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强悍的5.25寸嵌入式工控主板是怎样炼成的 |
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强悍主板是怎样炼成的
——BM945GSE主板设计原则与经营理念
关键词：工控、5.25寸、ATOM主板，超薄型设计、智能终端，低功耗 ，无风扇，免维护，多接口（CAN、COM 、PCI104、mini PCI、千兆网口、GPIO、数字音频接口、LVDS、VGA、DVI），单电压，后备电源，高清，数字接口
IT技术的发展越来越快，计算机处理速度在两年前就已经超出了用户的一般使用需求。INETL和AMD两大CPU巨头之间的竞争，满足了部分对高级科学运算要求高的用户的应用需求，如：图形处理、国防、工程运算等。但这种竞争更大意义上是为了保持各自的技术发展创新水平和整个IT技术领域的发展活力。对于大多数用户而言，这种速度和运算能力的高度提升多带来的直接好处已经不大了。那部分高出自己应用需求的性能等同于浪费，而且绝大部分消费者并不愿意为自己用不着的东西付费，因此CPU的升级换代对用户广泛的购买热情的刺激作用不再。现在用户更希望厂商能从自己的应用需求出发，开发出能高度贴合他们应用需求的产品。用户的视线已经逐渐从计算机运算速度的提升，转移到IT技术对应用的适应能力和在此基础上对成本节约和使用感受的考虑上。
用户一般的应用都集中在上网、文书处理、信息交换层面上，更小巧、易维护、低成本的产品往往能在保证了这些应用功能的同时，保证维护的简单，并能有效的避免IT投资浪费，由此可见，这类产品目前受到广泛关注就成了理所当然的事。近几年华硕EPC的成功就是一个典型的例子。
其实，这一规律早在工控领域得到了验证，从一个侧面来看，工控领域对设备的更新换代和对CPU的升级并不敏感，其原因就是在更早的时候，电脑的处理速度已经能够适应工控领域的使用。除了设备的运算处理能力外，工控用户更关心的，是设备是否具备他们关心的其他性能（如：接口、适应环境的温度、功耗、停电续航能力和体积大小等等）。
一、现有市场分析
2008年3月，INTEL推出了ATOM系列的处理器。ATOM推出之初，由于其在性能方面的表现并没有很大的进步，因此很多人认为ATOM只是千万个技术发展中不起眼的一小步，殊不知，ATOM系列真正夺人眼球的，是其在保证了性能进步的基础上实现了工控产品趋之若鹜的低功耗。Atom是基于先进的45nm Penryn微架构，在面积不足25平方毫米的芯片上，内含4700万个晶体管，而11个这样大小的芯片面积才等于一美分硬币面积。而单核1.6GHz Atom的TDP功耗仅为0.6W到2.5W，双核型号也不过8W，功耗远远低于传统处理器。
低功耗产品的出现是市场召唤的产物，同时也给IT技术带来了完全崭新的应用。低功耗产品一经推出，就引起了强烈的市场反应。主要的表现是各种基于低功耗主板的产品的出现和消费者对低功耗产品的追随。诸如瘦身PC取得的巨大成功就是一个典型例子。
从对市场上现有的电脑产品进行探究比较，我们也可以发现这种趋势。目前市场上的电脑产品主要有以下四种：
第一种：高性能的高端产品
这类产品高高地站在金字塔的顶端。主要用户群为一些科研单位、图形设计单位和对数据运算和数据交换要求很高的用户。如intel2008年第一季度发布高端双路四核心平台“Skulltrail”，包含两颗Core 2 Extreme QX9775处理器和D5400XS主板，其中Core 2 Extreme QX9775四核心处理器采用45nm工艺制造，主频3.2GHz，前端总线1600MHz，搭载12MB二级缓存，但是其功耗达到了150W。而且高端的处理中心往往要搭载高端的设备与其配合才能将其高性能充分发挥出来，因此其系统的整体发热也是非常大。如在这一代Intel V8中，四核心处理器需要150W，如果使用两颗CPU系统，光是CPU功耗就将达到了300W。保守估计，一块GeForce 8800GTX需要185W，这样运行在SLI模式下需要270W。与CPU一起计算就已经达到了670W，每一条FB-DIMM运行时功耗大约为10W，每一块硬盘大约需要10~13W，主板也需要约75W。另外，机箱、风扇、键盘、鼠标以及其它外设，总共加起来需要775W以上。另外还要算上15%的电源转换损失，包括20%的预留，整个系统的功耗将近1KW。
这类型的产品不仅功耗高，价格也非常之高，如上文提到的intel Core 2 Extreme QX9775，其零售价格达到万元级。另外这类设备的使用和维护也相对复杂，因此虽然这类高端产品的性能十分强悍，但也因为种种的限制阻碍了其广泛的应用，在一些工控领域，除非是非常高端的科学计算，这类型的产品很少被应用到。
第二种：主流产品。
这类型产品的特点是：性能能满足大多数用户的需求，产品同质化、性能和设计标准化，价格也属于大众化。这类产品目前在市场上占据的份额很大，是普通大众日常使用的电脑设备的主力。他们的功耗一般在100W—300W之间，这类型的产品因为功耗较大，无法真正做到无风扇、免维护的设计。
如Intel 奔腾D系列产品，其中Intel 奔腾D 820主频为2.5GHz，共享2MB的二级缓存，800MHz的前端总线，TDP功耗值达到90W。还有VIA的C3和C7系列CPU产品，其中C3的CPU频率为800MHz，二级缓存为64K，前端总线频率为133MHz，其性能满足工控一般需求，而其CPU功耗达20W，如果再加上芯片组，系统的功耗会超过50W。其应用领域也主要是面向教育、工控、公安、税务、证券等目前正在使用传统主机的行业。 C7的CPU频率上升到了1.5GHz，二级缓存提高到128K，前端总线频率上升到400MHz，但其CPU功耗也同步上升到25W。C7的主要应用领域为个人电子产品如家用媒体中心和PVR、高密度服务器和服务器用品。
