关于PC机从台式PC到嵌入式工业PC的发展历程浅析.docx

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关于PC机从台式PC到嵌入式工业PC的发展历程浅析

关于PC机从台式PC到嵌入式工业PC的发展历程浅析

嵌入式工业控制机特指深藏于工业系统内部，完成一种或多种特定工业任务的计算机。

一个成功的工控机要具有开放式的模块化结构、较强的数据处理能力、很好的实时性能、较强的工业环境适应性、高可靠性、丰富的过程I/O、良好的软件开发环境，以及高性能的网络和通信支持等。

因此，工控机设计人员对上述环节和有关问题的认识程度和解决方案将直接关系到工控机设计的成败。

本期专题结合嵌入式工控机系统设计的有关问题，从以下方面展开了讨论。

1.嵌入式工业PC及其设计本文详细介绍了PC机从台式PC到嵌入式工业PC的发展历程，

描述了工业PC的性能特点，总结了其软、硬件设计的发展方向和新技术。

2.基于386EX的STD总线嵌入式工业控制机设计与实现STD总线386EX工控机将STD总线

固有的坚固性、普及性、廉价等优点与嵌入式增强型处理器386EX的可靠性、高性能、与PC兼容性相结合，是工业控制前端机向高性能发展的优选机型。

本文对该系统设计和实现中的几个要点进行了较详细的讨论。

3.32位嵌入式工业PC的软件设计嵌入式系统不同于普通的PC系统，在强调高可靠性的系统中，经常要求使用大量可供程序固化运行的不挥发性存储器。

本文详细论述了在32位嵌入式工控机系统软件设计中，管理不挥发性存储器和支持固化程序运行环境的一套可行方案。

4.用高级语言编制工业XIP软件的方法高级语言程序的代码段和数据段分离开来，是实现软件固化、就地执行的关键，然而分离用高级语言编制的程序、特别是内嵌汇编和显示功能的程序相当困难。

本文论述了利用*.EXE和*.MAP文件编制XIP软件的方法。

5.PCMCIA卡的工作机制及其在嵌入式系统中的应用PCMCIA总线的SRAM卡和Flash卡以其固有的紧凑性、可靠性及灵活的可配置性，必将逐渐取代软、硬盘，给嵌入式工控系统提供强大的支持。

本文以PCMCIA总线卡技术为核心，简要介绍其产生、分类，重点分析其硬、软件框架及相互关系，并对SRAM存储器卡、Flash存储器卡、ATAIDE卡、FAX/MODEM卡的实现机理做了进一步分析。

嵌入式工业PC以其独特的小型化体积、模块化和组合化结构、丰富的过程I/O、灵活的配置和扩展能力、特殊的恶劣环境适应能力、良好的开发环境、方便的联网能力和工作的高可靠性，被广泛应用于工业控制和军工领域，在国民经济发展和国防建设中发挥着极其重要的作用。

一、嵌入式工业PC的发展

嵌入式工业PC的发展主要得益于PC机的普及。

台式PC机的广泛应用和推广，使越来越多的人了解它、熟悉它、愿意使用它。

PC机对社会和产业界所产生的巨大影响，使建立在Intel微处理器上的PCAT硬、软件构架成为事实上的标准。

今天，当人们谈起计算机时，脑海里自然就浮现出PC机。

PC机几乎成了计算机的代名词，并且深入人心。

PC机及MS-DOS的标准化和开放式体系结构，使国际上众多厂家和公司得以在此基础上开发出丰富的、有不同特色的软、硬件产品，这无疑对PC的推广应用起到了推波助澜的作用。

