為了滿足航空和國防應用的需要，緊湊、多內核、低功率計算機板正實現越來越高的運算能力/能效比。
越來越成熟和復雜的航空與軍事應用催生了對單板計算機(SBC)的新需求。這是因為這些領域的用戶有非?？量痰囊?，比如更好的耐用性、更高的可靠性、更大功率性能、更低功耗和更小的外形尺寸。
正因為如此，電路板和系統集成商一直在努力將盡可能多的技術集成到最小的實用型電路板上。一些公司使用商品化的現成(COTS)技術，一些公司則采用多內核設計，在這種設計中一塊電路板上可能有多個處理器，而且這些處理器可能來自不同制造商。
設計師還會使用各種操作系統，經常在單塊板子上使用多個操作系統，如Unix、Linux、微軟的Windows XP Pro和Embedded以及風河系統公司的VxWorks。另外，高速串行總線開始代替較老的并行總線來處理現代SBC上的更高數據速率和更寬帶寬通信。
雖然COTS組件已被廣泛用于SBC設計，但它們的應用有時還取決于性能要求和設計預算。如果設計預算允許的話，一些性能等級要求非常高的SBC設計可能選用定制組件。
采用前沿高性能處理器的多內核COTS處理技術將徹底變革SBC設計。多內核方法無需為每個應用準備單獨的計算機板。它還允許在單塊電路板上、并且經常是單個CPU上運行多個應用程序。在許多SBC和插件式夾層卡中可以見到高性能多內核處理器的身影。
多內核COTS處理
這些多內核處理器包括ADI的Sharc和Blackfin；飛思卡爾半導體的8641 PowerPC和8555E；英特爾的Core 2 Duo、Xeon Dual和奔騰；AMD的Turion 64、Operon和Radion HD3650；Sun Microsystems的UltraSPARC IIi和IIIi；PA Semiconductor的1682以及Cavium Networks公司的MIPS64。
由索尼計算機娛樂公司、東芝公司和IBM公司聯合開發(fā)、由供應商IPV有限公司提供的單元寬帶引擎(Cell BE)多內核處理器架構結合了最合適的Power架構和流線型協處理器單元，可以顯著地加速多媒體和矢量處理應用以及許多其它形式專用計算的速度(圖1)。
圖1：IPV的Cell BE處理器的三個主要功能塊
耐用性是SBC的航空和國防用戶關心的重要參數。由Aitech Defense Systems公司開發(fā)的S950 SBC采用3U CompactPCI設計，在全速工作時功耗只有13.5W，休眠模式時功耗小于8W。S950基于的是PowerPC 750FX平臺，采用防幅射反熔絲FPGA來保持對存儲器的控制，可確保惡劣環(huán)境下的數據完整性。
General Micro Systems公司的Premonition CC279也使用了CompactPCI技術。這個6U高、100W的傳導冷卻式SBC基于用戶選擇的英特爾的兩個四核或雙核Xeon處理器(圖2)。
圖2：General Micro Systems的6U、100W傳導冷卻式SBC
在SBC設計中使用現場可編程門陣列(FPGA)是另一個正在上升的趨勢。FPGA不僅能提供所需的強勁運算及與高速串行總線連接的能力，而且能夠方便設計師對老一代FPGA設計的移植工作，且不必擔心對無鉛器件的要求。
一個SBC可以針對某個特殊功能在電路板上形成一個完整系統?；蛘邘讉€SBC可以插入象金屬箱似的籠架中的背板連接器以實現更高性能。因為它們可以是完全定制的，所以有些SBC可能并不遵守SBC標準。另外，許多特殊功能的夾層卡可以插入SBC，象圖形加速器夾層卡、顯示和其它類型的夾層控制器卡及存儲器夾層卡等。
由Mercury Computer Systems開發(fā)的盒狀PowerBlock 50產品擁有強大的功能(圖3)。這個重量在6磅到10磅間的產品尺寸僅為4x5x6英寸，卻可以提供100GFLOPS的處理能力。PowerBlock 50針對對空間和重量有非常嚴格要求的嵌入式計算應用優(yōu)化過，它使用的是Cell BE多內核處理器。
圖3：Mercury Computer Systems的PowerBlock 50
更高速的串行互連
