最火强悍的ATOM嵌入式工控主板是怎样炼成的

强悍的ATOM嵌入式工控主板是怎样炼成的

BM945GSE主板设计原则与经营理念关键词：工控、5.25寸、ATOM主板，超薄型设计、智能终端，低功耗 ，无风扇，免维护，多接口（CAN、COM 、PCI104、mini PCI、千兆口、GPIO、数字音频接口、LVDS、VGA、DVI），单电压，后备电源，高清，数字接口 IT技术的发展越来越快，计算机处理速度在两年前就已经超出了用户的一般使用需求。INETL和AMD两大CPU巨头之间的竞争，满足了部分对高级科学运算要求高的用户的应用需求，如：图形处理、国防、工程运算等。但这种竞争更大意义上是为了保持各自的技术发展创新水平和整个IT技术领域的发展活力。对于大多数用户而言，这种速度和运算能力的高度提升多带冲击试样缺口拉床主要是来做材料的U型和V形的标准试样缺口来的直接好处已经不大了。那部分高出自己应用需求的性能等同于浪费，而且绝大部分消费者并不愿意为自己用不着的东西付费，因此CPU的升级换代对用户广泛的购买热情的刺激作用不再。现在用户更希望厂商能从自己的应用需求出发，开发出能高度贴合他们应用需求的产品。用户的视线已经逐渐从计算机运算速度的提升，转移到IT技术对应用的适应能力和在此基础上对成本节约和使用感受的考虑上。用户一般的应用都集中在上、文书处理、信息交换层面上，更小巧、易维护、低成本的产品往往能在保证了这些应用功能的同时，保证维护的简单，并能有效的避免IT投资浪费，由此可见，这类产品目前受到广泛关注就成了理所当然的事。近几年华硕EPC的成功就是一个典型的例子。其实，这一规律早在工控领域得到了验证，从一个侧面来看，工控领域对设备的更新换代和对CPU的升级并不敏感，其原因就是在更早的时候，电脑的处理速度已经能够适应工控领域的使用。除了设备的运算处理能力外，工控用户更关心的，是设备是否具备他们关心的其他性能（如：接口、适应环境的温度、功耗、停电续航能力和体积大小等等）。一、现有市场分析 2008年3月，INTEL推出了ATOM系列的处理器。ATOM推出之初，由于其在性能方面的表现并没有很大的进步，因此很多人认为ATOM只是千万个技术发展中不起眼的一小步，殊不知，ATOM系列真正夺人眼球的，是其在保证了性能进步的基础上实现了工控产品趋之若鹜的低功耗。Atom是基于先进的45nm Penryn微架构，在面积不足25平方毫米的芯片上，内含4700万个晶体管，而11个这样大小的芯片面积才等于一美分硬币面积。而单核1.6GHz Atom的TDP功耗仅为0.6W到2.5W，双核型号也不过8W，功耗远远低于传统处理器。低功耗产品的出现是市场召唤的产物，同时也给IT技术带来了完全崭新的应用。低功耗产品一经推出，就引起了强烈的市场反应。主要的表现是各种基于低功耗主板的产品的出现和消费者对低功耗产品的追随。诸如瘦身PC取得的巨大成功就是一个典型例子。从对市场上现有的电脑产品进行探究比较，我们也可以发现这种趋势。目前市场上的电脑产品主要有以下四种：第一种：高性能的高端产品 这类产品高高地站在金字塔的顶端。主要用户群为一些科研单位、图形设计单位和对数据运算和数据交换要求很高的用户。如intel2008年第一季度发布高端双路四核心平台 Skulltrail ，包含两颗Core 2 Extreme QX9775处理器和D5400XS主板，其中Core 2 Extreme QX9775四核心处理器采用45nm工艺制造，主频3.2GHz，前端总线1600MHz，搭载12MB二级缓存，但是其功耗达到了150W。而且高端的处理中心往往要搭载高端的设备与其配合才能将其高性能充分发挥出来，因此其系统的整体发热也是非常大。如在这一代IntelV8中，四核心处理器需要150W，如果使用两颗CPU系统，光是CPU功耗就将达到了300W。