随着性能不断提高和价格大幅度下降，PC机以锐不可挡之势迅速渗透到工业控制领域。

人们对PC机寄予重望，希望它在传统产业的自动化改造舞台上扮演重要的角色。

当台式PC机真的敲开了工业自动化的大门后，人们才惊讶地发现，它虽然胜任数据处理和信息保存，但并不适用于工业控制。

其主要问题可总结为以下几点：

•采用有源母板，尺寸大、散热差、元器件失效率高。

•母板水平放置，没有模板导轨，机械性能差，难以抵抗震动和冲击。

•I/O种类贫乏，可伸缩性和扩展能力差。

•风扇散热，但无过滤器，不能防尘。

•供电采用普通电源，难以抵抗电网的浪涌、跌落和尖峰干扰等。

•MTBF指数小，一般为几百小时，而工业控制要求数千小时以上。

•体积大，结构不灵活，难以维护和维修。

•电磁兼容性差，设计上没采取抗电磁干扰措施。

•故障检测和自动排除故障能力差，需要人工监视和干预。

•温度范围窄，一般为0℃～+25℃，而工业现场一般要求-25℃～+65℃。

针对上述情况，技术人员采取了比较简单的处理办法。

如对台式PC进行加固改造，对I/O插板采用金属压条来锁紧;风扇散热和安装过滤器防尘;机箱密封等。

经过如此改造的PC机，虽然骨子里仍然是数据处理机内容，但在应用初期还是占有了一定的市场。

技术人员在初尝改造的工业PC带来的甜头后，更坚定了信心，并在一定程度上加快了PC机改造的步伐。

进入90年代以来，随着我国国民经济的迅速发展和工业自动化市场需求量的不断扩大，国内工业PC也呈现出一派活跃景象。

特别是全国工业PC国产化联合开发委员会的成立，迅速完成了工业PC的国产化改造过程，并实现了和国际先进水平接轨。

当前工业领域普遍采用的工业PC的主要特点包括：

•全钢、密封机箱，微正压送风散热，过滤器防尘。

•采用尺寸相对小的无源母板取代大母板，板上信号用多层地线隔离，均匀分布电容器，以增强其抗电磁干扰能力。

•系统功能分散到几块PC卡上，如CPU卡、VGA卡、多功能卡等，使维护和维修得到改善，同时也将危险分散。

•采用半导体虚盘代替软、硬盘，增强系统数据存储和代码运行的可靠性。

•增加PC插槽数目，开发了种类齐全的工业I/O板，给系统提供了较灵活的组合配置能力。

•摒弃原有的普通电源，采用长寿命、高可靠的工业开关电源。

•采用控制组态软件。

PC机经过以上改造，加上模板设计人员在模板设计中采用了可靠性和抗干扰措施，在一定程度上适应了恶劣的工业环境，因此在工业控制系统中被越来越多地采用。

这就是人们通常所说的工业PC机。

由于工业PC自身的局限性，如体积大、机箱难以拆卸、维护不便、不能黑模式运行等，还不能完全满足嵌入式环境的要求，因此其应用范围还是受到了很大限制。

在分布式工业控制系统的过程级、监控级和管理级三级结构中，工业PC主要占据监控级和管理级，作为工作站、操作站和监控计算机使用。

那么，工业PC能在环境最恶劣的过程级，也就是工业控制系统的前端占有一席之地吗？

回答是肯定的，这就是普遍采用的嵌入式工业PC。

嵌入式工业PC彻底摆脱了传统微控制器结构的束缚，大胆采用Intel公司的80X86系列微处理器作为CPU单元，百分之百兼容IBMPC和MS-DOS结构，使其可以充分享受PC机发展所积累的丰硕成果。

