研華工控機基礎教程（連載二）——工控機的架構分析

上期我們討論了工控機在體積方面的設計，由于使用方式的不同，大致可以分為上架式和壁掛式兩大類。這期我們會來討論一下工控機內部機構設計的理念。
　　早期的工控機就是一個質量更好的PC。但是隨著時間的推移，工控機架構有了本質上的變化，根據用戶使用環境的變化，演變成了現在流行的底板加插卡的架構。這種架構主要有如下的優點：
　　維護時間減少：
　　隨著工控機被大量用于工業現場，基于母板的系統是不靈活的，為了修復或更新系統需要更換整個母板。更換母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和電纜都拔掉。這就導致修復或更新時系統停機時間增加，這在工控現場是不可接受的。
　　因此工程師們想到另外一個方法，取消母板架構，而把核心的CPU處理單元做在一張插卡上，其它的擴展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無源器件組成的。這種結構使得系統更新和修復簡單而且停機時間最少。這種設計理念影響了整個工控機的發展。現在我們ECG事業群的PC104總線技術的嵌入式小板也和這種理念有異曲同工之妙。
　　研華第一款BP架構的產品出現在1991年，早期由于沒有PCI總線，該款產品是基于ISA總線的。后來PCI總線技術成為PC技術的主流時，1994年，PICMG組織及時在無源底板結構中導入了PCI技術，制定了基于ISA/PCI技術的PICMG1.0標準。

　　　　　　　　　　　　PICMG1.0標準

　　極佳的擴展性
　　PICMG1.0標準除了上文所闡述的系統更新和修復時間短的主要優點外，還存在另外一個主要優點：具有極佳的擴展性。
　　工業現場使用工控機做控制核心，會接上多種擴展卡，擴展卡以早期的ISA卡、主流PCI卡為主，比如我們研華IAG部門的多種采集卡和測量卡。而視用戶需求，所使用的ISA、PCI槽也不同。舉例來說，某些傳統的數控機床廠家，為保障其早期在ISA技術上的投資，會采用傳統的ISA控制卡為主。而一些從事視頻監控的廠家，由于ISA帶寬根本無法滿足苛刻的視頻帶寬需要，必然要采用PCI視頻捕捉卡，但是也許會同時選擇幾個ISA界面的IO卡配合攝像頭云臺使用。因此用戶對ISA和PCI插槽的需求多種多樣。
　　傳統的商用母板上PCI、ISA數量固定，早期主板由于面積所顯，一般僅提供3個PCI，3個ISA槽，后來ISA在民用市場面臨淘汰，因此諸多商用主板廠商基于成本考量，取消ISA槽，或僅提供一個ISA槽。因此對于工控用戶的多樣性，商規主板提供的槽數難免捉襟見肘。PICMG1.0無源底板標準最高可提供20槽，所提供的ISA、PCI數量也可根據用戶需求隨意調整。

　　優秀的散熱特性
　　此外采用PICMG1.0架構也有助于整體系統的散熱，系統的風流圖如下：

　　　　　　　　　　4U上架機箱的散熱設計

　　　　　　　　　　商用PC的散熱風道設計

　　當然，底板加插卡的物理架構還有一些缺陷，例如，金手指處容易氧化，槽部位容易在振動的情況下松動，因此不太適應那些具有腐蝕性和振動性的環境下。對于這些情況，業界推出了基于PICMG2.0規范的CompactPCI技術，但由于價格、開發難度等因素，CompactPCI在一段時期內較難進入主流市場。因此研華針對這種情況推出的工業母板系列作為補充（后文會來探討工業母板的市場）。

　　這篇文章我們主要討論了無源底板加插板架構（BP）的優勢。主要是在維護難度時間、擴展性、散熱性等三個方面。下期我們將會繼續討論研華工控機箱在散熱方面的改進。