由于SBC設計師采用如此多不同的處理器、操作系統、外形尺寸和設計架構技術，標準化幾乎不存在。然而，在外形尺寸以及板內與板間通信方面,業(yè)界正在開展一些重要的標準化工作。
用于SBC的新一代串行鏈路開始迫不急待地使用更高速的總線互連實現通信。象VPX和XMC等串行總線標準反映出高速串行接口的重要性與日俱增，尤其是交換式矩陣接口，如PCI Express、千兆以太網、串行RapidIO和InfiniBand。HyperTransport是另外一種串行總線，雖然它是在電路板極標準中定義的，但仍具有芯片到芯片間的連接鏈路。
串行總線具有比并行總線更寬的帶寬和更大的吞吐量。另外，它們具有明顯高得多的性能水平，是更適合使用多內核設計的現代SBC架構。串行總線還能減少管腳數量，并具有熱插拔功能。
不過并行總線具有無需升級到更高速鏈路傳送速率就可實現的1X、2X、4X等的可擴展性。另外，VME總線、CompactPCI、Embedded Technology eXtended (ETX)、PC/104和PC PCI/SA等并行總線以及它們的變種和替代品是用于SBC通信的主流總線標準。
VME可以追溯到20世紀70年代，當時它叫VERSAbus，目前它仍占據著SBC通信總線的主要市場份額。它還在不斷發(fā)展，從32位、40Mbit/s到64位、80Mbit/s甚至到2eSST 320Mbit/s的實現。
VME國際貿易協會(VITA)的執(zhí)行總監(jiān)Ray Alderman表示，VME是一個10億美元的市場，今年有望再增長10%。VITA一直在推進VPX(VITA46)，它是SBC行業(yè)接受的最新規(guī)范。VPX于去年得到美國國家標準協會(ANSI)的批準，它在尋求關鍵嵌入式系統設計所需的解決方案。
VME同時滿足以前的6U外形和較新的3U外形尺寸要求。它還完善了主導著常見SBC所用的VME標準。VME和VPX都含有定義了SBC機械和電子參數的基本規(guī)范。
VPX標準支持3到100GB/s范圍內的數據通信。它可以將一個SBC電路板槽道中處理的功率從目前VME總線槽道的90W(5V)提升到115W(5V)。另外，它允許的功率水平在12V時能達到384W，48V時能達到768W。
VPX支持現有的SBC冷卻標準，但它也能通過VITA的耐用增強型設計實現(REDI，前稱為VITA48標準)滿足更嚴格的冷卻要求。雖然VPX很大程度上兼容VME，但它有一個泰科公司（Tyco）開發(fā)的名為MultiGig RT2的新型連接器。
6U電路板包括6個16列7行連接器和1個8列7行RT2連接器。3U電路板有2個16列、7行RT2連接器和1個8列、7行RT2連接器。雖然VITA希望象VPX標準允許的那樣使用“混合”機箱來匹配VME電路板，但MultiGig R2電路板無法兼容VME連接器。
GE Fanuc Intelligent Platforms的設計師們相信，重點關注VPX是向目前和未來苛刻環(huán)境提供高性能計算的最佳途徑。“我們真心希望VME和CompactPCI能繼續(xù)生產下去，但VPX是許多新設計的優(yōu)選平臺。”SBC全球產品經理Richard Kirk表示。GE Fanuc采用飛思卡爾的8641D雙核PowerPC生產了許多VPX SBC，如3U VPX SBC330和6U SBC。
VXS(VME交換式串行)總線整合了事件驅動的VME并行總線和增強性能來支持交換矩陣。VXS支持3到30GB/s的數據通信。與VPX標準一樣，它能插入VME總線背板。
據Pentek公司透露，型號4207是業(yè)界第一個集成了PowerPC、FPGA和多個高速千兆比特串行接口的VME/VXS SBC(圖4)。“4207整合了許多標準接口和協議，是一種特別靈活的單槽道解決方案。”Pentek公司副總裁Rodger Hosking表示。這些接口和協議包括了VXS、PMC、PCI-X、PCI Express、千兆以太網、串行RapidIO、賽靈思的RocketIO以太網收發(fā)器、光纖信道、賽靈思的Aurora FPGA技術以及VME6x技術。
圖4：Pentek的4207 VME/VXS SBC
