COM/104 – новые возможности в известном форм-факторе

Введение

В настоящее время системы, основанные на таких шинах расширения, как ISA или PCI, используемых в модулях форм-факторов PC/104, PC/104-Plus и PCI-104, теряют свои конкурентные преимущества для значительной части современных технических систем по сравнению с другими высокопроизводительными решениями. Бо­лее того, бо́льшая часть выпускаемых чипсетов и чипов-компаньонов для современных процессорных платформ уже не предоставляет поддержку шин ISA и PCI.

Но тем не менее форм-фактор PC/104 [1] до сих пор остаётся привлекательным для построения широкого пе­речня оборудования, такого как бортовые системы, ро­ботехника, беспилотные уст­ройства и системы промышленной автоматизации, другими словами, для применений, где важно со­от­ношение размер/произ­во­ди­тель­ность. Таким об­разом, адаптация спецификации PC/104 к требовани­ям сегодняшнего дня путём добавления таких высокопроизводительных шин рас­ширения и интерфейсов, как PCI Express, SATA, USB и других, представляется весьма обоснованной. Но­вые возможности форм-фактора PC/104 описаны в [2].

Ввиду малого размера и постоянного роста функциональных возможностей современных процессорных модулей и модулей расширения в форм-факторе PC/104 разработчики сталкиваются с проблемой размещения электронных компонентов, а также стандартных разъёмов ввода/вывода на печатной плате, что приводит к использованию разъёмов без фиксации типа «штыри на плате», не обеспечивающих необходимой прочности соединения без ис­пользования дополнительных приспособлений.

Также важно отметить, что бо'льшая часть модулей в формате PC/104 предназначена для использования в жёст­ких условиях эксплуатации и, соответственно, требует установки модулей внутри корпуса для защиты от внешних механических, электромагнитных и климатических воздействий [3]. Вследствие этого производители встра­иваемых систем вынуждены выполнять подключение ос­новных выходных ин­терфейсов к стандартным разъёмам на лицевой панели корпуса с помощью плоских кабелей.

Основные преимущества и применение нового стандарта COM/104

Одним из возможных решений для предотвращения данной потенциально небезопасной и неудобной в использовании практики является вывод основных интерфейсов на стековые разъёмы. Отсутствие кабельной разводки внутри корпуса улучшает теплоотвод, повышает устойчивость к по­­мехам и износостойкость изделия в целом, а также уменьшает электромагнитное излучение, что при­водит к увеличению эффективности и надёжности всей системы. Интерфейсы, собранные в стековых разъёмах, могут быть вынесены на лицевую панель корпуса с помощью недорогого и простого терминального модуля с набором необходимых стандартных интерфейс­ных разъёмов. Предлагаемые решения реализованы в новом стандарте COM/104 [4].

Так же как и другие модули, выполненные в форм-фак­торе PC/104, сис­­тема COM/104 не требует использования дорогой объединительной пла­ты – она в некотором роде самодостаточна, необходимо только подключить источник питания и подсоединить к стеку периферийные устройства. На рис. 1 приведён пример системы COM/104, установленной в индивидуальный корпус.

COM/104 определяет новый стандарт модульной архитектуры «этажерочного» типа, основанной на таких высокоскоростных последовательных межсоединениях, как PCI Express x1/x4/x8/x16, SATA, USB 2.0, USB 3.0, Gigabit Ethernet и Display Port, а также LPC, SPI, SMBus и других интерфейсах, используемых для низкоскоростных соединений. Дополнительно COM/104 предоставляет поддержку Legacy PCI-шины 32 бит/ 33 МГц для обеспечения совместимости с модулями PCI-104, PC/104-Plus, PCI/104-Express [5, 6], что делает её не только высокопроизводительным, но также гибким и универсальным решением для по­строения современных компьютерных систем и систем сбора данных.

Определены пять основных конфигураций модулей COM/104. Все конфигурации механически и электрически совместимы между собой, но отличаются набором поддерживаемых ин­терфейсов: COM/104, COM/104-PCI, COM/104-FPE, HSI/104, HSI/104-FPE. На рис. 2 представлен общий вид компоновки различных модулей COM/104.

Спецификация COM/104 предусматривает использование следующих ти­пов стековых разъёмов: COM-104, PCI-104, HSI и FPE.

Разъём COM-104 идентичен разъёму PCI/104-Express Connector, заявленному в спецификации “PCI/104-Ex­press™ & PCIe/104™ Specification” (вер­сия 2.01 от 21 марта 2011 года), предложенной консорциумом PC/104 (www.pc104.org). Данный разъём был разработан специально для консорциума PC/104 таким образом, чтобы соответствовать требованиям по высоте стека стандарта PC/104 (0,600 дюйма, или 15,24 мм). Также были проведены испытания на соответствие требованиям стандарта PC/104 по надёжности и целостности линий PCI Express.

Для периферийных модулей расположение стековых разъёмов COM-104, PCI-104, HSI и FPE определено как с верхней стороны модуля, так и с нижней, в то время как стековые разъёмы в процессорном модуле для классического варианта организации стека могут располагаться только с верхней стороны.

На рис. 3 показаны разъёмы серий QMS/QFS (компания Samtec) для высокоскоростных соединений, ис­поль­зуемые в качестве стековых разъёмов COM-104.