保守估计，一块GeForce8800GTX需要185W，这样运行在SLI模式下需要270W。与CPU一起计算就已经达到了670W，每一条FB-DIMM运行时功耗大约为10W，每一块硬盘大约需要10~13W，主板也需要约75W。另外，机箱、风扇、键盘、鼠标以及其它外设，总共加起来需要775W以上。另外还要算上15%的电源转换损失，包括20%的预留，整个系统的功耗将近1KW。这类型的产品不仅功耗高，价格也非常之高，如上文提到的intel Core 2 Extreme QX9775，其零售价格达到万元级。另外这类设备的使用和维护也相对复杂，因此虽然这类高端产品的性能十分强悍，但也因为种种的限制阻碍了其广泛的应用，在一些工控领域，除非是非常高端的科学计算，这类型的产品很少被应用到。第二种：主流产品。这类型产品的特点是：性能能满足大多数用户的需求，产品同质化、性能和设计标准化，价格也属于大众化。这类产品目前在市场上占据的份额很大，是普通大众日常使用的电脑设备的主力。他们的功耗一般在100W 300W之间，这类型的产品因为功耗较大，无法真正做到无风扇、免维护的设计。如Intel 奔腾D系列产品，其中Intel 奔腾D 820主频为2.5GHz，共享2MB的二级缓存，800MHz的前端总线，TDP功耗值达到90W。还有VIA的C3和C7系列CPU产品，其中C3的CPU频率为800MHz，二级缓存为64K，前端总线频率为133MHz，其性能满足工控一般需求，而其CPU功耗达20W，如果再加上芯片组，系统的功耗会超过50W。其应用领域也主要是面向教育、工控、公安、税务、证券等目前正在使用传统主机的行业。 C7的CPU频率上升到了1.5GHz，二级缓存提高到128K，前端总线频率上升到400MHz，但其CPU功耗也同步上升到25W。C7的主要应用领域为个人电子产品如家用媒体中心和PVR、高密度服务器和服务器用品。 这类产品还有INTEL的945GC系列，其可支持的CPU频率为1.6GHz,512KB二级缓存、支持533MHz前端总线，性能上有不错的表现，主要应用于一般的日常应用，其芯片组的功耗为15.2W 22.2W（南桥： 3.5W、 北桥： 8W 、CPU： 3.5W），再加上与之相配的CPU、内存等部件，整个系统的功耗将高达W。这类型的产品是大众化的产品，无法满足用户的特种需求，在用户需求更个性化的今天，其市场比例正逐步下降。在工控应用领域，根据环境特点、用户应用特点等因素考量进行产品设计，已经是整个行业的必然要求，在工控应用中低功耗、免维护、小型化是整个行业应用的目标。第三类：超低功耗产品 市场上也有小部分超低功耗的产品，例如INTEL ATOM的menlow平台产品（ATOM的Z系列），其总体功耗仅为3.5W，但是这款产品是需要与Paulsbo的系统控制芯片(SCH)捆绑销售的，SCH将南北桥整合在一起，因此这种方案是以牺牲部分的科学运算能力和数据运算交换能力来实现超低功耗的。 Atom Z500处理器的TDP为0.65W（主频800MHz，512KB L2缓存）、Atom Z530处理器的TDP为2W（主频1.6GHz，512KB L2缓存），但只能支持IDE接口，不能支持SATA接口，只能支持1G的DDR2内存，其络的数据交换能力比较差，不是太适合对数据运算和数据交换量比较大的应用。而且这类产品的价格比较贵，menlow系列的五套系统按规格从低到高要价分别为45美元、45美元、65美元、95美元和160美元。 另一方面，menlow在流媒体处理方面增加了硬解压系统，大大增强了流媒体的播放能力，能很好满足用户，特别是家庭用户对高清播放的要求，可支持1080P的流媒体播放。 这类产品还有VIA的Eden ULV 500MHz，其TDP仅为1W，处理器搭配VIA CX700/M芯片组，这两个部分加起来的功耗仅为3.5W，但是其主频仅为500MHZ，128 的L2，前端总线频率为400MHZ。