这种PC和MS-DOS兼容的嵌入式工业PC，优势明显。

•系统设计受益于PC机发展所形成的相关器件生产的规模效益，硬件成本低，市场竞争能力强。

•从语言和编译连接软件、数据库、电子表格、网络通信、数据采集到控制组态软件，支持PC架构的软件应有尽有。

这些软件不需修改或稍加修改就可在嵌入式工业PC机上运行。

•多种版本的MS-DOS、Windows，以及在PC机上运行的各种实时多任务操作系统（如VRTX、AMX、Spectra等），给嵌入式工业PC以强大的支持。

•普通PC机就可作为其廉价的开发平台。

技术人员可以在熟悉的环境下方便地开发各种应用程序。

•系统升级容易。

随着微处理器性能的不断提高，嵌入式工业PC的处理能力、通信能力和界面友善程度达到相当高的水平，足以满足工业控制系统各种复杂控制策略的要求。

•从8086、80186，直到Pentium，嵌入式工业PC的硬件实现有多种档次，用户可根据实际需要选择性价比合适的机器。

由于嵌入式工业PC具有诸多优势及其巨大的市场潜力，刺激和吸引了众多厂商投入到嵌入式工业PC的开发行列中。

顾名思义，嵌入式工业PC特指埋藏于工业系统内部，执行一种或多种特定任务的计算机。

由于嵌入式应用对体积有严格限制，因此许多小型化的嵌入式工业PC产品应运而生。

其中比较成功的要数具有工业标准总线的STD、VME和PC/104等模板产品。

STD总线是由美国Pro-Log公司推出、并在嵌入式工业PC应用领域被广泛采用的一种工业标准总线。

STD总线模板标准尺寸为4.5×6.5平方英寸，远远小于ISA总线模板尺寸，适合作为紧凑加固平台。

由于采用PC和MS-DOS兼容性设计，以及Allinone和总线I/O的设计思想，使8/16位的STD总线适应高性能32位微处理器的要求。

STD总线产品以其开放式体系结构、高强度工业设计、小尺寸、高可靠、低价格、简便的I/O接口和不断增强的网络通信能力及CPU性能，在嵌入式应用领域有很强的竞争能力。

VME总线也是一种很有生命力的工业标准，分为（3U）3.9×6.3平方英寸和（6U）9.2×6.3平方英寸两种规格。

由于嵌入式工业PC机发展的强大攻势，许多厂商一改欧式VME总线Motorola微处理器结构，纷纷推出PC和MS-DOS兼容的、80x86结构的VME总线规范的嵌入式工业PC产品。

VME总线产品的插针式连接器结构被强震动、冲击和高尘埃等极恶劣场合广泛采用，特别是在列车、轮船等运动系统中。

由于插针结构很容易满足系统先接电源和后断电源的带电插拔规范，所以即插即用是VME总线产品的主要发展方向之一。

PC/104是当前国际上小型化嵌入式工业PC中比较热门的产品。

PC/104总线模板的结构很有特色，尺寸为3.6×3.8平方英寸，没有总线母板，没有模板导轨，联结采用自层叠方式，最大限度地减小占用空间。

由于PC/104总线本身就和ISA规范完全兼容，从而使它能充分利用商用PC机市场上同样的芯片系列，PC/104厂商也能最大限度地分享商用PC机规模经济市场中的巨大经济利益。

如果PC/104产品能不断降低价格，解决I/O模块贫乏等问题，它的应用前景是很好的。

为了充分利用插针结构的优点和商用PC机的规模经济效益，有些厂商干脆把ISA总线规范直接映射到VME联结器的96根插针上，推出VME-PC嵌入式工业PC产品，如瑞士Digital-Logic公司的AT96嵌入式工业PC产品。

这种真正百分之百与PC和MS-DOS兼容的产品确实给用户使用带来了不言而喻的方便，但其价格之高，让许多用户望而止步。

现在国内也有厂商推出了类似产品，但价格低得多。

今天，先进而复杂的操作系统（如Windows95和图形增强应用软件等），要求有运行速度更快的计算机与之相适应。

这一点无论是对商用PC还是工业PC都是一样的。

快速的计算机需要快速的CPU芯片、快速的存储器和快速的磁盘驱动器，还需要同样重要的、更快速的总线将所有这些连接在一起。

PCI（周边器件互连）总线就是一种应运而生的高性能计算机总线标准。

它是为满足视频和高速网络通信工作等功能要求，由Intel公司作为非常高速的局部总线开发的。

PCI是独立于处理器的32/64位总线，最大数据传输速度可达266MBps。

当今流行的高性能处理器，如PenTIum、PenTIumPro和PowerPC，都采用PCI作为其总线接口。

1994年初，国际工业计算机制造商联合成立了工业计算机制造商组织（PICMG），旨在为基于PCI总线的工业计算机产品建立一个开放式的标准。

1994年底，PICMG为采用PCI无源后背板和插在里边的PCAT式CPU卡公布了标准，IndustrialComputerSource、Pro-Log和TexasMicrosystems等公司都推出了相应的486和Pen-TIum档次工业级产品。

虽然这些产品保留了与现存PCATI/O卡的兼容，但在坚固性、小尺寸和前面板安装等方面没有得到很好的解决。

最新推出的、基于PCI的工业计算机标准叫作紧凑PCI（CompactPCI）。

CompactPCI采用VME欧洲卡封装形式，提供真正工业封装的PCI性能和硅片。

CompactPCI卡有3U和6U两种尺寸标准，两种卡在同一系统中可以共存。

Com-pactPCI不需桥路就可驱动多至8个总线插槽，足以满足大多数工业系统的要求。

CompactPCI利用最新和最快的视频、网络通信和数据采集芯片，定位在下一代更快速CPU上（