新一代工业计算机平台规范PICMG 1.3

PICMG 1.2发布不到二年，PICMG(PIC工业计算机制造商协会)己开始制定更新的规范─PICMG 1.3，目的是要把一些新的I/O接口规范，如PCI Express、USB 2.0、Serial ATA、Gigabit以太网引入工业计算机平台以提升系统频宽。除了提升平台的运算速度与频宽，在系统管理与维护的便利性上，也做了一些改进，如增加IPMB与热插拔的支持、减少排线的使用等。本文将介绍PICMG 1.3的主要规范。

PICMG 1.3
    PICMG 1.3总线接口是由两个x16与两个x8的PCI Express连接器所构成，符合PICMG 1.3的CPU板卡(系统主板，SHB)或背板可支持的总线种类(如表1所列)。
表中可以看出PICMG 1.3主要提供PCI Express的支持，对PCI或PCI-X也同样支持，但这是次要的，而且SHB只支持32-bit宽度的PCI，只有背板才有可能支持到64-bit PCI。SHB又分长卡与短卡两种，短卡仅支持连接器A、B，长卡最多可支持到连接器D。

提升I/O频宽
    从PICMG 1.0发布至今，总线从ISA演进到PCI、PCI-X，一直到现在的PCI Express，每一次更新的目的都是为了提升系统I/O的频宽，表2是上述各种总线频宽的比较。
表3是PICMG 1.0到PICMG 1.3所支持的总线种类与频宽。表中可以看出每次的规格更新，频宽均提升了一倍以上。

更多的电源供应
    为了支持新一代的CPU与内存，在电源供应上，PICMG 1.3增加了更多的电源引脚，表4是PICMG 1.0到PICMG 1.3的电源供应比较表。
表4显示，PICMG 1.3大幅度增加+12V电源的供应，也减少+5V的供应。因为在Pentium-III时代，CPU的耗电量通常不超过30W，CPU电源大多由+5V转换而得，但是新一代的Pentium 4 CPU的耗电量高达100W以上，若从+5V转换，转换效率变差，而高达20A以上的电流，使电源转换电路容易产生高热而减少寿命。现今大多的设计都己改用+12V转换，这就是PICMG 1.3增加+12V电源供应的主因。

结构考虑
    如同PICMG 1.2，PICMG 1.3的制定原则也希望延用原有的外围设备，如机箱、电源系统，以降低系统开发成本。在结构上，SHB的零件面与PCI卡或PCI Express卡相反，这一点与PICMG 1.2不同。这样的转变主要源于两个考虑，一是为了使CPU、北桥、与内存接口之间的高速信号线在PCB布线时更为顺畅。如图1所示，如果零件面与PCI Express卡相同，则CPU与内存接口之间的信号线将互相缠绕而不利走线；二是机箱的设计不用更改。如图2所示，CPU板卡的零件面与PCI Express卡相反时，板卡的边缘刚好对准沟槽的导轨。

PCI Express的介入损耗问题
    PCI Express的差动信号，其最高传输率达2.5Gbps，信号从SHB经过连接器到达背板的途中，会经过PCI Express连接器，造成阻抗不连续，使信号产生反射或衰减。为确保信号质量符合PCI Express规范的要求，对于信号的介入损耗有严格规定，SHB或是背板的设计均必须符合要求，以确保信号的眼图符合规范。
图3是信号的连接方式示意图，可看出SHB在分析介入损耗时是把PCI Express连接器视为阻抗的一个不连续点。表5则是信号对介入损耗的要求。

其它新增功能
    除了PCI Express与PCI，PICMG 1.3还加入了4对USB 2.0口、4对Serial ATA口、与1个GbE口的支持。这些信号都被引到PICMG 1.3的接口规格中，让这些高速的差动信号经由印制电路板到达背板，信号质量会更稳定，亦可减少电缆的使用，进而提升系统维护的便利性。
    为了更方便管理系统，PICMG 1.3加入了IPMB的支持，管理人员能够用IPMB来监控系统内的各种组件的健康状态，如CPU或系统温度、电压、风扇转速等，并且能够从远程控制SHB，或是重置系统等管理工作。
    PICMG 1.3的PCI Express接口支持热插拔功能，系统可以在不断电的情况下更换PCI Express卡，提高系统的可用性。
    背板上的SHB插槽设有钥匙可用来防止SHB误插到I/O电压位置不兼容的背板上，所以PICMG 1.3定义VIO信号，让SHB可以判断背板所支持的I/O电压位置。
    PICMG 1.3将+3.3Vaux、PSON#、PWRBT#、PWRGD等信号引入硬件接口以支持ATX电源系统的电源管理功能，但需留意的是这些支持都只是选项。若系统不支持ATX电源系统，系统开发商也必须确保SHB与背板在搭配旧有的电源系统时仍能正常工作。PICMG 1.3还预留了SM总线以满足未来在系统管理上的需求。

    背板设计应注意的事项
    背板有高速的PCI Express信号经过，为确保信号质量，印制电路板的阻抗要求极为严格，一般信号线的特性阻抗为57W±10%，差动信号的阻抗则为100W±10%。
如果要支持64-bit PCI总线，背板必须为AD[32..63]、C/BE#[4..7]、REQ64#、ACK64#、PAR64做上拉的动作。
    PCI总线的工作频率最高可达133MHz，为克服同步问题，必须妥善处理回授时钟。回授时钟的设计细节与PICMG 1.2相同，不在此赘述。

    结语
    自从PICMG在1994年针对工业界制定第一个开放式架构以来，工业计算机的规范给人的感觉总是落后于主流信息产品规范。但是从2000年以后，这个情形有了转变。PCI-X出现两年后，PICMG 1.2规范就将其应用在工业领域，PICMG 1.3也紧跟在PCI Express的脚步之后推出。
    PCI Express的相关应用预计在2005年会大量出现在市场上，PICMG 1.3是一个必要的技术更新，PICMG协会将在2004年底正式颁布第一版PICMG 1.3规范，目的就是要在2005年赶上PCI Express热潮，这样系统开发商就可以把主流桌上型计算机与服务器的各种适配卡直接应用到工业计算机领域，让系统扩充更具弹性，亦可节省系统开发成本。
图2  SHB的零件面会影响与机箱的搭配图1  SHB的零件面对信号布线的影响
图3  PCI Express在SHB与背板之间的连接方式