工業電腦匯流排應用發展趨勢
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前言：在電腦的發展中，「匯流排」一直是影響電腦內部與外部溝通效能的重要關鍵，尤其在工業控制電腦應用領域，在系統整合的步調已逐步朝向PC平台趨勢看來，匯流排設計大多不再使用各式特殊或冷辟的工業規格，而漸漸轉向採行PC產業常用的通用規格，而在工控市場要求的穩定運行與系統整合優勢而言，也未嘗不是一個良性的正向循環…
本文：
工業電腦(IPC)可以說是以PC技術為基礎，其作業目的是解決工業方面的各式控制需求所設計的功能型電腦設備，在應用現有的PC運算資源與技術前提下，搭配工業控制的應用場合，即便IPC的相關系統建置技術多數源自PC產業，但為了適應工廠或是工控場合應用之特殊性，「穩定」的考量往往就成為IPC的設計優先指標。
早期IPC的應用場合，對於匯流排的速度要求並不過於嚴苛，一來是處理目的本身就僅為簡單的生產控制應用目的，運算效能與傳遞資料的需求較容易實踐，反而不需要如同消費型用途PC需要不斷追逐高效能的傳輸技術，而因此影響穩固系統的設計方針。
VME仍可滿足部份工控匯流排應用需求
早期的VME(VersaModule Eurocard)匯流排技術，觀察其基本結構，會發現是屬於較簡單的並行(Parallel)介面匯流排，其通訊協定相較目前主流的串行(Serial)介面技術來說，通訊協定也簡化不少。VME的原理是透過匯流排仲裁設計，控制匯流排的使用許可權，也因為控制機制相對單純，亦不用處理大量的控制機制，用於相對單純的工廠自動化或是電信設備控制這類場合，很容易就能用以建構穩固的系統環境。
除了設計簡單、結構清晰...等優勢外，VME的特色相當多，直至現有高速匯流排不斷推陳出新下，採VME架構的產品仍具備一定市場需求。VME的數據資料傳送是採行非同步機制進行，這對於主控設備與相關附屬設備進行不同主/從設備組態時，面對不同傳輸速度的設備也可整合進行設備資料交換，限制相對較低，至於主方設備裝置也可視需求，採行非同步方式進行連結，另外VME可支援多種中斷級別要求，不只是可連結的設備數量夠多，應用的彈性也相當大，亦可視架構環境的需求動態調整應用條件。
VME在工控電腦界相當熱門，歷經數十年的光陰，也持續進行介面支援能力的改善，例如原有32位元的版本(VME32)在94年推出擴展型的63位元版本(VME64)，另針對不同需求另有推出SCSA、M-Module、BusNet、CCPMC(Conduction-Cooled PMC)、Myrinet對應擴展技術規格，甚至還有支援Gbit Ethernet、PCI、PCIX、Infiniband、PCI Express、RapidIO等其匯流排擴展規格，具備相當高的泛用特性。
VME兼具System Enclosure架構條件
由於VME本身就相當單純，使用者可將單獨的VME工控電腦子卡當作獨立系統使用，當然也可以在需求擴充後，在原有的架構下擴充更多VME設備，再將這些VME裝置進行更深度的整合。目前VME有多種板卡設計規範，例如VME A即為00mm × 160mm尺寸大小，VME B為233.35mm × 160mm，連接器可導入Eurocard規範，讓VME設備的整合更加容易、單純。
但即便VME應用彈性相當大，但實際面對現有的繁複應用環境來說，工控電腦需要處理的資訊也不在僅限於工廠控制或機電控制領域，在VME應用規格方面較弱勢的介面效能，就很容易出現系統應用瓶頸。VME的非同步傳輸效能即便能具備每秒40MB的傳輸實力，而VME64也有每秒80MB水準，但現場實際使用仍會遭遇到傳輸效能的限制，還有VME320或高速的VXS介面技術，改善原有的效能瓶頸。
USB介面
即便目前市場商已有大量匯流排技術推出，其設計目的亦不相同，但從消費型電腦應用發跡的USB(Universal Serial Bus)介面應用，其實在工控電腦的領域方面，已經有導入應用的趨勢。USB是1990年代推出，最初的設計目的是用來連結電腦的低速周邊應用，例如滑鼠、鍵盤、雷射印表機…等，但目前USB的角色由於其傳輸效能不斷提升，其身分的定位已經產生若干質變。
