在設(shè)計(jì)嵌入式計(jì)算機(jī)時，對設(shè)計(jì)工程師而言，體系架構(gòu)可能只是個小問題。只要有具備一定性能的處理器、輸入/輸出（I/O）、擴(kuò)展和其他關(guān)鍵端口，就可以滿足應(yīng)用程序的要求。尺寸、重量、功耗（SwaP）和可靠性是關(guān)鍵問題，主板尺寸和外形也很重要。

理想尺寸的主板可為系統(tǒng)提供更優(yōu)化的SwaP。主板尺寸越小，重量越小，功耗會更少，但性能也會受限。如果系統(tǒng)空間有限，需在主板尺寸和性能間作出權(quán)衡。ATX，EATX，Mini-ITX和MicroATX的嵌入式主板提供多種外形尺寸選擇。

Mini-ITX的主板尺寸最緊湊，并配有至多1個擴(kuò)展槽，可選英特爾的凌動系列或酷睿系列低功率處理器，通常有一個較小的中央處理器插座和較低的引腳數(shù)，由于桌面處理器對插座、引腳和熱功率有更高要求，因此不適用這種情況。

MicroATX的主板最多有四個擴(kuò)展槽，主要用于臺式機(jī)處理器等功耗主機(jī)。

ATX性能與美科公司產(chǎn)品非常類似，擴(kuò)展能力增加至7個插槽。

EATX最大的規(guī)格與插槽數(shù)相同，但目前只允許安裝雙處理器。雙處理器的配置使處理能力大大增強(qiáng)，可擴(kuò)展其他功能，如內(nèi)存容量與總線和接口標(biāo)準(zhǔn)（PCIe）通道數(shù)。

圖1 基于總線和接口標(biāo)準(zhǔn)的不同主板尺寸圖（按外形尺寸）

在輸入/輸出方面，不同尺寸主板之間的端口計(jì)數(shù)并無太大差異，通常有幾個顯示端口、通用串口總線（USB）、局域網(wǎng)（LAN）和串行通信端口（COM），可支持標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和與網(wǎng)絡(luò)通信。如果主板主要是嵌入式應(yīng)用，則帶有線性功率控制單元（LPC）、內(nèi)部整合電路（I2C）和數(shù)字輸入輸出（DIO）等輸入/輸出端口，可用于特定應(yīng)用的設(shè)備通信。同時，存儲器尺寸隨著增加SATA端口數(shù)量而變化。Mini-ITX主板將有2~4個端口，EATX主板上可多達(dá)10個。

圖2：如使用Mini-ITX主板的小型無風(fēng)扇系統(tǒng)通?？蓾M足軍事/航空應(yīng)用的環(huán)境和沖擊/振動要求

除了主板類型，軍事/航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要考慮因素是處理器，它們通常以最低功耗為其應(yīng)用提供最大性能。英特爾的酷睿i系列處理器、至強(qiáng)系列和凌動系列提供了一個獨(dú)特的平臺基礎(chǔ)。

英特爾酷睿i系列是“賽車引擎”，具有非常高的性能，通常為2到4個內(nèi)核，最多16個總線和接口標(biāo)準(zhǔn)通道，為功能不太復(fù)雜的系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的吞吐量，且不需要大量板載內(nèi)存。英特爾的Skylake處理器處理速度非?？欤ǔ＿_(dá)到3-4千兆赫茲范圍內(nèi)，對許多軍事/航空航天領(lǐng)域信號處理應(yīng)用、仿真系統(tǒng)等非常有益。

至強(qiáng)處理器類似于“18輪半發(fā)動機(jī)”，速度不一定非?？?，但其可帶動非常大的負(fù)載。處理器核的數(shù)量可以很多，一些非常高端的應(yīng)用程序可達(dá)到20個。它通常有32個總線和接口標(biāo)準(zhǔn)（PCIe）通道，有時可達(dá)40多個，極大地提高了靈活性。該設(shè)計(jì)為主板制造商提供了多項(xiàng)選擇。軍事/航空航天設(shè)計(jì)人員在許多應(yīng)用中，如C4ISR系統(tǒng)或態(tài)勢感知、服務(wù)器類型中都使用至強(qiáng)處理器。

另外一種是低功耗處理器，如凌動系列處理器。這款處理器類似于“緊湊型電動汽車發(fā)動機(jī)”，專門低功耗而設(shè)計(jì)，但通用性較低，僅適用于只有1-4個總線和接口標(biāo)準(zhǔn)（PCIe）通道、復(fù)雜度低的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常擁有1-2個內(nèi)核，非常節(jié)能。主板設(shè)計(jì)人員也對小尺寸的凌動處理器非常鐘愛，得益于凌動處理器的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了對芯片組的需求，因而可以占用更少的電路板空間。英特爾的凌動系列適用于無風(fēng)扇或傳導(dǎo)冷卻的軍事/航空航天應(yīng)用，在平均故障間隔時間（MTBF）、簡單性、低功耗等方面具有顯著優(yōu)勢。

