б. Техническое обеспечение систем управления с УВМ

6.3. COMPACTPCI – СТАНДАРТ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

Шина PCI стала неотъемлемой частью любого современного персонального компьютера (ПК) и подавляющего большинства рабочих станции как локальный интерфейс подсистемы ввода/вывода для наплатных расширений активной материнской платы. Обычно современный настольный ПК имеет три-четыре разъема для подключения плат PCI.

В мире ПК шина PCI вполне способна стать одним из основных ингредиентов того лекарства, которое избавит ПК при всем уважении к любителям антиквариата от "старческого маразма" в виде MS-DOS & ISA.

6.3.1. "Полупромышленные" компьютеры

Архитектура управляющей машины на основе "классической" активной материнской платы малопригодна для промышленных управляющих систем, работающих в условиях повышенных требований к скорости восстановления термовиброударопрочности. Попробуйте быстро заменить материнскую плату с установленными платами ввода/вывода в своем настольном ПК!

Ряд компаний-производителей (IBM, GESPAC, I-Bus, Texas Microsystem, Xyrom, VMIC, Liatech.H др.), объединенных в консорциум PICMG (PCI Industrial Computer Mannufacturer's Group), предложили в 1994 г. спецификацию промышленного компьютера на основе пассивной магистрали PCI с использованием одноплатных компьютеров/контроллеров, имеющих стандартный офисный desktop-механический формат и устанавливаемых в специальное гнездо PCI & ISA (в сущности, стандартизации был подвергнут только формат одноплатного контроллера).

Подобный компьютер поддерживает работу объектного ввода/вывода как через интерфейс PCI, так и через ISA. Как правило, все компоненты вычислительного ядра (CPU, DRAM, EIDE и т. д.) имеются на плате контроллера/компьютера. Данный компьютер включает в себя пассивную магистраль для установки одновременно 4...12 плат ISA и до 4 плат PCI офисного формата в соответствии с PCI rev 2.1. Безусловно, можно специфицировать подобный компьютер и без ISA - расширений, но нельзя не учитывать большого парка готовых плат ISA, имеющих хождение на рынке.

Действительно, надежностные параметры у этих промышленных компьютеров несколько выше, чем у настольного. Хотя по сравнению с компьютерами, выполненными в наиболее популярном в промышленном мире форм-факторе (механическом конструктиве) "Евро - механика" или, скажем, в сверхжестком "SEM-E" форм-факторе, их лучше именовать "полупромышленными", не ориентированными на конечные промышленные приложения, требующие высокой надежности. Их идеальное место в системе управления — человеко-машинный интерфейс с оператором, сетевая/архивная станция и/или система ввода/вывода в некритичных к надежности приложениях. Впрочем, учитывая "сетевой" характер современных управляющих систем, когда довольно часто существует возможность вынести ММ1-компьютер из "опасной" зоны, применение вместо дешевых офисных компьютеров довольно дорогих "полупромышленных" ПК может быть весьма расточительно.

Рекомендуемые материалы

6.3.2. Промышленные ММС

Одновременно PCI становится стандартом де-факто при создании высокопроизводительных одноплатных компьютеров—контроллеров для систем с традиционными управляющими архитектурами, предназначенными для работы в условиях, требующих высокой надежности (наработка на отказ от 100 000 ч), механической компактности и большой канальности ввода/вывода. Это касается прежде всего самого популярного международного стандарта промышленных/военных ММС реального времени (VMEbus и VXI/Multibiis-11) и ряда частных стандартов, принятых фирмами. Сегодня промышленный одноплатный VME-компьютер на процессорах Power PC, Pentium, Pentium Pro, Alpha без локального PCI-интерфейса представить практически невозможно. Просто экономически чрезвычайно невыгодно его создавать без применения PCI. Как нельзя его представить и без средств гибкого локального расширения ввода/вывода — мезонинного интерфейса, PMC/IEEE 1386 на основе шины PCI.

Стандарт PCI активно внедрился в новейшие разработки на основе DSP VME-процессоров с поддержкой РМС - ввода/вывода. Серийными стали разработки ROTS и MOTS (готовые к использованию модули военного исполнения) вариантов одноплатных VME64/PCI — компьютеров с кондукционным охлаждением для военных систем. Внедрение PCI резко облегчило проектирование VME-компьютеров на основе любого универсального RISC-процессора и коммуникационных "бестселлеров" типа MPCS6x и МС68360 компании Motorola.