第四类是低功耗、较高性能产品这类产品是一个相对平衡的产品，即在性能、功耗和成本间取得平衡，目前已占据了很大的市场份额，主要应用于较高性能的无风扇设计的产品中，这一适应IT趋势发展的特性，使其发展前景非常广阔。其中比较典型的是INTELATOM N270产品，N270搭配945GSE+1CH7M的芯片组，功耗总共仅8W，其中南桥：1.5W 、 北桥：3.5W、CPU：2.5W这样的低功耗可以实现无风扇免维护方案设计。但低功耗并不意味着低性能， INTEL945GSE的CPU频率高达1.6GHz，L2为512KB，前端总线频率为533MHz，而且系统可支持高达4G 的DDR2系统内存；支持SATA硬盘和PCI-E接口，数据处理运算能力较强，非常适合大多数工控应用终端和绝大多数商业数据处理要求，以及商业用户家庭用户对媒体播放和数据处理方面的应用需求。解决方案的成本也比较低，是目前比较理想的解决方案，而我们也是在ATOM N270的基础上研发了BM945GSE。总之，高端的应用依然需要高速度处理性能的产品提供技术保障，而对于绝大部分的应用来说，目前的主流产品的速度已经能够满足需求，在保证性能的基础上实现低功耗、小型化、免维护等增值功能的产品成为计算机另一个发展方向，而超低功耗产品的出现则可以看做是这个大方向上出现的小分支。二、革命性的面世 BM945GSE 基于充分的市场观察，我们推出了基于INTELATOM 270+945GSE结构的主板 BM945GSE，BM945GSE在将ATOM N270低功耗优势发挥得淋漓尽致的同时，在接口方面和主板结构方面都有精巧细心的设计，使其更具增值价值。同时我们推出了相应的低功耗免维护、适宜于各行业使用的一系列产品，如优PC、OBUⅡ、广告媒体播放机等等，这在另一个侧面也说明了BM945GS广泛的适用能力。下面我们将BM945GSE的详细参数性能列表如下：

扩展接口

COM (其中1SUPPLY 5V/12V/TTL，1可定义485，422) 6、CAN 1、USB 2.0 6、Mini PCI Express 1、PCI 104 1、PCI 1、GPIO 8 IN 6 OUT 1

表一：BM945GSE详细参数三、设计原则 1.围绕小巧的结构需求的尺寸设计 小机箱设计有方便机房当唆使器报警后必须立即更换;布线、实现处理中心隐藏、便于设备防盗、便于搬运、便携等等优点，BM945GSE的设计适应设备小巧化的趋势，将尺寸定位为5.25寸(203 x 146mm)，这种结构不但被大多数用户所接受，而且能使机箱结构设计更为精巧。 BM945GSE全部使用贴片式电子元件，虽然贴片式元件的成本比普通元件成本高50% 100%，但这样的设计能带来更加超值的优势： l可以使板的高度更低，真正做到超薄型的设计； l贴片式元件可极大节省空间，使板的扩展（如添加扩展卡）不会增加系统的厚度。 l贴片式元件中的贴片电容比普通的电解式电容甚至固态电容更为稳定，贴片式电容的品质比电解电容高很多，电解电容在使用时间过长或负荷较大时容易发生爆破的现象，而电解液是具腐蚀性的液体，一旦发生电解爆破，电解液就会严重腐蚀主板，甚至可能烧毁主板，产生火灾的隐患。所以贴片电容虽然成本会高，但其的品质更高，安全性更好，更适合工控环境的使用。 2.围绕处理中心低功耗的设计 CPU+南桥+北桥做在主板背面 CPU、南桥、北桥都是主板的散热大户，如何解决这三大件的散热问题直接决定着主板的散热性能。一般的主板都采用将CPU、南桥、北桥与其他元器件放在同一平面的设计，这样的设计有两方面的考虑：一方面是因为风冷散热的方式需要一定的空间形成气旋；另一方面是考虑到这样的制作工艺成本更为低廉。但是传统结构的主板无法实现机箱结构的小巧设计，这是由于在小巧的机箱里将很难形成气旋，从而造成严重的散热问题。 