當(dāng)前工業(yè)控制機(jī)技術(shù)的幾個(gè)熱點(diǎn)問題
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其二，以太網(wǎng)在負(fù)載達(dá)40%以上時(shí)才會(huì)有明顯的沖突，典型工業(yè)控制的負(fù)載為：10M,5%；100M，0.5%。因此，沖突的概率很小，上述設(shè)定的沖突次數(shù)為5的條件實(shí)際上是非常保守的。
其三，所謂交換式以太網(wǎng)，可以將一個(gè)較大的網(wǎng)絡(luò)分隔成為各個(gè)相對獨(dú)立的沖突域，沖突只能在一個(gè)相對較小的區(qū)域內(nèi)發(fā)生，從而大大減少?zèng)_突發(fā)生的概率。
(3)工業(yè)以太網(wǎng)的第1-4層已經(jīng)確定，當(dāng)前的研究工作主要在兩個(gè)方面，
一是應(yīng)用層不同協(xié)議的封裝，當(dāng)前國際上幾個(gè)組織聯(lián)合起來，企圖解決互操作性問題，我國也在這方面做工作，希望是開放式的，以便解決與國際上工業(yè)以太網(wǎng)的互操作性問題；
二是如何適應(yīng)工業(yè)環(huán)境問題，這里有許多文章可做。
4 新一代工業(yè)計(jì)算機(jī)總線CompactPCI
前文所述IPC工控機(jī)是在PC機(jī)的基礎(chǔ)上，在機(jī)箱、結(jié)構(gòu)等方面作適當(dāng)改造，保留了PCI-ISA總線的有源底板，開發(fā)和擴(kuò)充了系列工業(yè)I/O模板而構(gòu)成。1993年以來，由于PCI總線的開放性、高性能、低成本、通用操作系統(tǒng)等方面的優(yōu)勢，使其得到迅速的普及和發(fā)展。但是，這種PCI-ISA底板總線的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)尚有不足，還難以用于有苛刻要求和高性能的場合。為此，主要由原來事STD總線工控機(jī)的廠商，如Ziatech、Pro-Log等，以及Intel，在PICMG（PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)）支持下，制定PCI-ISA總線的無源底板標(biāo)準(zhǔn)和處理器板標(biāo)準(zhǔn)，即CompactPCI。其出發(fā)點(diǎn)在于，改造PCI標(biāo)準(zhǔn)，使其成為無源底板總線的結(jié)構(gòu)。
CompactPCI是一種新的開放式工業(yè)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，它是PCI總線技術(shù)和成熟的歐式卡組裝技術(shù)的結(jié)合。采用CompactPCI既能吸收PC機(jī)最新的技術(shù)成果，又具有滿足通信和工業(yè)實(shí)時(shí)應(yīng)用所必需的更堅(jiān)固、更可靠、模塊化、易使用、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。在成本上，其產(chǎn)品往往低于同等功能的VME產(chǎn)品，但略高于通常的IPC產(chǎn)品。已經(jīng)發(fā)布了CompactPCI規(guī)范2.0R3.0版。
CompactPCI最具吸引力的特點(diǎn)是熱插拔（hot swap）。這意味著一個(gè)模板能夠在不切斷電源的情況下從機(jī)箱內(nèi)拔出或插入，依靠先進(jìn)的軟件，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整配置。熱插拔一直是電信應(yīng)用的要求，也為每一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)所渴求。
CompactPCI的熱插拔的實(shí)現(xiàn)是：在結(jié)構(gòu)上采用三種不同長度的引腳插針，使得模板插入或拔出時(shí)，電源和接地、PCI總線信號(hào)、熱插拔啟動(dòng)信號(hào)按序進(jìn)行；采用總線隔離裝置和電源的軟啟動(dòng)；在軟件上，操作系統(tǒng)要具有即插即用功能。PICMG與微軟公司合作，使得WindowsNT5.0具有此功能。熱插拔是一個(gè)熱門課題，也是一個(gè)復(fù)雜的問題，許多PICMG成員單位作出了巨大的努力，PICMG在原版本基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷完善，于2001年1月發(fā)布了CompactPCI的熱插拔規(guī)范2.12R2.0版，2002年1月發(fā)布了熱插拔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)接口規(guī)范2.12R2.0版，此前還發(fā)布了電源接口、系統(tǒng)管理、計(jì)算機(jī)電話等規(guī)范，2001年發(fā)布了多計(jì)算規(guī)范，今年5月又發(fā)布了星型光纖規(guī)范，CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)總線技術(shù)，從結(jié)構(gòu)、硬件、軟件、管理諸方面趨于成熟，采用CompactPCI總線標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信、工業(yè)實(shí)時(shí)控制以及國防工業(yè)之中，當(dāng)前熱門的刀片式服務(wù)器即采用CompactPCI規(guī)范。
