新一代工业计算机平台规格─PICMG 1.3
2007-08-08
作者：龙巧飞
摘要
距离PICMG 1.2发布不到二年的时间，PICMG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" title="I/O">I/O接口规格，如PCI Express、USB 2.0、Serial ATA、Gigabit Ethernet引入工业计算机平台以提升系统 频宽" title="频宽">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hot plug的支持、减少排线的使用等。本文将介绍PICMG 1.3的主要规格。
PICMG 1.3的组成
PICMG 1.3总线接口是由两个x16与两个x8的PCI Express connector所构成，符合PICMG 1.3的CPU板卡〈System Host Board, SHB〉或背板可支持的总线种类如表一所列。
表一：PICMG 1.3支持总线列表
表中可以看出PICMG 1.3主要提供PCI Express的支持，对PCI或PCI-X也有支持，但是次要的，而且SHB只支持32-bit宽度的PCI bus，只有背板才有可能支持到64-bit PCI bus。SHB又分长卡与短卡两种，短卡仅支持connector A、B，长卡最多可支持到connector D。
提升I/O频宽
从第一个工业计算机规范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，每一次的更新，目的就是为了提升系统I/O的频宽，表二是上述各种总线的频宽比较表。
表二：各种总线的频宽比较
表三是PICMG 1.0到PICMG 1.3，所支持的总线种类与频宽列表。表中可以看出每次的规格更新，频宽均提升了一倍以上。
表三：PICMG规范所支持的总线种类与频宽比较表
更多的电源供给
为了支持新一代的CPU与内存，在电源供给上，PICMG 1.3增加了更多的power pin，表四是PICMG 1.0到PICMG 1.3的电源供给比较表。
表四显示，PICMG 1.3大幅度增加+12V电源的供给，也减少+5V的供给。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20安培以上的电流，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电源供给的主因。
表四：PICMG规范电源供给比较表
机构的考虑
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" title="电源系统">电源系统，以降低系统开发成本。在机构上，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二个考虑，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，走线更为顺畅。如图一所示，如果零件面与PCI Express卡相同，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。如图二所示，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Insertion loss问题
PCI Express的差动信号，其最高传输率达2.5Gbps/sec，信号从SHB经过connector到达背板的途中，会经过PCI Express connector，这造成阻抗不连续，使信号产生反射或衰竭。为确保 信号品质" title="信号品质">信号品质符合PCI Express规范的要求，对于信号的insertion loss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eye pattern符合规范。
图三是信号的连接方式示意图，图中可看出SHB在分析insertion loss时，是把PCI Express connector视为阻抗的一个不连续点。表五则是信号在insertion loss的要求。
Note :
1. 表格内的数据基于以下的假设：connector loss=1dB，capacitor loss=1dB/each，FR4 material loss=0.3dB/inch/GHz
2. 以上数据均根据PCI Express Card Electrical Specification Rev.1.0a所列基本定义计算所得
表五：Insertion Loss的要求
其它新增功能
〈1〉 Miscellaneous I/O ports
除了PCI Express与PCI bus，PICMG 1.3还加入了四对USB 2.0 port、四对Serial ATA port、与一个GbE port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刷电路板到达背板，信号品质会更稳定，亦可减少cable的使用，进而提升系统维护的便利性。
〈2〉 IPMB Interface
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。
〈3〉 Hot plug support
PICMG 1.3的PCI Express接口支持hot plug功能，系统可以在不断电的情况下更换PCI Express卡片，提高系统的可用性〈Availability〉。
〈4〉 VIO电压侦测
背板上的SHB插槽没有keying可用来防止SHB误插到I/O电压位准不兼容的背板上，所以PICMG 1.3定义VIO信号，让SHB可以判断背板所支持的I/O电压位准。
〈5〉 电源管理
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optional，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。
〈6〉 SM bus support
PICMG 1.3还预留了SM bus以满足未来在系统管理上的需求。
背板设计该注意的事项
背板有高速的PCI Express信号经过，为确保信号品质，印刷电路板的阻抗要求极为严谨，一般信号线的特性阻抗为57W+/-10%，差动信号的阻抗则为100+/-10%。
如果有支持64-bit PCI bus，背板必须为AD[32..63]、C/BE#[4..7]、REQ64#、ACK64#、PAR64做pull-up的动作。
PCI bus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，有兴趣的读者可参考笔者2003年11月在台湾通讯杂志所刊登的”PICMG 1.2规范”，不在此赘述。
结论
自从PICMG在1994年针对工业界制定第一个开放性架构以来，工业计算机的规格给人的感觉总是落后于主流信息产品规格。但是从2000年以后，这个情形有了转变。PCI-X出现二年后，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，截至笔者完成这篇文章时，PICMG 1.3规范仍未正式发布，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使用在主流桌上型计算机与服务器的各种适配卡直接应用在工业计算机领域，让系统扩充更具弹性，亦可节省系统开发成本。
距离PICMG 1.2发布不到二年的时间，PICMG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" title="I/O">I/O接口规格，如PCI Express、USB 2.0、Serial ATA、Gigabit Ethernet引入工业计算机平台以提升系统 频宽" title="频宽">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hot plug的支持、减少排线的使用等。本文将介绍PICMG 1.3的主要规格。
PICMG 1.3的组成
PICMG 1.3总线接口是由两个x16与两个x8的PCI Express connector所构成，符合PICMG 1.3的CPU板卡〈System Host Board, SHB〉或背板可支持的总线种类如表一所列。
| Connector | Type | Pin Count | Signal description |
| A | PCI Express x16 | 164 | One PCI Express x16, or Two PCI Express x8 |
| B | PCI Express x8 | 98 | One PCI Express x8, or Two PCI Express x4, or One PCI Express x4 and Four PCI Express x1 |
