(shè)：connector loss=1dB，capacitor loss=1dB/each，F(xiàn)R4 material loss=0.3dB/inch/GHz
2. 以上數(shù)據(jù)均根據(jù)PCI Express Card Electrical Specification Rev.1.0a所列基本定義計算所得
表五：Insertion Loss的要求
其它新增功能
〈1〉 Miscellaneous I/O ports
除了PCI Express與PCI bus，PICMG 1.3還加入了四對USB 2.0 port、四對Serial ATA port、與一個GbE port的支持。這些信號都被引到PICMG 1.3的接口規(guī)格中，讓這些高速的差動信號經(jīng)由印刷電路板到達(dá)背板，信號品質(zhì)會更穩(wěn)定，亦可減少cable的使用，進(jìn)而提升系統(tǒng)維護(hù)的便利性。
〈2〉 IPMB Interface
為了更方便管理系統(tǒng)，PICMG 1.3加入了IPMB的支持，管理人員能夠用IPMB來監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的各種組件的健康狀態(tài)，如CPU或系統(tǒng)溫度、電壓、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等，并且能夠從遠(yuǎn)程控制SHB，或是重置系統(tǒng)等管理工作。
〈3〉 Hot plug support
PICMG 1.3的PCI Express接口支持hot plug功能，系統(tǒng)可以在不斷電的情況下更換PCI Express卡片，提高系統(tǒng)的可用性〈Availability〉。
〈4〉 VIO電壓偵測
背板上的SHB插槽沒有keying可用來防止SHB誤插到I/O電壓位準(zhǔn)不兼容的背板上，所以PICMG 1.3定義VIO信號，讓SHB可以判斷背板所支持的I/O電壓位準(zhǔn)。
〈5〉 電源管理
PICMG 1.3將+3.3Vaux、PSON#、PWRBT#、PWRGD等信號引入硬件接口以支持ATX電源系統(tǒng)的電源管理功能，但需留意的是這些支持都只是optional，若系統(tǒng)不支持ATX電源系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)商也必須確保SHB與背板在搭配舊有的電源系統(tǒng)時仍能正常工作。
〈6〉 SM bus support
PICMG 1.3還預(yù)留了SM bus以滿足未來在系統(tǒng)管理上的需求。
背板設(shè)計該注意的事項
背板有高速的PCI Express信號經(jīng)過，為確保信號品質(zhì)，印刷電路板的阻抗要求極為嚴(yán)謹(jǐn)，一般信號線的特性阻抗為57W+/-10%，差動信號的阻抗則為100+/-10%。
如果有支持64-bit PCI bus，背板必須為AD[32..63]、C/BE#[4..7]、REQ64#、ACK64#、PAR64做pull-up的動作。
PCI bus的工作頻率最高可達(dá)133MHz，為克服同步問題，必須妥善處理回授時鐘?；厥跁r鐘的設(shè)計細(xì)節(jié)與PICMG 1.2相同，有興趣的讀者可參考筆者2003年11月在臺灣通訊雜志所刊登的”PICMG 1.2規(guī)范”，不在此贅述。
結(jié)論
自從PICMG在1994年針對工業(yè)界制定第一個開放性架構(gòu)以來，工業(yè)計算機(jī)的規(guī)格給人的感覺總是落后于主流信息產(chǎn)品規(guī)格。但是從2000年以后，這個情形有了轉(zhuǎn)變。PCI-X出現(xiàn)二年后，PICMG 1.2規(guī)范就將其應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，PICMG 1.3也緊跟在PCI Express的腳步之后推出。
PCI Express的相關(guān)應(yīng)用預(yù)計在2005年會大量出現(xiàn)在市場上，PICMG 1.3是一個必要的技術(shù)更新，截至筆者完成這篇文章時，PICMG 1.3規(guī)范仍未正式發(fā)布，PICMG協(xié)會將在2004年底正式頒布第一版PICMG 1.3規(guī)范，目的就是要在2005年趕上PCI Express熱潮，這樣系統(tǒng)開發(fā)商就可以把使用在主流桌上型計算機(jī)與服務(wù)器的各種適配卡直接應(yīng)用在工業(yè)計算機(jī)領(lǐng)域，讓系統(tǒng)擴(kuò)充更具彈性，亦可節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)成本。
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