Компания Tundra Semiconductor Corporation, больше известная как Newbridgc Microsystems, выпустила ряд мостовых PCI-VME64 кристаллов, которые позволяют любой PCI-компьютер (на базе PowerPC. Alpha, UltraSPARC и др.) без особых проблем выполнить в стандарте VME. Шина PCI существенно улучшает характеристики систем для мощного телекоммуникационного ввода/вывода. Кристаллы QSp.in¹^¹ компании Tundra Semiconductor Corporation обеспечивают прямой выход самых популяр11ых в мире коммуникационных процессоров MC6S360. МРС86х и CISC real-time процессоров MC68040/6S060/68070 на шину PCI.

В мире мощных промышленных широковещательных шин стандарт PCI стал "своим". Он принес с собой много полезного в отношении скорости разработки, производительности, ценовой эффективности, стандартизации аппаратного и программного обеспечения, гибкости стандартных мезонинных расширении и т. д.

Существенные изменения претерпели и другие популярные архитектуры для встраиваемых промышленных приложении. Из наиболее заметных - стандарт PC-104. Производители этого класса аппаратуры выдвинули и реализовали предложение о переводе его системной шины на стандарт PCI. Являясь, по сути проекцией PC/AT архитектуры с 16-разрядной низкопроизводительной шиной ISA, стандарт PC-104 делает практически бессмысленным применение новых поколений микропроцессоров, в частности Pentium, для построения основного host- процессора в своем традиционном применении. С учетом того что семейство i3(4)86 (основное для PC-104) фактически перестает существовать, задача перевода PC-104 в PCI стала весьма актуальной. Общее давление домашнего/офисного рынка ПК (объем рынка порядка 200 млрд. долл. США в год) на сектор "промышленных" вычислителей приводит к "вымыванию" ISAbus как архитектурного класса с соответствующим окончанием SW/HW-поддержки ключевых производителей.

В современных офисных и встраиваемых Pentium/PowerPC/Alpha - компьютерах шина ISA пока еще используется как дешевый компонент поддержки низкопроизводительного ввода/вывода: FDD, COM1&2, LP, клавиатуры... Существует точка зрения, обычно декларируемая производителями встраиваемых "промышленных" ISA-компьютеров, что даже если ISA уйдет с общекомпьютерного офисного/домашнего рынка, то все равно она будет жить во встраиваемых промышленных приложениях. Трудно с этим согласиться. Теоретически можно спрыгнуть с корабля (имеется в виду общая тенденция развития РС/АТ - совместимых бытовых/офисных ПК и рабочих станций в сторону высокопроизводительных микропроцессоров и мощных операционных систем) посреди океана (общекомпьютерный офисный SW/HW-рынок) и проплавать еще некоторое время, однако при этом пора молиться за упокой. На языке бизнеса это означает: настало время думать об эффективности долгосрочных (требование промышленных и военных проектов!) инвестиций в определенный класс технологий

Многие производители "промышленных" PC/AT с только и исключительно ISA-поддержкой уже в ближайшее время объявят о той или иной версии своей причастности к архитектуре PCI. У них просто нет другого шанса выжить! При этом конечные пользователи будут, как это часто случалось, умнеть задним числом.

6.3.3. CompactPCI. Новый аппаратный стандарт

В начале 1995 г. в рамках PICMG (Международная ассоциация развития "промышленного" PCI) была сформирована рабочая группа из представителей компаний Prolog, Ziatecli. DEC, AMP, GESPAC, Force Computer, ERNI, VMIC, IBM, Texas Microsystems и др., целью которой стало изучение возможности использования PCI в качестве системной широковещательной шины, пригодной для создания широкого класса надежных промышленных/военных встраиваемых приложений.

Основные идеи разработки:

· использование недорогих стандартных PCI полупроводниковых компонентов;

· 100%-ное использование электрических и логических характеристик шины PCI 32/64 бит;

· применение стандартного промышленного евроконструктива 3U (100 х 160 MM)/6U (233 х 160 мм) как наиболее популярного в мире формата;

· поддержка не менее восьми слотов расширения на пассивной объединительной магистрали;

· обеспечение эффективного конвекционного и кондукционного охлаждения модулей в системе;

· использование ключевых мезонинных технологии гибкого ввода/вывода: IndustryPack и РМС;

· максимальная простота интеграции со стандартными промышленными шинами типа VMEbus;

· "горячая" замена модулей ввода/вывода:

· создание открытого (не частной фирмы) стандарта. поддержанного группой независимых компании-производителей совместимых компонентов.