| C | PCI Express x16 | 164 | Power pin, USB 2.0, Serial ATA, GbE, and IPMB |
| D | PCI Express x8 | 98 | 32-bit PCI/PCI-X" title="PCI-X">PCI-Xbus with bus speed up to 133MHz |
表一：PICMG 1.3支持总线列表
表中可以看出PICMG 1.3主要提供PCI Express的支持，对PCI或PCI-X也有支持，但是次要的，而且SHB只支持32-bit宽度的PCI bus，只有背板才有可能支持到64-bit PCI bus。SHB又分长卡与短卡两种，短卡仅支持connector A、B，长卡最多可支持到connector D。
提升I/O频宽
从第一个工业计算机规范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，每一次的更新，目的就是为了提升系统I/O的频宽，表二是上述各种总线的频宽比较表。
| Protocol | ISA | PCI 64-bit/66MHz | PCI-X 64-bit/133MHz | PCI Express x8 | PCI Express x16 |
| Bandwidth | Half duplex | Half duplex | Half duplex | Full duplex | Full duplex |
| MB/s | 24 | 533 | 1066 | 2500 | 5000 |
表二：各种总线的频宽比较
表三是PICMG 1.0到PICMG 1.3，所支持的总线种类与频宽列表。表中可以看出每次的规格更新，频宽均提升了一倍以上。
| Specification | PICMG 1.0 | PICMG 1.2 | PICMG 1.3 |
| BUS support | ISA (24MB/s) PCI 66(533MB/s) |
PCI-X 133 (1066MB/s) PCI-X 133 (1066MB/s) |
PCI Express x16 (5000MB/s) PCI Express x8 (2500MB/s) PCI 32-bit bus (optional) |
表三：PICMG规范所支持的总线种类与频宽比较表
更多的电源供给
为了支持新一代的CPU与内存，在电源供给上，PICMG 1.3增加了更多的power pin，表四是PICMG 1.0到PICMG 1.3的电源供给比较表。
表四显示，PICMG 1.3大幅度增加+12V电源的供给，也减少+5V的供给。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20安培以上的电流，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电源供给的主因。
| Specification | +3.3V power pin | +5V power pin | +12V power pin | Power to SHB |
| PICMG 1.0 (64-bit PCI) | 12 pin (~40W) | 22 pin (~110W) | 2 pin (~24W) | 36 pin (~174W) |
| PICMG 1.2 | 22 pin (~73W) | 25 pin (~125W) | 1 pin (~12W) | 48 pin (~210W) |
| Proposed PICMG 1.3 | 26 pin (~86W) | 8 pin (~40W) | 28 pin (~336W) | 62 pin (~462W) |
表四：PICMG规范电源供给比较表
机构的考虑
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" title="电源系统">电源系统，以降低系统开发成本。在机构上，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二个考虑，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，走线更为顺畅。如图一所示，如果零件面与PCI Express卡相同，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。如图二所示，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Insertion loss问题
PCI Express的差动信号，其最高传输率达2.5Gbps/sec，信号从SHB经过connector到达背板的途中，会经过PCI Express connector，这造成阻抗不连续，使信号产生反射或衰竭。为确保 信号品质" title="信号品质">信号品质符合PCI Express规范的要求，对于信号的insertion loss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eye pattern符合规范。
图三是信号的连接方式示意图，图中可看出SHB在分析insertion loss时，是把PCI Express connector视为阻抗的一个不连续点。表五则是信号在insertion loss的要求。
Note :
1. 表格内的数据基于以下的假设：connector loss=1dB，capacitor loss=1dB/each，FR4 material loss=0.3dB/inch/GHz
2. 以上数据均根据PCI Express Card Electrical Specification Rev.1.0a所列基本定义计算所得
表五：Insertion Loss的要求
其它新增功能
〈1〉 Miscellaneous I/O ports
除了PCI Express与PCI bus，PICMG 1.3还加入了四对USB 2.0 port、四对Serial ATA port、与一个GbE port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刷电路板到达背板，信号品质会更稳定，亦可减少cable的使用，进而提升系统维护的便利性。
〈2〉 IPMB Interface
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。
〈3〉 Hot plug support
PICMG 1.3的PCI Express接口支持hot plug功能，系统可以在不断电的情况下更换PCI Express卡片，提高系统的可用性〈Availability〉。
〈4〉 VIO电压侦测
背板上的SHB插槽没有keying可用来防止SHB误插到I/O电压位准不兼容的背板上，所以PICMG 1.3定义VIO信号，让SHB可以判断背板所支持的I/O电压位准。
〈5〉 电源管理
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optional，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。
〈6〉 SM bus support
PICMG 1.3还预留了SM bus以满足未来在系统管理上的需求。
背板设计该注意的事项
背板有高速的PCI Express信号经过，为确保信号品质，印刷电路板的阻抗要求极为严谨，一般信号线的特性阻抗为57W+/-10%，差动信号的阻抗则为100+/-10%。
如果有支持64-bit PCI bus，背板必须为AD[32..63]、C/BE#[4..7]、REQ64#、ACK64#、PAR64做pull-up的动作。
PCI bus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，有兴趣的读者可参考笔者2003年11月在台湾通讯杂志所刊登的”PICMG 1.2规范”，不在此赘述。
结论
自从PICMG在1994年针对工业界制定第一个开放性架构以来，工业计算机的规格给人的感觉总是落后于主流信息产品规格。但是从2000年以后，这个情形有了转变。PCI-X出现二年后，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，截至笔者完成这篇文章时，PICMG 1.3规范仍未正式发布，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使用在主流桌上型计算机与服务器的各种适配卡直接应用在工业计算机领域，让系统扩充更具弹性，亦可节省系统开发成本。
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