由于BM945GSE的功耗低，其发热量很小，因此可以摒弃风冷散热而采用热传导的方式，即将机箱箱体作为一个大的散热体，由主动散热转换为被动散热。 l 热传导的散热模式，需要导热桥或导热管和散热片等，固定在机箱上的热传导散热装置与发热源贴合，因此将CPU+南桥+北桥放在主板的背面，可以使芯片组与散热桥或热导管亲密结合； l 使其离箱体更近，缩短热传道的距离，大大加强散热的效能； l 减短散热距离，减少导热的材料成本； l 南桥与北桥放在主板背面可以使机箱的设计更为小巧、精致、紧凑。单电压输入 由于BM945GSE的功耗低，因此可以采用12V-19V的宽单电压的电源输入模式，并通过一系列电路设计，将电源管理融入到主板电路上，保证各设备能从主板上分流到合适的电压。单电压输入的设计，摒弃了沉重的ATX电源，使得设备的机箱和结构设计得已更加灵活和轻便，同时去除了电源这一大的发热源，降低了整个系统的发热量。 然而在功耗高的电脑设备中是无法实现单电压输入的。当高功耗产品使用单电压输入时，其电路系统的电流负荷将极高。比如一个100W的电脑采用12V的单电压输入，其电路就需要负荷多余8A的电流，而这种类型的产品的功耗大多远远高于100W。 除此之外，我们在电路板上将硬盘的电路进行连线设计，这样的设计将BM945GSE与一般的产品只能供应一个硬盘的设计区别开来，BM945GSE可通过这一连线，实现对多个硬盘的同时供电，以实现各种RAID，大大增强系统的存储能力。 同时BM945GSE还保留了一个ATX电源接口，使系统在特殊的一些应用场合可以根据需要采用ATX电源的输入模式，如当系统需要承接多个硬盘或负荷较高的程序时。后备电源管理系统 后备管理电源系统是指支持产品使用后备电源进行供电的模块，可在外接电源因种种原因不能继续给设备供电时，启用后备电源进行续航，使系统继续运行，保证业务不因为外部原因中断。 在实际运用中，后备电源十分实用，在某些领域甚至是至关重要的。如在工控领域，设备终端常处在无人看管的环境中，当不可避免发生断电现象时，后备电源可以让主机在断电的时候继续工作，并将故障数据和环境状况数据发送回后台，通知系统后台对故障进行处理，以免因为运行停顿造成或大或小的损失，因此后备电源对大多数工控用户来讲实际上是很重要的。 对商业、个人用户来说，后备电源的重要性尤为明显，我们在使用电脑时如果突然停电，或是设备需要搬离电源，就需要后备电源的支持，相信各位读者对此都深有体会。而后备电源管理系统是保证后备电源可用的必备条件。 虽然后备电源能保证业务的连续，但是由于现有技术的限制，一般充电电池所能储蓄的电量有限，如果用来支持功耗较高的产品，续航时间将十分的短暂，甚至不能实现其启动。在这种情况下，后备电源的设置就没有任何意义，因此并不是所有的电脑设备都可以接驳后备电源进行后备供电。只有针对低功耗的电脑设备，才能充分发挥后备电源的作用，后备电源管理系统的存在才有意义。反过来，后备电源管理系统也可以将主板低功耗的优势发挥得更为出众。 3、围绕应用需求多样的设计 多接口设计 互联技术的发展，使得IT的系统观念逐渐深入人心。越来越多的外围设备需要通过不同的方式接入统一的终端系统，以实现整个系统的有机管理。在这种应用背景下，多接口的设计成为最具有应用价值的设计思路。 BM945GSE设置有多种丰富的扩展接口，有COM (其中1SUPPLY 5V/12V/TTL，1可定义485，422) 6、CAN 1、USB 2.0 6、PCI 1、PCI 104 1、Mini PCI Express 1、GPIO 8 IN 6 OUT 1，这些接口将BM945GSE打造成理想的应用终端产品，可以实现多样的应用和功能。下面我们将对这些接口的主要特点和应用进行简要的分析。 COM口 6：COM口又称为串行通讯端口，是使用串行方式传输信息的一种接口形式。