USB的優勢在於，導入設計不需支付額外的授權費用，以量制價的產業環境下讓USB的導入速度大幅提升，時至今日各式硬體周邊都以USB介面為整合首選。USB具備相當方便的隨插即用特性，速度效能在成熟的2.0版本可以達到480MB/s速度，在應用方面，多數IPC會以此作為檢測設備的連接介面，或是數據採集介面。
尤其在低成本、行動式數據採集設備中，應用人員可透過使用USB介面的數據採集設備，在成本更低廉的桌上型電腦平台開發專業的量測環境，甚至將量測環境整個複製到行動能力更佳的筆記型電腦平台，藉此實踐現場量測的應用需求。
LAN介面的整合應用
在工廠建置工控設備的應用場合，或是用於監視路口、電力設備或是戶外定點資料擷取的場合，LAN是經常被使用的介面技術，因為LAN的應用條件本身即可支援較長的連接要求，如果以100BaseT網路的線材條件於無中繼補強的場合下，100BaseT網路最長可以支援超過80公尺的傳輸要求，如果採行中繼器進行訊號準位補強，傳輸距離想拉多長都不是問題(距離越長中繼器使用即越多)。
除了資料擷取、傳輸應用方面，部份場合也可利用LAN介面將各式儀表、器材連結，例如透過針對連結儀表需求擴展的LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)介面，經由連接與整合後，工控設備即可透過LAN搭配資料擷取技術進行建置，而不需為了克服距離問題，都必須在設備就近設置IPC，可降低自動化的設置成本與提升管理效能。
LXI本身的通訊協定，也隨著儀表、設備能擷取與控制的訊號不斷提升下，介面通訊協定本身也會有相關的更新與改善，例如，最新的Gb乙太網路標準也有增加LAN儀表會使用的頻寬需求，但此對於改善匯流排的延遲問題提升幅度不大，LAN的使用仍是僅適用於中/低網路頻寬應用為主，尤其經常見於用在儀表、遠據資料擷取、遠據資料記錄等用途。
ISA/PCI匯流排技術
ISA(Industry Standard Architecture)匯流排是1981年IBM電腦推出時一併釋出的介面技術，ISA也衍生出IPC使用相當廣泛的PC/104，而PC/104則在嵌入式系統、嵌入式控制器設計中相當常見，不似ISA採背板(backplane)的設計架構，其設計構型多半是因應堆疊概念進行系統功能擴充。
與ISA的發展差不多，源自消費市場電腦架構的PCI介面，也有發展出工業應用的CompactPCI版本。CompactPCI具備64位元設計要求，也具備回溯相容32位元系統的特性，在IPC品中，CompactPCI為將處理器、記憶體等設備硬體整合在一個3U(100mm x 160mm)或6U(233.3mm x 160mm)的機構空間中，各機板共用交換式電源、鍵盤、滑鼠、顯示器…等外部資源，一個機箱最大可以置放多達10餘台的CompactPCI設備，在設置空間有限的現場環境來說，CompactPCI有其空間與使用上的效能優勢。
CompactPCI還有多數工業電腦沒有的優勢，例如模組化(Modulize)的功能設計優點、熱插拔(Hotswap)特性，高密度的I/O設計與可擴充板卡讓使用彈性也因此相對提升。
PCI Express架構
而目前在IPC產品相當常見的PCI Express匯流排，其實具備速度快、模組化架構以及具備PCI相容特性，而且，尤其在介面特性部份，PCI Express另具有低延遲與更高匯流排頻寬特點，這對於IPC建置目的越來越多元的使用趨勢，PCI Express無疑是提供一個釜底抽薪的解決方案。
PCI Express簡稱PCIe(或PCI-Ex)，PCI Express採分層系統架構，從底層開始，分別為實體層、數據層、處理層、軟體層和作業系統層。在實體層導入多通道概念，藉此擴充系統的頻寬性能表現，架構上實體層為由一組雙單工通道架構，一個發送另一個接收組成一組通道。