这类产品还有INTEL的945GC系列，其可支持的CPU频率为1.6GHz,512KB二级缓存、支持533MHz前端总线，性能上有不错的表现，主要应用于一般的日常应用，其芯片组的功耗为15.2W – 22.2W（南桥： 3.5W、 北桥： 8W 、CPU： 3.5W），再加上与之相配的CPU、内存等部件，整个系统的功耗将高达50-60W。
这类型的产品是大众化的产品，无法满足用户的特种需求，在用户需求更个性化的今天，其市场比例正逐步下降。在工控应用领域，根据环境特点、用户应用特点等因素考量进行产品设计，已经是整个行业的必然要求，在工控应用中低功耗、免维护、小型化是整个行业应用的目标。
第三类：超低功耗产品
市场上也有小部分超低功耗的产品，例如INTEL ATOM的menlow平台产品（ATOM的Z系列），其总体功耗仅为3.5W，但是这款产品是需要与Paulsbo的系统控制芯片(SCH)捆绑销售的，SCH将南北桥整合在一起，因此这种方案是以牺牲部分的科学运算能力和数据运算交换能力来实现超低功耗的。
Atom Z500处理器的TDP为0.65W（主频800MHz，512KB L2缓存）、Atom Z530处理器的TDP为2W（主频1.6GHz，512KB L2缓存），但只能支持IDE接口，不能支持SATA接口，只能支持1G的DDR2内存，其网络的数据交换能力比较差，不是太适合对数据运算和数据交换量比较大的应用。而且这类产品的价格比较贵，menlow系列的五套系统按规格从低到高要价分别为45美元、45美元、65美元、95美元和160美元。
另一方面，menlow在流媒体处理方面增加了硬解压系统，大大增强了流媒体的播放能力，能很好满足用户，特别是家庭用户对高清播放的要求，可支持1080P的流媒体播放。
这类产品还有VIA的Eden ULV 500MHz，其TDP仅为1W，处理器搭配VIA CX700/M芯片组，这两个部分加起来的功耗仅为3.5W，但是其主频仅为500MHZ，128 的L2，前端总线频率为400MHZ。
第四类是低功耗、较高性能产品
这类产品是一个相对平衡的产品，即在性能、功耗和成本间取得平衡，目前已占据了很大的市场份额，主要应用于较高性能的无风扇设计的产品中，这一适应IT趋势发展的特性，使其发展前景非常广阔。其中比较典型的是INTELATOM N270产品，N270搭配945GSE+1CH7M的芯片组，功耗总共仅8W，其中南桥：1.5W 、 北桥：3.5W、CPU：2.5W这样的低功耗可以实现无风扇免维护方案设计。但低功耗并不意味着低性能， INTEL945GSE的CPU频率高达1.6GHz，L2为512KB，前端总线频率为533MHz，而且系统可支持高达4G 的DDR2系统内存；支持SATA硬盘和PCI-E接口，数据处理运算能力较强，非常适合大多数工控应用终端和绝大多数商业数据处理要求，以及商业用户家庭用户对媒体播放和数据处理方面的应用需求。解决方案的成本也比较低，是目前比较理想的解决方案，而我们也是在ATOM N270的基础上研发了BM945GSE。
总之，高端的应用依然需要高速度处理性能的产品提供技术保障，而对于绝大部分的应用来说，目前的主流产品的速度已经能够满足需求，在保证性能的基础上实现低功耗、小型化、免维护等增值功能的产品成为计算机另一个发展方向，而超低功耗产品的出现则可以看做是这个大方向上出现的小分支。
二、革命性的面世——BM945GSE
基于充分的市场观察，我们推出了基于INTELATOM 270+945GSE结构的主板——BM945GSE，BM945GSE在将ATOM N270低功耗优势发挥得淋漓尽致的同时，在接口方面和主板结构方面都有精巧细心的设计，使其更具增值价值。同时我们推出了相应的低功耗免维护、适宜于各行业使用的一系列产品，如优PC、OBUⅡ、广告媒体播放机等等，这在另一个侧面也说明了BM945GS广泛的适用能力。下面我们将BM945GSE的详细参数性能列表如下：
处理器：INTEL ATOM 270 1.6GHz/512KB/533MHz 主芯片组：INTEL 945GSE+ICH7M；系统内存：2 DDRII SO-DIMM（最大支持4GB）；硬盘：44PIN IDE×1、 CF×1 、SATA Port×4、带有硬盘供电接口；扩展接口： COM (其中1SUPPLY 5V/12V/TTL，1可定义485，422) ×6、CAN×1、USB 2.0×6、Mini PCI Express×1、PCI 104×1、PCI×1、GPIO 8 IN 6 OUT×1
显示接口： VGA ×1、DVI-I×1、LVDS×1、TV-OUT×1；音频接口： SUPPORT AC97 codec（line out、mic、SPDIF out）；以太网口： 2 个10M/100M/1000Mbps自适应
电池接口：支持锂电池管理及充放电接口；规格尺寸： 203 x 146mm；看门狗：支持程序1~255 Sec系统复位设置；高度：不超过20mm；环境温度： -10℃ ~ 75℃；工作湿度： 10% ~ 95% RH,无冷凝；电源支持：单12V供电
三、设计原则
1.围绕小巧的结构需求的尺寸设计
小机箱设计有方便机房布线、实现处理中心隐藏、
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