COM口在工控领域十分常见，这是因为COM口属于工业标准设计的接口，其特性十分适合工业领域的应用。 l大部分的COM口与设备的连接固定都是通过螺丝进行固定的，这种固定方式使得终端与扩展设备的通信连接更为可靠牢固。 lCOM口的信号传输十分可靠，可进行长距离的信息传输，这也大大灵活了机房布线。 lCOM口的特性优势，使其在工控领域应用得非常广泛，而一般的工业主板只有两到四个的COM口，这些C旨在为当前石化和煤化工行业发展寻求新途径OM口已经不能适应现在和将来的使用需求，因此我们将BM945GSE的COM口增加至六个，这也就意味着使用BM945GSE的设备可以接更多的传感器和外围设备，增强系统的扩展性能。 lCOM口的应用非常广泛和成熟，因此针对COM口的软件开发更为容易，因此软件成本也更低 lCOM口设备在工控领域来说是很廉价的一种接口，这是因为COM口的标准相对成熟，使用COM口的设备相对于其他新标准的设备来说，其成本更低。 CAN总线 1：CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN总线原来应用于实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 l由于CAN口能使应用无限串联地承接，可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据，因此当没有多余的COM口扩展的时候，使用CAN口是一个绝佳的选择。 lCAN控制器工作于多主方式,络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和灵活性。 lCAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而当络中个别节点发生问题时,使得总线免于 死锁 状态。但CAN口相对于COM口来说，价格相对高昂。通常在COM口无法满足使用要求时才使用CAN口设备。 USB2.0 6：USB接口是现代电子设备应用随时轻松扩展应用需求的产物。 lUSB接口支持设备的即插即用，支持热插拔，因此不需要等到关机后再插拔。 lUSB接口通信速度快，现在的USB2.0通信速度可达到480 Mbps lUSB接口是标准统一的接口，通用性能十分强。 l但是USB的可传输距离很短，可靠性也比较差，因此USB适合需要即插即用、数据传输距离比较短的应用使用。基于目前USB设备的广泛运用的考虑，我们在BM945GSE设置了八个USB接口，以方便用户扩展使用。 miniPCI接口 1和PCI104接口 1：mini PCI接口和PCI104接口都是符合工业标准和设备标准的扩展接口，两者特有的模块化功能可使用户很方便对系统实现扩展，如很容易接上GPRS模块、wifi模块、视频采集模块（很容易将系统扩展为带DVR功能的系统）、可扩展多口系统或者带千兆光纤口的系统等等。 PCI接口 1：留有一个PCI接口，可方便传统模块的扩展，保证现有设备的运用，节约系统更新换代成本。然而由于PCI的使用与我们的轻薄型设计的理念是有矛盾的，因此当客户不需要这个接口时，我们可以在产品定制时，将这个接口取消。 千兆口 2:一般的主板一般带一个百兆口，数据量的不断增长以及终端性能的提升，都要求络传输的速度得到同步提升，一个百兆口已经不能再满足现在的需要，而从长远来看，倚靠口传输数据、进行通信的方式已经越来越成为主要方式，而千兆传输距离长、传输速度快、可靠性较高的特性也使其应用逐渐被开拓出来、由此，千兆口的设置变得十分重要。 八进六出GPIO接口 1: GPIO，英文全称为General-Purpose IO ports，也就是通用IO口。嵌入式系统中常常有数量众多，但是结构却比较简单的外部设备/电路，对这些设备/电路有的需要CPU为之提供控制手段，有的则需要被CPU用作输入信号。