Удовлетворение всех этих требований — весьма непростая задача. Необходимость поиска технологического и маркетингового балансов при генерации нового стандарта требует серьезных усилий, где успех не гарантируется. Несмотря на сложность, специалисты консорциума предложили удачный, если иметь в виду техническую и маркетинговую сторону дела, вариант решения. Путь, выбранный разработчиками для создания и поддержки спецификации нового стандарта, — кооперация и открытость — очень хорошо зарекомендовал себя при разработке и стандартизации популярнейшего стандарта VMEbus. В этом смысле не случайно, что многие компании — разработчики и производители CompactPCI являются и членами Международной ассоциации VITA, чей кооперационный потенциал способствовал большому успеху VMEbus (DEC, Motorola. PEP Modular Computers, VMIC, IBM, Force, AMP и др.). Почти год работы опытных специалистов независимых компаний ушел на поиск возможного решения. В конце 1995 г. была представлена Спецификация версии 1.0 нового стандарта, получившего название CompactPCI.

Спустя 2,5 года можно с уверенностью сказать, что совместные усилия фирм-разработчиков не пропади даром. CompactPCI стал общепризнанным промышленным стандартом. Достаточно сказать, что на OEM-рынок Compact PC 1-компонентов пришли даже такие крупные компании, как Motorola и SUN. Общий рост объема продаж CompactPCI-компонентов за два последних года вырос с 0 до более чем 200 млн. долл. США.

Каковы ключевые особенности стандарта CompactPCI? На чем основана логика его успеха?

1. CompactPCI полностью совместим с электрической и логической спецификацией PCI vcr. 2.1.

Характеристика шины PCI v.2.1:

· Тип шины ................................. Мультиплексируемая синхронная

· Разрядность, бит. ................................ 32 или 64

· Тип процессора ................................. Процессорно-независимый

· Число слотов .................................................. 4

· Расширение ....................... Мосты PCI-to-PCI

· Максимальная пропускная способность,

· Мбайт/с ....................................................... 132(32бита)

· или 264(64 бита)

· (33 МГц)

· Средняя пропускная способность,

· Мбайт/с ........................................................... 64

· Арбитраж ..................... Простой одноуровневый

· Логика .............. Преимущественно CMOS, 5/3.3V

2. CompactPCI использует любые широкодоступные РС1-полупроводниковые компоненты, выпускаемые в огромных количествах и потому недорогие: кристаллы графики, сетей, дисковых подсистем, мостов с собственных шин различных микропроцессоров, мостов на другие популярные интерфейсы и т. д. и т. п. Это означает, что любое ПО, работающее на desctop PCI-компь-ютерах, без какой бы то ни было модернизации будет работать и в CompactPCI-системе. или. по-другому, готовая плата PCI ввода/вывода для настольной машины может быть прямо переведена в стандарт CompactPCI без изменения схемотехники и ПО. Важнейшим фактором является и низкая стоимость серийных компонентов PCI, в большом количестве используемых на офисном рынке.

3. CompactPCI основан на общепринятой промышленной/военной технологии создания высоконадежных встраиваемых систем: пассивной объединительной магистрали.

Первый слот системный, второй—восьмой слоты — расширения. Это стандартная магистраль как для 3D, так и для 6U системы.

4. CompaclPCI использует самый популярный механический формат для промышленных ММС: Европлаты форматов 3U и 6LJ. полностью аналогичные механическому формату наиболее популярных промышленных шин VME, G64/96. STD32 и др.

Конструкция модулей CompactPCI кроме всем известных характеристик Евроконструктива обеспечивает защиту от электростатических разрядов при установке модулей в каркас, что чрезвычайно важно для обеспечения надежной эксплуатации современной КМОП - микроэлектроники. Еврокрейт в стандарте CompactPCI формата 6U (мод. СРХ2108 компании Motorola с процессором CPV5000/PentiumMMX).

5. CompactPCI гарантирует возможность организации ввода/вывода как через переднюю панель, так и через дополнительные тыльные разъемы для систем, требующих максимально быстрого ремонта/восстановления.

