軍事系統(tǒng)設(shè)計人員經(jīng)常難以找到能夠滿足關(guān)鍵應(yīng)用要求的 COTS 技術(shù)。定制設(shè)計幾乎總是為創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計提供最佳機(jī)會，但上市時間和設(shè)計成本可能過高。混合架構(gòu)使用計算機(jī)模塊 （COM） 作為核心處理功能，而定制載板用于特定于應(yīng)用的 I/O，可以提供兩全其美的優(yōu)勢。這種方法消除了與定制處理器設(shè)計相關(guān)的時間和風(fēng)險，而不太復(fù)雜的載板提供了專用設(shè)計的優(yōu)勢。

在考慮新軍用系統(tǒng)的架構(gòu)時，設(shè)計人員面臨著一個重要的決定：使用現(xiàn)成的COTS產(chǎn)品或創(chuàng)建或委托定制設(shè)計。使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可以顯著降低設(shè)計成本和開發(fā)時間，這種方法最近作為降低開發(fā)成本的一種方式而受到青睞。但是，找到現(xiàn)成的產(chǎn)品來滿足所有應(yīng)用要求，特別是對于I/O，可能會有問題。COTS解決方案的另一個主要問題是大多數(shù)軍事系統(tǒng)在10年以上生命周期內(nèi)的系統(tǒng)壽命和設(shè)計控制。意外更改和產(chǎn)品過時的成本很容易超過使用現(xiàn)成部件集成系統(tǒng)所實現(xiàn)的原始節(jié)省。

另一方面，定制設(shè)計通?？梢詽M足技術(shù)規(guī)范并允許嚴(yán)格的設(shè)計控制，但可能無法靈活地適應(yīng)和響應(yīng)未來的應(yīng)用需求。此外，如果不進(jìn)行重新設(shè)計，自定義系統(tǒng)將無法利用處理器性能改進(jìn)和擴(kuò)展內(nèi)存選項，從而限制了對應(yīng)用程序要求或未來操作系統(tǒng)的支持。實際上，設(shè)計將被凍結(jié)。

好消息是，這種困境可以在新產(chǎn)品設(shè)計中得到解決，這些應(yīng)用需要在相對較小的空間內(nèi)實現(xiàn)長期可用性和大量I/O。答案是 COTS 和定制設(shè)計的結(jié)合，使用 COM Express 模塊和定制 I/O 載板。使用這種架構(gòu)可以自由地完全匹配系統(tǒng)I/O和機(jī)械要求，同時為最有可能改變的核心處理功能提供簡單的升級路徑，從而延長系統(tǒng)的有用生命周期。

電腦上的模塊速度設(shè)計，增加多功能性

從歷史上看，設(shè)計包含特定應(yīng)用 I/O 的定制單板計算機(jī)是大批量或極其特定于用戶的應(yīng)用的常用解決方案。如今，現(xiàn)代處理器和高級芯片組需要具有豐富經(jīng)驗和最先進(jìn)設(shè)備的設(shè)計人員來實施。計算機(jī)模塊概念通過將處理、內(nèi)存、視頻、以太網(wǎng)和 USB 功能組合在一個高度集成的小型模塊中，消除了定制電路板設(shè)計的“困難部分”。這些模塊不是獨(dú)立運(yùn)行的，而是將處理器總線和高速 I/O 帶到接口連接器。模塊上的計算機(jī)安裝在提供特定于應(yīng)用的 I/O 和外部連接器的載板上。

COM Express 是廣泛支持的模塊上計算機(jī)設(shè)計的實現(xiàn)，它基于最新的高速串行總線技術(shù)，并結(jié)合了 PCI Express、USB 2.0、串行 ATA、LVDS 和串行 DVO 接口。2.5 GHz PCI Express 2.0 總線與當(dāng)今快速、低功耗的處理器相結(jié)合，為包括高速數(shù)據(jù)采集和圖像處理在內(nèi)的各種應(yīng)用提供所需的帶寬。

COM Express 模塊體積小，適用于惡劣環(huán)境，簡化了與載板定義的機(jī)械外形尺寸的集成。用戶可以從處理器中進(jìn)行選擇，從功能強(qiáng)大的英特爾酷睿2雙核到低功耗、低熱量的凌動設(shè)計。許多供應(yīng)商都提供擴(kuò)展溫度范圍（-40 °C 至 +85 °C）型號。