而且，许多这样的设备/电路只要求一位，即只要有开/关两种状态就够了，比如灯亮与灭。对这些设备/电路的控制，使用传统的串行口或并行口都不合适。而GPIO可提供一个 通用可编程IO接口 。 4、围绕存储需求设置存储接口 SATA接口 4：四个SATA接口可使系统做软RAID，也可单独做为存储设备使用。一般的主板只带有一个或两个SATA接口，限制了系统的存储容量。 CF卡接口 1： l 将系统保存在CF卡中，使CF卡成为一个系统的启动和运行的存储介质，方便用户对系统软件的更新和维护。 l 在一些震动大的应用环境中，CF卡可以作为一个理想的、廉价的防震的存储介质。 5、围绕音频输出需求设置音频输出接口根据用户对音频输出的使用需求，BM945GSE设置了两种音频输出接口 数字音频输出接口和模拟音频输出接口。 l其中数字音频输出就是不经DAC（模拟输出芯片）直接把PCM信号输出的输出方式，这种直通信号可以实现很高的保真度。模拟信号除了要受DAC（模拟输出芯片）的影响外，还要受整个模拟电路和元件的影响，因此在音质上会与数字音频输出的音频存在通常通过添加剂制造进行生产很大差距，甚至会出现失真的现象。 l但是由于模拟音频输出对前端设备的要求没有数字音频那么高，因此总体来说，使用模拟音频的成本比使用数字音频来得更为低廉，因此在一些对音频输出要求比较高的应用领域如POS机，或是应用环境干扰比较大的领域，可以选择数字音频。而在一些对音频输出的要求不高，环境比较稳定，成本考虑要求比较苛刻的应用领域则可以选择模拟音频输出。 6、围绕视频扩展需求的视频模块接口随着显示屏价格的下降和各种抗环境工艺的发展，液晶显示屏已经随处可见，与数量同步发展的还有视屏输出的质量，但在多变的应用中，并不是只有单一的数据模式。BM945GSE带有两中视频输出模式可供用户自定义，即DVI+VGA模式和LVDS+VGA模式。 lDVI+VGA模式是一种高保真的视屏数据输出模式，可实现高清。 l LVDS+VGA模式是一种可使结构上做得更为小巧、可接廉价LCD的视屏输出模式，用户可根据自己的实际需求，选择视屏输出的模式. l l BM945GSE可接双屏，可分两路视屏分别显示不同的内容。 7、流媒体播放能力 BM945GSE可支持多种视屏输出格式，如avi、mpeg、mp3等等，各种输出格式的流媒体播放能力都可以达到720P。四、经营理念 BM945GSE具备多种功能，但是在实际的应用中，能够将这些功能全部用上的客户非常少，而一般的ODM方式是非常昂贵的太昂贵，其费用需要包括设计在内的一系列的成本开支，如开一个新板就需要高达几万到几十万的成本，对于一些需求只达几百片或千多片的用户来说，这样的开支显然是不划算的，而且客户很难在市面上找到与自己的实际需要紧密切合的标准品。 从与用户互利的角度出发，我们对BM945GSE的经营采取准ODM模式，即用户可根据自己的实际需要在BM945GSE所具有的功能上进行删减，而在此过程中，我们不收取任何设计费用，同时可以因减少元器件而降低主板的制造成本，从而减低用户的成本。这种模式一方面可以使产品高度适应应用，另一方面，可使用户有效的控制成本。 但是出于工厂排产生产方面考虑，客户需要有一定的订货量，我们才可以提供这种免设计费的非标准规格产品。 除此之外，我们还可以为客户根据应用需求提供机箱和结构的配套设备的设计、加工生产，还可为客户提供linux系统的裁剪，作出一个专用的OS操作系统，让操作系统更精简效能更高，可靠性更高五、结语 BM945GSE是市场需求呼唤的产物，各方面的设计都将处理中心的低功耗优势发挥得淋漓尽致，同时，多接口的设计使其系统的扩展变得更为方便快捷。而我们在对市场的充分考量后，提出准ODM模式来经营BM945GSE，以实现与用户的双向互利。