Три последних тезиса означают, что независимым производителям механических компонентов (каркасов, стоек, вентиляционных подсистем, источников питания. промышленных UPS и др.) практически не нужны дополнительные инвестиции в разработку новой технологии. Евромеханика доступна от широкого круга независимых производителей.

Это также говорит о том, что стандарту органически присуща возможность функционирования и условиях повышенных требований к вибро- и термостойкости благодаря проверенной годами эксплуатации конструкции и компоновке плат, легко вентилируемых и доступных для замены. И, наконец, это свидетельствует о простоте интеграции в единую систему, учитывая единую механику и наличие полупроводниковых мостов, СоmpactPCI - аппаратуры и большого спектра оборудования в иных евромеханичсских стандартах.

6. CompactPCI процессорно- и программно независим.

С использованием шины PCI сегодня строятся вычислительные устройства на базе процессоров PowerPC, Alpha, Pentium, PentiumMMX, PentiumPro, Pentium II, MPCS60, MC68360. Ultra-SPARC, MIPS, DSP... Может быть задействована любая операционная система: как общего назначения — MS-DOS, Windows 3..xx/95/NT, версии Unit.... так и реального времени — OS4, VxWorks. pSOS+, LynxOS, ONX.

7. CompactPCI обеспечивает работу по технологии Plug & Play. На его модулях отсутствуют традиционные джамперы для конфигурирования адресов, векторов и т. д., что существенно повышает их надежность и удобство эксплуатации.

8. CompaclPCI является открытой технологией. Спецификация стандарта общедоступна, курируется и распространяется независимой ассоциативной организацией производителей и пользователей PICMG. Спецификация CompactPCI распространяется свободно, за чрезвычайно умеренную плату. "Короткая" спецификация предоставляется бесплатно.

9. CompactPCI использует стандартный высококачественный. высоконадежный штырьковый системный разъем. Действительно, в CompaclPCI применен популярный в мире телекоммуникаций международно стандартизованный разъем. Впервые разработанный фирмой Siemens для собственных телекоммуникационных приложений системный разъем CompactPCI сегодня выпускается несколькими компаниями, в частности АМР, Framatom, ERNI, и стандартизован как МЭК 1076-4-101.

Задача выбора системного соединителя чрезвычайно ответственная. Он должен быть компактным, обеспечивать высокую надежность, малые величины емкостей между контактами для работы быстрой шины, промышленные требования по пыле- брызгозашите и вибростойкости, обладать повышенным иммунитетом к шумам, допускать большое число вставок/удалений модулей, быть защищенным от ошибочного включения, отличаться широкой распространяемостью и доступностью, обеспечивать возможность развития спецификации и т. д.

10. CompactPCI использует 235-пиновый пятирядный разъем (47 пин в ряду с шагом 2 мм), из них 124 пина — для PCI 32-битного, 55 пин для PCI 64-битного, остальные — для дальнейшего расширения it питания. Во многом именно качество выбранного системного разъема определило возможность создания системы с удвоенным по сравнению с desktop-вариантом, числом слотов расширения.

11. CompaclPCI предоставляет существенно большие возможности расширения, чем это предусмотрено is базовой PCI-спецификации v2.0. Действительно, последняя стандартная PCI v2.1 спецификация предусматривает максимум 4 слота расширения без использования дополнительных мостовых соединений. CompaclPCI допускает установку максимум 8 слотов расширения без применения специальных мостовых PC1-PCI кристаллов. С помощью мостовых схем PC1-PCI число слотов расширения можно увеличить. Скажем, Motorola выпускает 6U CompactPCI промышленные компьютеры с 15 слотами.

12. CompaclPCI имеет все возможности для специфицирования "горячей замены/hot swapping" для своих модулей. т. е. замены модулей в работающей системе, без ее выключения, что чрезвычайно важно для систем, обслуживающих процессы с непрерывным циклом, и телекоммуникационных систем. Пока такой возможности реально CompactPCI не обеспечивает. Это один из вопросов дальнейшей работы над стандартом.

