由于新型嵌入式设计结合了高度集成芯片、便携式平台和飞速增长的数据速率，因此行业正在采用强调冷却、可靠性和性能的更小形状系数。

要 点

最新基于交换结构的模块式电脑把处理器、海量存储器、外设接口全都装入一个尺寸更小的可更换模块中。

标准机构不断更新扩充板规格，以便向嵌入式系统设计者提供现成的预制产品源。

大部分小形状系数板级规格均已选择 PCIe串行通信，以便与基于 PCI 的软件保持软件兼容性。

新模块标准努力提高计算和通信性能，并保持与原有硬件的电气和机械兼容性。

在减小工业、医疗、消费应用及其它空间关键应用的尺寸方面，压力持续不断，引发了形状系数极小的嵌入式计算平台的新潮流。由于采用开放标准和专有设计，这些新平台为系统设计者提供了日益增多的现成计算和外设模块，以便简化尺寸受限的应用。尽管它们尺寸紧凑，但这些微型系统组件充分利用新计算元件、串行通信和智能散热技术，以交付强大的处理能力和I/O性能。

因为嵌入式器件和系统的体系结构和设计的根本变化，更小形状系数成为可能。最新的芯片技术能把多颗处理器、图形元件和网络接口集成到单片器件上，因此节约了非常多的板空间。高速数据速率也推动设计者从并行多点总线结构转向串行交换结构技术，额外的好处是占用面积更小。产品开发者也找到了供电、冷却和封装的新技术，它们将总体系统尺寸减至最小。

伴随着新的缩小尺寸的要求，嵌入式系统设计者正在转向预制的现成模块，它们集成了最新的 CPU 技术与标准外设。这些标准化的电脑模块使设计者能用节省的大量 NRE（非重复性工程）成本换取稍高的重复性成本。与传统的单板设计相比，可更换的处理器模块有几项技术优势和经济优势。例如，设计者可以为嵌入系统提供更先进的处理器模块，以利用先进的特性，如联网、图形显示、复杂软件和实时操作系统。在设计预算有限的情况下，则难以或无法实现这些特性。

当增加数据带宽时，交换结构技术通过减少板对板通信所需的引脚数目以及板面积，也为系统尺寸提供了重要帮助。交换结构体系结构，例如以太网、 PCIe、Rapid I/O、InfiniBand，都是最新的板标准，它们消除了许多与并行总线方案有关的问题。每条连接都是一条直接的点对点数据路径，从而得到比总线体系结构更好的电气特性和更大的带宽。数据路径也可以动态改变，以支持多路数据并发传输，并且使数据绕过故障。由于 PCIe 与驱动程序和操作系统软件兼容， 因此它是较受欢迎的交换结构技术之一。基本的 PCIe 链路包括两条信号路径，它们使用较小的差分电压摆幅以及恒流线路驱动器，以便在各个方向上实现速度高达 4 Gbps 的通信。设计者只需简单地增加信号对（称为“道”），就可以增加每条 PCIe 链路的带宽，直到达到所需性能水平。PCIe 规格支持1道、2道、4道、8道、16道和 32道宽度。

快道

几乎所有主要的板标准均已包括 PCIe 及其它交换结构扩展标准，以便提升数据速率，用于高性能应用。

例如，PICMG 效法台式机技术，把PCIe并入CompactPCIe规格。CompactPCIe 提供可伸缩的高带宽数据路径、分组数据协议，并且与 PCI 硬件和驱动软件兼容。CompactPCIe 的最新代表之一来自General Micro Systems公司，具有小形状系数。该公司的传导冷却型 3U CC40x 单板电脑的典型工作功耗为3.5W（图1）。General Micro Systems 公司把英特尔公司的 Atom 处理器作为该模块的基础，处理器运行速度高达 1.6GHz，带有 512 kB L2 缓存。该电路板提供多达1 GB SDRAM、 16 GB 可引导闪存、6 个 USB-2.0 端口、2 个串口、2 个用于定制 I/O 的 SDIO 端口。此外，CC40x 为用户提供带有 3D 加速的高性能图形特性，并支持频率为85 Hz 的 1280像素 × 1024像素视频分辨率。传导冷却型的起价为 3110 美元。

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继续小形状系数话题，MEN Micro 公司最近推出了 XM1 电脑模块，其设计旨在遵守 ANSI-VITA 59 RSE 夹层标准（图2）。该模块为降低功耗和缩小形状系数，把英特尔 Atom 处理器与 1GB 的焊接 DDR2 SDRAM 相连接。RSE把夹层模块上的电脑与先进冷却技术、最新串行总线和加固组件结合起来，以便确保在铁路、航空电子、工业自动化、医学工程和移动应用的恶劣环境中可靠工作。基于英特尔技术的 XM1 提供的屏蔽温度范围是-40℃~ +85℃。 MEN Micro 公司在两个 120 引脚连接器上分配电信号，并只为现代串行总线定义信号，从而消除与旧设备的兼容性。对于 PCIe，设计者能把 4 个单道端口和 1 个端口配置为16道、8道、2×4道，或 2道。其它端口包括 3个GbE、8个USB 和数个多用途信号。XM1的起价为567美元。