用于特定應(yīng)用 I/O 的定制載板

使用現(xiàn)成的產(chǎn)品滿足技術(shù)規(guī)格可能是不可能的，或者可能導(dǎo)致不可接受的性能、尺寸、環(huán)境或成本限制。定制載板可以“定制”，以滿足COM Express模塊提供的核心功能之外的所有必需系統(tǒng)功能。載板可以設(shè)計為最適合應(yīng)用的機(jī)械占位面積，并且通過配接連接器從COM Express板上引入接口I/O所需的總線信號。由于總線信號使用低壓差分信號，COM Express為設(shè)計人員提供了與傳統(tǒng)并行總線設(shè)計相比的許多優(yōu)勢，包括改進(jìn)的抗噪性和更少的走線，從而簡化了信號路由。

常見的 I/O 載板功能包括串行、模擬和數(shù)字 I/O，所有這些功能都可以設(shè)計為完全符合要接口的信號的 I/O 計數(shù)、電壓范圍和連接器類型。當(dāng)連接到傳統(tǒng) COTS 或無法輕易更改的專有設(shè)備時，這種靈活性尤其有用。

如果存在必要的技能組合并且他們選擇投資資源，公司可以在內(nèi)部進(jìn)行定制載體設(shè)計。第三方載板提供商也可以卸載設(shè)計和制造。

優(yōu)化的設(shè)計滿足具有挑戰(zhàn)性的要求

對于如前所述設(shè)計，可以在1U外殼中實現(xiàn)大量I / O點(diǎn)，內(nèi)部備用電池和擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)的無風(fēng)扇操作。首次讀取時，這些規(guī)格似乎不太可能適合目標(biāo)環(huán)境中系統(tǒng)所需的 17“ （W） x 10.5” （D） x 1.75“ （H） 尺寸：

1.2 GHz 無風(fēng)扇酷睿 2 雙核處理器

高達(dá) 8 GB 內(nèi)存

64 GB 薩塔固態(tài)硬盤

模擬視頻

2 個千兆以太網(wǎng)端口、4 個 RS-232/422/485 端口和 4 個 USB 2.0 端口

120 TTL數(shù)字輸入;96 個集電極開路輸出

32 個單端、12 位模擬輸入

由 24 或 48 VDC 供電，內(nèi)置 5 分鐘備用電池

-30 °C 至 +60 °C 工作溫度范圍

但是，使用滿足此應(yīng)用程序的所有核心處理、內(nèi)存、視頻和磁盤接口要求的 COM Express 模塊可以確保成功。COM 高速模塊還提供所需的 USB 功能和其中一個以太網(wǎng)端口。其余的 I/O 和電源電路以及用于 COM Express 功能的連接器均在定制載波設(shè)計上實現(xiàn)。

為了獲得最大的靈活性，在載板上使用FPGA將處理器總線連接到I/O電路。某些為I/O提供服務(wù)的低級功能內(nèi)置于FPGA中，使用器件的17 Kb查找表和700 Kb嵌入式塊RAM從主機(jī)處理器卸載這些任務(wù)。例如，32個模擬輸入由FPGA連續(xù)輪詢，這些值保留在表中，以便在應(yīng)用程序需要時易于訪問。未來的I/O要求也得到了簡化，因為FPGA可以很容易地修改以適應(yīng)這些變化。COM Express 和定制載板的體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1：COM Express 模塊提供核心處理功能，并安裝到特定于應(yīng)用的載板上，該載板增加了 I/O、電源和所有連接器。

定制載板的另一個優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)沒有布線。實施 COTS 技術(shù)通常需要某種類型的布線來定位機(jī)柜中的 I/O 連接器。電纜連接會產(chǎn)生潛在的故障點(diǎn)，特別是在高振動、高沖擊的環(huán)境中，如軍用車輛。定制載板可以設(shè)計成精確的機(jī)械尺寸，允許將I/O連接器直接焊接到PCB上，從而允許外部訪問，從而提高系統(tǒng)耐用性和MTBF。圖 2 顯示了目標(biāo)系統(tǒng)，包括 COM Express 模塊、定制載板和 1U 機(jī)架安裝機(jī)箱。

圖 2：示例系統(tǒng)顯示了一臺 19“ 1U 機(jī)架式計算機(jī)，帶有 COM Express 模塊和定制載板。

為應(yīng)用選擇正確的方法

具有定制載板架構(gòu)的COM Express并不適合所有應(yīng)用。盡管使用現(xiàn)成的 COM Express 模塊可加快開發(fā)時間，但完整的 COTS 解決方案仍然是配置系統(tǒng)的最快方法。但對于許多應(yīng)用而言，設(shè)計靈活性、可靠性改進(jìn)和設(shè)計控制優(yōu)勢使 COM Express 和定制載板成為絕佳選擇。

審核編輯：郭婷