中國計(jì)算機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)工業(yè)計(jì)算機(jī)分會(huì)（PICMG/P.R.C）作為PICMG的執(zhí)行委員，組織專家已經(jīng)將CompactPCI規(guī)范翻譯成中文發(fā)布，以推動(dòng)我國工業(yè)計(jì)算機(jī)的發(fā)展。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化測試設(shè)備（ATE）發(fā)生了質(zhì)的變化，出現(xiàn)了所謂的 “虛擬儀器”。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量技術(shù)結(jié)合創(chuàng)造出來的一種全新儀器，由計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件和儀器硬件組成，是有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。當(dāng)前，主要采用VXI、PXI兩種總線型虛擬儀器。
基于VXI、PXI總線的虛擬儀器僅需幾塊模擬和數(shù)字I/O板的硬件開銷，通過計(jì)算機(jī)軟件即可完成各種儀器的功能。它集中了智能儀器、個(gè)人儀器和自動(dòng)化測試系統(tǒng)的特長。
隨著CompactPCI總線日趨成熟，基于CompactPCI的虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生，即PXI，它具有比VXI更高的總線帶寬，資源更豐富，在相同功能的條件下，其價(jià)格往往只有VXI系統(tǒng)的一半。因此，PXI系列產(chǎn)品具有更強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，而VXI則具有先入為主的優(yōu)勢。
“虛擬儀器具有性能價(jià)格比高、操作簡單方便、可靠性高等特點(diǎn)，市場前景十分巨大；構(gòu)建以VXI、PXI等先進(jìn)總線為基礎(chǔ)的通用測試平臺(tái)，滿足產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和維修的需要具有重要的意義?！边@是國家科技部發(fā)布的2002年“科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金若干重點(diǎn)項(xiàng)目指南”中的一段話。在自動(dòng)化測試技術(shù)和設(shè)備方面，同行們也將大有可為。其中，PXI系統(tǒng)尤其值得關(guān)注。
5 嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和我們的機(jī)遇
所謂嵌入式系統(tǒng)，是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是集軟件、硬件于一體的高可靠性系統(tǒng)。其軟件除操作系統(tǒng)外，還需有固化的應(yīng)用軟件；硬件除了CPU外，還需有外圍電路支持。通用和嵌入式CPU、微控制器、DSP以及單片系統(tǒng)（SOC）已構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)。
PC機(jī)主要應(yīng)用在辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域，而嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲透到人們的工作、生活之中，從家用電器、手持通訊設(shè)備、信息終端、儀器儀表、汽車、航天航空、軍事裝備、制造工業(yè)、過程控制等等，無不是嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)美國嵌入式系統(tǒng)專業(yè)雜志RTC報(bào)道，二十一世紀(jì)初的十年中，全球嵌入式系統(tǒng)市場需求量具有比PC市場大10至100倍的商機(jī)。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，可以說，嵌入式系統(tǒng)無所不在、無時(shí)不在，可應(yīng)用于人類生活與工作的各個(gè)領(lǐng)域。未來學(xué)家尼葛洛龐蒂曾預(yù)言，嵌入式智能設(shè)備將是PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。
嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年的歷史，近幾年來，計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子的一體化趨勢日益明顯，嵌入式技術(shù)已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)已發(fā)展到以Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于Internet之外，但隨著Internet的發(fā)展以及Internet技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與Internet的結(jié)合將代表嵌入式系統(tǒng)的未來。
