單板計(jì)算機(jī) (SBC) 為構(gòu)建智能設(shè)備提供了一種便利的方式，這些智能設(shè)備適用于涵蓋如工業(yè)、媒體、醫(yī)療健康和通訊等領(lǐng)域的眾多應(yīng)用。

開發(fā)工作集中在各種標(biāo)準(zhǔn)化外形尺寸上，如 Mini-ITX、EBX 和 PC/104，且利用硬件和軟件開發(fā)方面的既有標(biāo)準(zhǔn)，將規(guī)模經(jīng)濟(jì)從桌面 PC 市場帶入嵌入式領(lǐng)域。

第一代 PC/104 標(biāo)準(zhǔn)基于 PC ISA 總線基礎(chǔ)制定，納入了單個(gè) 104 引腳擴(kuò)展連接器，允許開發(fā)人員通過堆疊多個(gè)電路板，在 ISA 總線上引入更多的功能，以構(gòu)建可納入所有特性的計(jì)算子系統(tǒng)，從而滿足其特定需求。 90 mm x 96 mm PC/104 外形尺寸已得到廣泛認(rèn)可，且這種解決方案以其緊湊的外形、高性能和可快速定制的特性，得到了嵌入式設(shè)計(jì)師的青睞。

圖 1：單板計(jì)算機(jī)中與 PCI Express 總線連接的 PC 資源。

由于桌面 PC 已快速發(fā)展，受到諸如互聯(lián)網(wǎng)和桌面多媒體等催化劑的推動(dòng)，處理器性能和功能集成已呈現(xiàn)迅速上升的趨勢。 針對(duì) PCI 更高性能、LPC（低引腳計(jì)數(shù)）總線和 PCI-Express 更少引腳的市場需求，總線標(biāo)準(zhǔn)也已得到相應(yīng)發(fā)展（圖 1）。 由于 SBC 行業(yè)一直追求讓嵌入式開發(fā)人員從這些性能改進(jìn)中受益，于是出現(xiàn)了新的電路板樣式，成為對(duì)后續(xù)總線標(biāo)準(zhǔn)的支持標(biāo)準(zhǔn)。 典型例子包括帶 PCI 總線和 ISA 連接器的 PC/104-Plus?（圖 2a），以及支持 PCI 和 PCI Express 的 PCI/104-Express（圖 2b）。

圖 2a：PC/104-Plus 為 PC/104 外形尺寸內(nèi)的高性能 PCI 總線提供支持。

圖 2b：對(duì) PCI Express 的完全支持已替代了后續(xù) PC/104 標(biāo)準(zhǔn)中的 ISA 連接器。

在 PCI/104-Express 電路板上，PCI Express 替代了 ISA 總線。 PCI-Express 1 型連接器位于之前 ISA 連接器所在的位置。 支持這些標(biāo)準(zhǔn)的 SBC 已逐漸采用速度更快、功能更豐富的 PC 處理器，如 Intel? Celeron? 和 Atom? 系列。 處理器和總線改進(jìn)的結(jié)合推動(dòng)了 SBC 功能迅速向前發(fā)展。

對(duì) SBC 的新需求

最近，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的不斷高漲已開始改變功率平衡。 新的 SBC 版本和更小的外形，如基于 ARM? 處理器和開源 Linux 分布的 Raspberry Pi 和 BeagleBoard SBC，正在進(jìn)入市場，以滿足低成本、低功耗和多 I/O 的需求。 這些類型的電路板較少針對(duì)高處理速度和數(shù)據(jù)傳輸速度，更多的是提供大量信道、中低帶寬以及對(duì)多種標(biāo)準(zhǔn)的支持。

PC/104 系列等標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)發(fā)展，以滿足要求中等處理性能和 I/O 的 IoT 應(yīng)用，如聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)控制設(shè)備、智能自動(dòng)售貨機(jī)或者智能交通基礎(chǔ)設(shè)施。 特別值得一提的是，對(duì) PCI Express 提供完全支持的格式允許用戶為一個(gè)信道配置高達(dá) 16 條通道。 盡管這可確保支持高性能圖形或數(shù)據(jù)密集型傳輸，但開發(fā)人員通常會(huì)使用該處理器資源達(dá)到任何圖形和大量數(shù)據(jù)的需求。 PC/104 聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)，對(duì) PCI Express 的完全支持通常未被使用。