PC/104是上世纪80年代末构思的，目的是在嵌入式系统中使用台式机体系结构，是最早也是最流行的小形状系数开放标准之一。PC/104 电脑板的连接器排列旨在不借助卡笼或背板来堆叠电路板，它也可以作为嵌入基板的夹层处理器。PC/104 的开发者根据 PC 以及 16 位 ISA 总线的接口引脚数来给它命名。虽然 ISA 总线已不在台式机中使用，但对于嵌入系统它仍然有优势。外设卡简单、成本低、易于设计，这些都是嵌入产品的基本要求。而 ISA 总线较低的速度也简化了噪声与 EMI（电磁干扰）防护方案。但它依然受欢迎的主要原因还是市场上有大量的现成产品，可供设计者自由选择。PC/104-Plus 规格于 1997 年出现，它使单板设计人员能选择仅包含 ISA 总线、同时包含 PCI 和 ISA 总线，或仅包含 PCI 总线。PC/104-Plus 需要新的连接器容纳 PCI 总线引脚。板空间的损失是 PCI 升级版的少数劣势之一。

冲突的标准

进一步扩展 PC/104 规格以充分利用高速数据传输的努力在行业内遭遇了不同意见。2008 年 3 月，PC/104 嵌入式联盟采用了新的 PCI/104-Express 规格，它把 PCI 和 PCIe 总线相结合。PCIe/104 版本完全取消了 PCI 总线，以增加模块空间。该标准的开发者为这个应用设计了新的高速表面贴装连接器。该连接器可应对嵌入式系统市场的加固环境，与PC/104体系结构的0.6英寸堆叠高度匹配，并在很大的堆叠高度上传送高速 PCIe 信号。可以在联盟的网站免费下载 PCI/104-Express 规格。

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SFF-SIG (小形状系数特别兴趣小组) 提供不同方法把 PCIe 并入 PC/104 体系结构，宣布了 Express104 规格的详细信息，它定义了新的小型可堆叠模块。Express104指定90mm × 96 mm板，带有 2 个 52 引脚高速 SUMIT（可堆叠统一模块互联技术）连接器，它们能支持 PCIe 和 USB 以及用于 I/O扩充的其它常用中速接口。信号完整性测试结果证明：堆叠的 Express104 模块支持 5 GTbps 的数据速率，这是第 2 代 PCIe 所需的。设计者可构造只带有 SUMIT 连接器的 Express104 模块，但是其开发者已定义了一种特殊配置，以便支持借助传统 PC / 104 模块进行的扩充。

Micro/sys Embedded Systems 公司提供了第三种扩展 PC/104 的方法，创建了一种可堆叠体系结构，这是公司基于 PC/104 形状系数创建的。这种新的体系结构不包含 PCIe，但它使用了一种现代通信协议——USB，并且保持了 PC/104 的尺寸和堆叠优点。StackableUSB 支持多达 16 块外设电路板，充分利用 USB 即插即用特性，并且通过内置的堆叠嵌入式连接器取消了电缆。为了进一步减小尺寸，StackableUSB 组织最近宣布了两个新的更小模块概念，分别是标准 PC/104 板尺寸的二分之一和四分之一。

微型机箱

PICMG 的成员从零开始，设计了 AdvancedMC，这是一种较新的小形状系数标准，基于交换结构体系结构。AdvancedMC 模块包括单宽、双宽、半高以及全高形状系数。基本的单宽模块约为 74 mm×183 mm。基本规格定义了一个交换结构接口，它有多达 21 个端口或 42 个差分对，从而提供模块间或至基板的全双工点对点连接。AdvancedMC 的每端口速度为 12.5 Gbps，可以处理多道现代协议，如以太网、PCIe、Rapid I/O 和 InfiniBand。鉴于 AdvancedMC 的高性能、可热插拔、交换结构和管理特性，设计者建议将这些模块直接插入背板中，即可获得小尺寸的独立系统。同样，近来采用的 MicroTCA 规范，向独立机箱提供了一种直接接受 AdvancedMC 卡的背板。较小的形状系数使这个概念可用于电信及各种嵌入式项目中的低预算应用。

COM（模块计算机）Express 是另外一个针对小形状系数设计的开放 PICMG 工业标准。COM Express 包含 PCIe 以替换 PCI 总线、PCIe Graphics 以替换 AGP、Serial ATA 以替换 Parallel ATA。COM Express 与处理器体系结构无关，只定义工业标准系统 I/O 接口。为了支持 COM Express，Congatec 最近推出了低功率 conga-CA模块，它基于英特尔的 Atom处理器和系统控制器中心（图3）。conga-CA配备1.1GHz或1.6GHz 处理器、512kB L2缓存，以及多达1GB 板载DDR2内存。该模块的典型功率要求低于 5W。conga-CA 支持多达 2 条 PCIe 道、8 个 USB 2.0 端口、2 个 Serial ATA 端口、1 个 IDE 接口、英特尔高清晰度音频。此外，模块特性还包括 2 个 SDIO 扩充插座、1 条多主 I2C 总线、GbE。

新一轮的标准和更新在攻克小形状系数系统的数据传输和冷却问题，因此嵌入系统设计者能购买到紧凑产品或移动产品开发工作的许多最复杂部分。一些现成的高性能处理器模块具备内置的图形和网络接口，给设计团队留下了专用技术和封装。由于设计进度表缩短，并且早期便能利用兼容的软件开发平台，因此标准化的小形状系数模块可能正是您下一项开发任务的入场券。