嵌入式系統(tǒng)技術(shù)日益完善，32位微處理器，即X86CPU和嵌入式CPU（ARM、MIPS、SH三大類）以及DSP、單片系統(tǒng)SOC，在嵌入式系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位；嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)從簡單走向成熟（如VxWorks、PSOS、VRTX、Nucleus、WinCE、QNX、Linux），嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)、Internet結(jié)合日益密切。其中，嵌入式Linux在消費(fèi)電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。由32位嵌入式CPU與嵌入式Linux相結(jié)合，在信息終端、家用電器、工業(yè)控制等方面將大有可為。
大家可能已注意到，我國在嵌入式CPU方面最近取得了很大進(jìn)展，“龍芯”和方舟CPU的研制成功是一件很有意義的大事。
目前，PC機(jī)的架構(gòu)為Wintel所控制、壟斷，即由INTEL的CPU+微軟的Windows主宰了產(chǎn)業(yè)。在該領(lǐng)域，我們沒有主動(dòng)權(quán)，缺乏創(chuàng)新空間，充其量只是組裝PC機(jī)和搞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成等，自己的軟件產(chǎn)品和出口軟件也很少。
嵌入式系統(tǒng)，由于需求千變?nèi)f化，沒有統(tǒng)一的架構(gòu)，可以不受控制，軟硬件需要各種各樣的組合，技術(shù)密集，市場容量大，可有無限的創(chuàng)新空間！
嵌入式CPU+嵌入式OS+關(guān)鍵應(yīng)用=嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)。
主要原因是：計(jì)算環(huán)境從PC為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)為中心，涌現(xiàn)了各種新的信息設(shè)備（IA），不必與PC兼容；應(yīng)用軟件逐步從PC移到網(wǎng)上，不必與Windows兼容；瀏覽器取代Windows成為主要的用戶界面；基于Linux的OS很適合各種IA；跨平臺(tái)語言JAVA被普遍采用。
綜上所述，在PC機(jī)上要脫離Windows很難，離開了PC機(jī)，特別是在網(wǎng)上，就可以有所作為。其中，看好Linux。在IA領(lǐng)域，各種嵌入式Linux有很好的前景；Linux將成為我國未來主要OS之一。
近年來，我國在開發(fā)嵌入式CPU方面有一系列有利條件：市場：嵌入式CPU可應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括信息家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)儀器儀表等等，其市場容量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PC產(chǎn)業(yè)。技術(shù)：可允許多種結(jié)構(gòu)，可有自己的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)；可購買IP知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊，自行裁剪和組合，設(shè)計(jì)自己的CPU；有Linux和其它OS作為支持，不必依賴Windows。
北京中芯微系統(tǒng)公司開發(fā)成功高性能嵌入式處理器方舟二號(hào)，主要技術(shù)特點(diǎn)如下：32位RISC CPU，時(shí)鐘頻率266MHz，2x8kB cache，片上集成了EMI存儲(chǔ)器控制器，PCI總線控制器，中斷處理器，DMA控制器，2個(gè)串口，2個(gè)USB接口，1個(gè)IC卡控制器，1個(gè)以太網(wǎng)控制器，RTC，定時(shí)器，Watchdog等，且低功耗，是高集成度的SOC芯片，支持Linux。
中科院計(jì)算所的“龍芯” 是另一款國產(chǎn)芯片，32位，266M鐘頻，其指令系統(tǒng)與MIPS芯片兼容，支持VxWorks、Linux操作系統(tǒng)，工作溫度為-35到+70°C，可以滿足軍工和工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用要求。
“龍芯”和方舟的32位嵌入式CPU有廣泛的支持并量產(chǎn)，有很好的應(yīng)用前景。它們的研制成功，配以嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將有可能作為國產(chǎn)嵌入式系統(tǒng)的一種很好的選擇，可在信息終端、家用電器、工業(yè)控制、軍工裝備中應(yīng)用，可以在IA領(lǐng)域用自己的核心技術(shù)有所作為！例如，基于方舟二號(hào)，外加Flash、SDRAM等幾個(gè)芯片即可構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)控制器；美國的大量軍用計(jì)算機(jī)即采用MIPS芯片。
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