這類使用方式的改變已推動(dòng)最新標(biāo)準(zhǔn) PCIe/104 OneBank? 的出現(xiàn)。 OneBank 移除了三分之二的 PCI Express 庫，從而讓標(biāo)準(zhǔn)的 156 引腳 PCI Express 連接器被左下方的 52 引腳連接器替代（對(duì)應(yīng) Bank One 的標(biāo)準(zhǔn) PCIe/104 連接器）。 這樣可通過傳統(tǒng) PCI/104-Express 和 PCIe/104 模塊實(shí)現(xiàn)向后兼容，并且也可節(jié)省約 0.5 in2 的電路板空間。 另一方面，盡管 PCI Express 支持已降至四個(gè) x1 通道，更快的 Gen 3 速度可為許多工業(yè)監(jiān)測和控制應(yīng)用提供大量帶寬。

支持最新 OneBank 標(biāo)準(zhǔn)的 SBC 包括 SBC 的 Versalogic Bengal 系列，如 VL-EPME-30EAP，它可在電路板上提供本地 USB3.0、USB2.0、SPI、SATA 和雙以太網(wǎng)連接。 此外，還有 18 個(gè) 3.3 V 數(shù)字 I/O。 提供單核、雙核或四核 Intel Atom 處理器選擇。 通過使用 OneBank 連接器堆疊額外的 PCIe/104 模塊，主要連接可以按需擴(kuò)展。 這些可以是現(xiàn)成模塊，或者是為滿足單獨(dú) I/O 需求而設(shè)計(jì)的定制電路板。 OneBank 連接器為開發(fā)人員擴(kuò)展計(jì)算系統(tǒng)提供了多種高性價(jià)比選擇，以滿足其應(yīng)用需求。 在工業(yè)或環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，項(xiàng)目可能需要大量模擬 I/O。 另一方面，可能需要無線連接，或者當(dāng)遠(yuǎn)程 IoT 設(shè)備安裝在沒有其他基礎(chǔ)設(shè)施可用的位置時(shí)，需要蜂窩連接。

PC/104 標(biāo)準(zhǔn)的可堆疊性質(zhì)允許在必要時(shí)添加多個(gè)電路板，以提供全部所需的連接。 根據(jù) PC/104 聯(lián)盟的信息，大多數(shù) PC/104 項(xiàng)目使用一個(gè)或兩個(gè)堆疊的電路板。 Bengal VL-EPME-30EAP SBC 采用 5 V 電源，空閑功耗僅為 5.5 W，最大動(dòng)態(tài)功率為 7.5 W。

定制 SBC I/O 的另一種方式

若項(xiàng)目需要添加更多 I/O，采用能處理 I/O 而不增加處理器負(fù)載的定制堆疊模塊將面臨復(fù)雜的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。通過在電路板上集成 Rabbit RIO 智能 I/O 處理器，Digi International 利用 SBC 提供了一種替代方法，如 Rabbit BL4S110。 RIO IC 擁有八個(gè)獨(dú)立的功能塊，帶有能配置為雙向 I/O 或外設(shè)功能的四個(gè)輸出，如 PWM 生成、基于邊緣或級(jí)別的中斷、信號(hào)捕捉/計(jì)數(shù)或者正交解碼。 作為智能 I/O 子系統(tǒng)，這種設(shè)備允許開發(fā)人員為控制任務(wù)、數(shù)據(jù)處理和通信使用 SBC 的 40 MHz Rabbit 4000 處理器。

除了 Rabbit RIO 提供的資源，BL4S110 已在電路板上集成 XBee? ZigBee? PRO RF 模塊以及 10Base-T 以太網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了 ZigBee-to-Ethernet 網(wǎng)關(guān)功能。 還有內(nèi)置的 web 服務(wù)器，它能讓網(wǎng)頁使用 ZigBee AT 和 API 命令庫控制啟用 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)。 此外，BL4S110 可提供 2 個(gè) RS-232 串行端口，8 個(gè)模擬輸入和 20 條數(shù)字 I/O 線路。 這些 I/O 和控制功能可在不增加擴(kuò)展卡的情況下實(shí)施。 電路板基底面介于 PC/104 和 EBX 基底面之間，尺寸為 96 mm x 146 mm。

結(jié)論

PC 處理器性能和集成程度的提高，加上資源和功率受限型 IoT 端點(diǎn)對(duì)分布式智能不斷增長的需求，催生了新一代的單板計(jì)算機(jī)。 熟悉 PC/104 的開發(fā)人員可以抓住這樣的機(jī)遇，利用諸如 VersaLogic 的 Bengal PCIe/104 OneBank 系列電路板，繼續(xù)加強(qiáng)在外形尺寸方面的投入。 Rabbit RIO 可配置智能 IC 為滿足多 I/O 連接的應(yīng)用需求提供了不同的方法。