與VPX一樣，VITA 42或XMC夾層標準是一種開放標準，支持在PCI夾層卡(PMC)上實現高速交換式矩陣互連協議。XMC標準規(guī)定了可處理PCI Express和其它高速串行接口(如RapidIO和并行RapidIO)的第5個連接器。
針對嚴酷的使用環(huán)境，ESMexpress(ANSI/VITA 59)夾層標準涵蓋了可以插入PMC的SBC和XMC SBC。MEN Micro公司基于PowerPC的ESMexpress XM50 SBC包含高達2GB且具有糾錯碼(ECC)的焊接型DDR2 SDRAM，以及SRAM和鐵電RAM(FRAM)(圖5)。XM50還支持USB閃存。
圖5：MEN Micro公司基于PowerPC的ESMexpress XM50 SBC
有許多SBC和插入式夾層卡制造商正在推出基于VPX和XMC標準的產品，這些產品都有3U和6U兩種外形。這些產品內的SBC同時使用英特爾和PowerPC處理器實現圖形、海量存儲和交換應用。
Curtiss-Wright Controls Embedded Computing公司的VPX6-185 SBC包含一個雙內核PowerPC(也可以選用單內核)，每個CPU內核帶64kB一級緩存和1MB二級緩存、最多2GB的DDR2 SDRAM(SDRAM)、最多512MB的閃存和兩個高性能存儲器控制器(圖6)。
圖6：Curtiss-Wright Controls Embedded Computing公司的VPX6-185 SBC
VPX6-185 SBC的高性能I/O端口包括四個千兆比特的以太網端口、兩個通過PCI-X和PCI Express接口與XMC I/O連接的PCM/XMC端口、一個可選的VME64接口、一個四通道串行I/O和一個雙通道USB 2.0 I/O。四通道矩陣端口中的每一個都可以單獨設置為串行I/O或PCI Express端口。該SBC支持VxWorks和Linux操作系統、Continuum固件、針對SSL Altivec優(yōu)化過的DSP庫以及用于串行I/O和核間通信的IPC軟件。
為了支持VPX和XMC等標準，Quantum 3D公司的Sentiris 5140 XMC夾層圖形加速器夾層卡提供256MB的DDR3存儲器(圖7)。這款基于實時COTS技術的產品使用AMD公司的ATI Radeon HD3650圖形處理單元來提供最高的圖像質量和性能，Quantum 3D公司表示。
圖7：Quantum 3D公司的Sentiris 5140 XMC夾層圖形加速器夾層卡
“我們看到，航空應用中的傳感器技術變得越來越復雜，它要求SBC和夾層卡放在飛行器中，而不是將數據向下發(fā)送到基站，數據下傳要求非常寬的帶寬。”Quantum 3D公司首席高性能計算機架構設計師Alan Commike表示。
Sentiris 5140由運行Windows XP Pro和XP Embedded以及Linux操作系統的x86架構提供支持。它使用8個或16個通道的PCI用于通信。在16個通道時，它能以4GB/s的速率將數據傳送到主機接口。
AdvancedTCA
PCI工業(yè)計算機制造商集團(PICMG)開發(fā)的AdvancedTCA(高級電信計算架構)和MicroTCA是電信設備采用的兩種新型串行總線。
這些開放架構規(guī)范允許SBC和夾層卡設計師以改進的熱性能充分利用連網拓撲帶來的好處以采用低成本的COTS組件。它們通過刪除不必要的通信功能支持電路來降低電路板成本。
Emerson Network Power公司的PrAMC-7210處理器模塊和10Gbit ATCA處理器刀片夾層卡就很好地利用了這兩種總線。PrAMC-7210采用了1.5GHz、4MB二級緩存的英特爾Core 2 Duo處理器，它適合那些充分整合了多內核處理的性能優(yōu)勢和千兆以太網與PCI Express等高速串行傳輸性能的應用。10Gbit ATCA處理器刀片夾層卡采用了一個16內核的Cavium Octeon處理器，適用于高性能計算應用。
圖8：Emerson Network Power公司的PrAMC-7210處理器模塊