圖3  19英寸機(jī)架式計(jì)算機(jī)可以與ATX或EATX主板以及豐富的程序存貯單元、氣流配置以及輸入/輸出和擴(kuò)展選項(xiàng)高度通用

對于許多軍事/航空航天應(yīng)用而言，系統(tǒng)無風(fēng)扇設(shè)計(jì)非常重要，可顯著減少氣流通風(fēng)，或者沙子、灰塵或其他污染物的影響。對于低功耗的多個尺寸主板而言，設(shè)計(jì)人員可采用大量的無風(fēng)扇機(jī)箱配置設(shè)計(jì)，以優(yōu)化SWaP，確保系統(tǒng)壽命。設(shè)計(jì)人員還可作出修改滿足應(yīng)用需求。例如，天線或無線網(wǎng)卡等通?？蛇B接到這些SFF計(jì)算機(jī)中。參見圖2這種系統(tǒng)的示例。

許多軍事/航空航天應(yīng)用程序需要一些擴(kuò)展選項(xiàng)。對于小型系統(tǒng)而言可以實(shí)現(xiàn)，但通常情況下也是有限度的。例如，一個小型Mini ITX主板是170毫米X170毫米，僅有一個總線和接口標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展槽的空間，但可添加一個或兩個微小總線和接口標(biāo)準(zhǔn)插槽。主板系統(tǒng)可以提供幾個插槽，用于添加圖形處理、數(shù)據(jù)采集、外部擴(kuò)展/輸入輸出、網(wǎng)絡(luò)和其他所有類型的卡，還有利于為串行通信端口（COM）、局域網(wǎng)（LAN）、串行、視頻圖形陣列/綜合式數(shù)字顯示接口等提供各種標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出選項(xiàng)。

機(jī)架式設(shè)計(jì)為密集型系統(tǒng)應(yīng)用提供了大量的擴(kuò)展能力和豐富的輸入/輸出選項(xiàng)。圖3機(jī)架式計(jì)算機(jī)內(nèi)部的ATX主板具有前風(fēng)扇、7個后插槽、單個700瓦程序存貯單元和雙重?zé)岵灏物L(fēng)扇的典型配置。為增加應(yīng)用的多功能性，設(shè)計(jì)人員可提供各種以太網(wǎng)，視頻圖形陣列（VGA）、交互式數(shù)字視頻系統(tǒng)（DVI）、高清晰度多媒體接口、通用串行總線（USB）、串行和其他端口。

多功能系統(tǒng)是在小型系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)架式安裝的很好例子。這些系統(tǒng)通常能提供功能擴(kuò)展，但在更緊湊的壁掛式系統(tǒng)中，圖4展示了總線和接口標(biāo)準(zhǔn)/周邊元件擴(kuò)展接口插槽，32GB DDR4內(nèi)存，可選光驅(qū)，多個圖形，輸入/輸出和通信端口選項(xiàng)多功能系統(tǒng)示例。

圖4：當(dāng)需要更多擴(kuò)展時，多功能系統(tǒng)提供安裝選項(xiàng)和功能的多功能性 

出于對非常小型外形因素的考慮，單板機(jī)（SBC）可用于許多軍事/航空航天系統(tǒng)中。值得注意的是，這里所說的是小型主板，而不是插入基于背板系統(tǒng)的單板機(jī)。單板機(jī)在一個板中增加了多個板功能的優(yōu)點(diǎn)。通常情況下，卓越的處理能力可與圖形處理、多個輸入輸出選項(xiàng)、圖形和存儲端口，以及卓越的DDR3或DDR4存儲器相結(jié)合。至強(qiáng)、凌動或酷睿i處理器（以及各種芯片組）可實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。對于非常小且相對簡單的解決方案，凌動處理器可以在3.5英寸單板機(jī)上使用，提供用于具有顯示端口和各種輸入/輸出接口的基本計(jì)算功能的獨(dú)立、緊湊、低功率系統(tǒng)。

由于其體積小，單板機(jī)電路板通常使用功耗更低的處理器，因此適用于無風(fēng)扇和傳導(dǎo)冷卻系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員可在單板機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī)模塊（COM Express）周圍設(shè)計(jì)非常小的外形尺寸，無需增加太多空間。圖5展示了具有圍繞其纏繞外殼的3.5英寸單板機(jī)的示例。單板機(jī)為146毫米×102毫米，由于為風(fēng)扇等增加了一些空間，機(jī)殼尺寸為166毫米×157毫米。值得注意的是，標(biāo)簽安裝會稍微增加尺寸。因此，使用機(jī)箱的“精確尺寸”可以優(yōu)化尺寸和重量。