每組PCI Express通道，具備有2.5GB/s的傳輸效能表現，能在每個傳送方式提供250MB/s的傳輸頻寬(為PCI設備的2~4倍)。從概念上來看，實體層能提供x1、x2、x8、x12、x16和x32通道頻寬，PCI Express可確保只在接收端緩衝記憶體具接收空間與處理條件時，才會發送資料封包，避免產生不效率的資料封包重新傳送，及因為資源有限而造成匯流排頻寬被不效率的傳輸行為所佔用，進而造成資源浪費。
至於PCI Express的高頻寬支援特性，可以滿足IPC設備必須與其餘高速設備串接的基本要求，而且PCI Express設計概念下，也能解決點對點(peer-to-peer)架構下的通訊性能基本要求，規劃系統架構時就不需要因為設備的介面支援性，而讓系統整體的回應時間拉長，導致系統反應不夠即時的問題。
而重要的是，PCI Express是延續PCI架構的設計，因此具備極高的回溯相容特性，其分層架構設計也確保PCI Express設備與未來產品的相容、整合便利性，讓PCI Express設備具備滿足未來系統延伸或擴充需求的潛能。
混合多種匯流排的系統設計
混合多種匯流排技術的系統設計，通常在多種工廠常見的的自動測試設備(ATE；automatic test equipment)系統設計中相當常見，例如PXI、PCI、USB、GPIB、乙太網路…等匯流排，進行整合性的架構規劃，而當系統歸階段要讓多種匯流排和平共存，同時達到最佳化的應用狀態時，設計的首要方針，就是採分層式的系統架構進行規劃。
利用混合式的匯流排技術進行系統架構開發，雖然開發難度或許會較高一些，設計也會略嫌複雜，但實質的投資卻相當值得投入，因為每種匯流排技術或多或少都有其長處與劣勢，而混合式的設計可以避開劣勢而強化介面支援優勢，讓系統設計可以滿足最佳化的設備投資要求。
系統整合的階段，工程師可以利用某些匯流排在特殊應用的優勢，來增強系統的效能表現，例如，採PXI和PXI Express實踐更高效能的頻寬傳輸需求，或是更嚴苛的同步化設計條件，而針對遠距連結與網路穩定性，則可導入LAN進行整合，建構兼具多項應用優勢的理想工控檢測系統。
推陳出新的匯流排技術
每一種匯流排技術，雖然看似能滿足當下的應用需求，但討論與檢視的重點，應該回歸IPC設置的現場條件、環境與日後擴充需求性來進行規劃與選擇，尤其是工程人員，日後還要面對生產現場的系統偵誤、維修與效能改善，若一開始就選錯平台甚至用錯架構，也會造成未來調整系統架構上的相關限制。
常見的做法是直接參考相關業者的成功方案，但工廠線環境與管理條件可能會有差異，直接把成功案例整個搬到自己的專案，也可能出現水土不服的狀況，實際的應用條件，仍需規劃人員對於目前IPC可用的架構、匯流排技術差異先有深入理解，再針對系統需求尋求較合適的解決方案，而該解決方案可能必須具備成本或是效能要求，就可再更進一步進行多選項的評估、分析。
而每種匯流排技術也很難迎合多元的應用環境與目的，尤其是針對IPC系統穩固的要求更高，單一設計方案很難達到每一種需求都能兼顧的要求，這也是為何混用型的系統架構有日趨熱門的趨勢，而基本上每種匯流排的開發，都有其設計背景與適用場合，即便可能規格上看似行得通，但仔細深究其傳輸架構、通訊協定與連接限制，就能發現「兼用」的限制相當多。
為評估各種匯流排技術是否適合，開發者必須先考量匯流排的關鍵特性，例如，傳輸延遲時間、最大傳輸頻寬、軟體支援特性、最大傳輸距離、傳輸介面限制…等，進行全面性的評估檢視。其中，尤其是針對頻寬要求較高、或是對於同步要求相對嚴苛的應用時，匯流排的技術選擇更會影響到系統日後的可用性表現。
除了決定匯流排外，匯流排技術衍生的軟體支援問題，也是相當重要的考量重點。因為，對於專業工具的支援性能，會影響到日後針對硬體產生的參數擷取、分析上的難度，如果軟體支援性表現佳，這在設備日後整合成一套完整系統時，開發者可透過標準的驅動程式或是應用軟體就能輕鬆擷取所需的關鍵數據，甚至在開發人機介面或是資料訊息整合時，藉此大幅降機系統的整合困難度。