13. CompaclPCI допускает возможность простой интеграции с традиционными системами на базе VME. G96, STD... Технологии такого объединения — предмет стандартизации в рамках CompactPCI, в первую очередь с VME-системами, имеющими гигантскую номенклатуру и наибольшее распространение на рынке встраиваемых приложений. Возможность и логика такой интеграции изначально, органично, "с детства" заложена как в саму философию PCI, так и в его евромеханическую версию CompactPCI тем более. Для того чтобы это понять, достаточно посмотреть на общую концепцию вычислителя с архитектурой PCI, в соответствии с которой выполняются все разработки на основе PCI. В самом общем виде она изображена на рис. 2.

Номенклатура CompactPCI

Несмотря на то что CompactPCI еще "молодой" стандарт, можно сказать, что доступные сегодня на рынке его модульные компоненты от большого числа компаний позволяют решать очень широкий спектр задач: от простого малогабаритного промышленного PLC до мощнейшего коммуникационного или видеосервера.

Процессорные модули

Имеющиеся на рынке host-процессоры CompactPCI форматов 3U и 6U построены на базе микропроцессоров 5S6, Pentium, Pentium MMX, PentiumPro, AMD К6ММХ. PowerPC 603/604/750, Alpha, SPARC и SHARC DSP. Появляются разработки на базе MC68360 и MPCS60X, Pentium II и AMD P7. Они интегрируют CPU, DRAM, FLASH, SVGA, последовательные и параллельные порты, контроллеры дисков, клавиатуры, сетевые интерфейсы и т. д., т. е. являются одноплатными компьютерами.

Бесплатная лекция: "Виртуальные ЛВС" также доступна.

6.3.4. Ввод/вывод CompactPCI

На заре любого стандарта первыми на рынке появляются его механические компоненты и центральные вычислители. Однако действительно ключевым фактором, влияющим на его коммерческий успех на промышленном рынке, являются возможности по обеспечению функций ввода/вывода для максимально широкого круга конечных приложений.

До осени 1996 г. можно было сказать: "Единственное, что может делать компьютер в стандарте CompactPCI, — это выполнять функции конторской, настольной машины, включенной в офисную сеть". Ситуация резко изменилась осенью 1996 г. после некоторых ключевых событий.

1. Американская компания SBS Green Spring Computers (www.sbs-grunspring.com) — мировой лидер в области разработки и производства гибких мсзонинных технологий ввода/вывода IndustryPack (ANSI/VTTA4-95, IP) — выпустила свою знаменитую плату-носитель PCI-40 (PCI-плата — носитель четырех IP-мезонинов в формате desktop-компьютера) в формате 6U CompactPCI, названную cPCI-200, и в формате 3U под именем cPCl-100. Эта работа была выполнена по заявке и в кооперации с двумя крупнейшими поддерживающими CompactPCI фирмами: Force и ProLog. К этой компании вскоре присоединилась и компания Zialtech. Выпуск IP-носителей cPCI-200/ЮО означает, что OEM-компаниям и системным интеграторам открыт доступ к огромной номенклатуре объектного ввода/вывода от большого числа базовых поставщиков IP-мезонинов, а это практически любой ввод/вывод: аналоговый, цифровой, графический, телекоммуникационный NxRS-232/422/485, промышленные (Profibus, LonWorks, CANbus...), локальные (FastEthcrnet, Arcnet и др.), глобальные (ISDN E1/T1, SS7. Х25 и др.) сети, авиационные интерфейсы типа MIL1553B/ARINC/H009, управление двигателями/приводами. реле, таймеры, ayдиoDSP, синтезаторы речи и т. д. и т. п. Достаточно сказать, что на одной плате формата 6U можно быстро скомпоновать более 20 млн. вариантов систем ввода/вывода из имеющихся на рынке модулей IP!

2. Компания Creative Electronic Systems (CES. Швейцария) и Motorola выпустили первый универсальный модуль-носитель, двух РМС - мезонинов (PCI Mezzanine Card, стандартные низкопрофильные промышленные мезонины на основе шины PCI). Для OEM и системных интеграторов открылся доступ к широкой, чрезвычайно гибко компонуемой номенклатуре РМС (1ЕЕЕ1386)-мезонинных модулей для наплатных высокопроизводительных расширений: быстрым сетям FastEthemct, AnyLan, ATM, FDDI, RMN, быстрым аналоговому и цифровому вводу/выводу, DSP+ аналоговому вводу/ выводу, графическим процессорам. авиационным сетям, SCI и телекоммуникационным интерфейсам и т. д.