圖5：使用2.5-4英寸單板機(jī)主板的緊湊尺寸，與電路板的輸入/輸出配置相連的“精確尺寸”機(jī)箱可以優(yōu)化尺寸、重量和功率

COM Express是一個模塊和載板對，允許應(yīng)用程序規(guī)定主板的尺寸和形狀。該模塊處理所有與處理相關(guān)的功能，而載板處理輸入輸出和擴(kuò)展。用“汽車發(fā)動機(jī)”舉例，嵌入式計(jì)算機(jī)模塊包含發(fā)動機(jī)、變速器和動力傳動系統(tǒng)，而載板是車輛的底盤?；旧?，模塊用于處理處理器、存儲器，以標(biāo)準(zhǔn)連接器的形式提供與載板的接口。通過這種雙板方法，軍事/航空航天設(shè)計(jì)人員能夠更加靈活地將嵌入式計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用。載板可輕松地根據(jù)各種輸入/輸出和擴(kuò)展要求進(jìn)行定制，同時與模塊板保持一致。隨著時間的推移，模塊的性能可以升級，并將繼續(xù)與載板連接。通過載波和模塊之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，各種嵌入式計(jì)算機(jī)和制造設(shè)施都可以隨著時間的推移使用。該方案還可以使載板的設(shè)計(jì)保密。

嵌入式計(jì)算機(jī)模塊非常通用，具有包括基本、擴(kuò)展、迷你和緊湊幾個標(biāo)準(zhǔn)尺寸的接口。由于基本和擴(kuò)展版本尺寸更大，他們通常會有更強(qiáng)大的英特爾酷睿i處理器。為提供更多的多功能性，嵌入式計(jì)算機(jī)模塊設(shè)計(jì)人員可以利用不同代處理器的最佳性價比，如緊湊和迷你型模塊通常使用基于系統(tǒng)集成芯片的酷睿i或凌動處理器。當(dāng)然，嵌入式計(jì)算機(jī)模塊能力的關(guān)鍵因素是不同的類型。第6版的嵌入式計(jì)算機(jī)模塊可提供多達(dá)24個總線和接口標(biāo)準(zhǔn)通道，這是目前最常見的通道。每種類型的嵌入式計(jì)算機(jī)模塊定義可以使用的總線和接口標(biāo)準(zhǔn)通道數(shù)量為可用輸入/輸出端口的數(shù)量。

通常情況下，商用或工業(yè)級機(jī)架式機(jī)箱適用于國防計(jì)算，但有時需要更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。為使商用工業(yè)機(jī)架式機(jī)箱更加堅(jiān)固，設(shè)計(jì)人員可進(jìn)行部分修改。設(shè)計(jì)人員需要選擇適當(dāng)?shù)慕M件操作/存儲溫度，并承受環(huán)境影響。此外，保形涂層可用于保護(hù)系統(tǒng)中的組件。通過從冷軋鋼到鋁材料和厚加固點(diǎn)，可以加強(qiáng)和減輕機(jī)箱。設(shè)計(jì)人員用于將模塊固定到槽和其他緊固件/阻尼器中的壓緊桿，可以用于滿足更高水平的沖擊和振動。系統(tǒng)冗余是高可靠性系統(tǒng)的另一個關(guān)注點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)具有電壓/健康監(jiān)測選項(xiàng)的電力冗余。

具有各種底盤深度選項(xiàng)可以幫助用戶優(yōu)化機(jī)箱的尺寸和重量。例如，利用特殊的安裝規(guī)定和通用的設(shè)計(jì)方法，這種計(jì)算平臺可以通過布線或定制對雙冗余程序存貯單元和后部的驅(qū)動器托架進(jìn)行較大更改。

除了設(shè)計(jì)，為國防和政府應(yīng)用程序提供計(jì)算平臺的另一個關(guān)鍵因素是壽命周期長。這主要受到消費(fèi)者對嵌入式主板選擇的影響。在保障問題上，消費(fèi)者關(guān)注的是其數(shù)年或數(shù)十年的可用性。用戶不得不選擇一個新的板意味著硬件昂貴的重新鑒定以及所損耗的時間。更不用說，這對于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序是完全不可接受的。嵌入式主板具有更長的生命周期支持。修訂控制也是一個考慮因素，因?yàn)橄M(fèi)者主板將基于可用的和在制造時最具成本效益地改變組件。嵌入式主板可以根據(jù)項(xiàng)目的壽命鎖定物料清單（BOM）和庫存部件。提供擴(kuò)展的中央處理器（CPU）和其他組件生命周期支持對于防御要求很重要。