В качестве разъёмов HSI и FPE для организации стека COM/104 с поддерж­кой современных последовательных интерфейсов подходят разъёмы серий SEAF/SEAM (компания Samtec) из линии высокоскоростных разъёмов высокой плотности; в настоящее время анализируется возможность их использования, у производителя запрошены результаты соответствующих сертификационных испытаний работы шин PCI Express и SATA в стеке. Эти разъёмы могут применяться в стеке с высотой 15,24 мм. На рис. 4 показаны разъёмы SEAF/SEAM, используемые в ка­честве разъёмов HSI и FPE спецификации COM/104.

Разъём PCI-104 электрически и механически идентичен разъёму PCI Connector, определённому в спецификации “PC/104-Plus Specification” (версия 2.3 от 13 октября 2008 года), разработанной консорциумом PC/104.

Основные отличия конфигурации COM/104-PCI от PC/104-Plus и PCI/104-Express

Основное отличие конфигурации COM/104-PCI от PC/104-Plus состоит в том, что в COM/104-PCI разъём PC-104, обеспечивающий поддержку устаревшей шины ISA 16 бит, заменён на вы­сокотехнологичный разъём высокой плотности, содержащий следующий набор интерфейсов:

• четыре линка PCIe x1 (или один линк PCIe x4) для высо­ко­скоростного об­мена с различными картами расширения (комму­ника­ции, хранение дан­ных, ввод/вывод видеоинформации и другие, а также поддержка двух карт типа Express Card);

• шесть портов USB 2.0 для высокоскоростного последо­ватель­ного об­мена или для обмена с устройствами типа Mass Storage Device;

• два порта SATA для поддержки со­временных систем хранения данных;

• два порта Gigabit Ethernet, используемых в стандартных коммуникаци­онных устройствах с большой про­­пускной способностью;

• шина LPC для низкоскоростного последовательного и параллельного обмена, а также для другого оборудования ввода/вывода;

• интерфейс SPI с тремя линиями Sla­ve Select для построения систем ана­логового и цифрового сбора данных, подключения энергонезависимой па­мяти;

• интерфейс SMBus для подключения различных I2C-совместимых датчиков и чтения сервисной информации периферийных модулей;

• два порта Fieldbus (FBUS), CAN 2.0 или RS-485 (с поддержкой автоматического контроля направления передачи для коммуникаций по RS-485);

• цепь питания от батареи 3 В.

Дополнительным плюсом является тот факт, что новый разъём занимает меньше места на печатной плате, чем стандартный разъём PC-104, что позволяет разместить больше компонентов и, соответственно, добавить больше функциональности модулям COM/104.

Перечисленные замены и нововведения, предоставляющие доступ к новым высокотехнологичным интерфейсам для построения современных встраиваемых систем и улучшающие конкурентные преимущества по срав­нению с модулями, выполненными в других форм-факторах, могут продлить жизненный цикл форм-фактора PC/104.

В модулях COM/104 и COM/104-PCI в отличие от модулей PCI/104-Express Type 1 вместо одного линка PCI Express x16 представлен следующий набор интерфейсов: 2 порта SATA, 6 портов USB 2.0, 2 порта Gigabit Ethernet, шина LPC, интерфейс SPI (3 линии Slave Se­lect) и 2 интерфейса типа Fieldbus (2 пор­та CAN 2.0 или RS-485). В большинстве применений данная замена сказывается только на поддержке муль­­тимедийных карт с интерфейсом PCI Express x16. Для предот­вращения по­вре­ждений из-за вклю­чения в стек неправильного со­­че­тания модулей разно­го типа пре­дусмотрен спе­ци­аль­ный ме­ханизм Type De­­­tec­ti­on, обес­печивающий от­ключение питания в слу­чае не­пра­виль­ной комбинации разных ти­пов модулей.

Использо­ва­ние конфигурации HSI/104 позволяет ещё больше увеличить доступное для размещения компонентов место на печатной плате по сравнению с конфигурацией COM/104 и дополнительно даёт 4 порта USB 3.0. Дополнительный разъём FPE обеспечивает поддержку карт расширения с шиной PCI Express x16 (или два интерфейса SDVO), а также подключение мультимедийных карт с интерфейсом Display Port.

В табл. 1 приведены основные отличия в наборе поддерживаемых интерфейсов для различных модулей семейства PC/104. 

В таблице использованы цветовые выделения, призванные по­казать следующее:

• шина ISA в других форм-факторах уже не поддерживается (розовый цвет);

• шина PCI используется лишь для обеспечения совместимости со старыми устройствами (голубой цвет);

• форм-факторы линейки COM/104 обладают новыми или расширенными возможностями (зелёный цвет).

Совместимость решений на базе COM/104 с линейкой модулей PC/104

Модули COM/104 обеспечивают и подключение типа «мост», и обратную механическую совместимость с модулями PCI/104, PC/104-Plus и PC/104 для поддержки существующих на рынке модулей и решений. Ис­поль­зо­вание модулей COM/104 вместе со специальными адаптерами позволяет со­хранить со­в­мес­ти­мость со всеми модулями из линейки PC/104 и в то же вре­мя даёт доступ к новым высокоскоростным интерфейсам, не­обходимым для по­строения ре­шений с большой пропускной способностью и современных компьютерных платформ. На рис. 5 приведён пример системы COM/104 с «мос­том» PC/104.

Спецификация COM/104 определяет расположение разъёмов COM-104, PCI-104, HSI и FPE только на верхней стороне процессорной платы и на обеих сторонах плат расширения. Это позволяет сделать процессорную плату более функциональной и более эффективной. Таким образом, периферийные модули COM/104 могут быть установлены только с верхней стороны процессорного модуля. Про­цессорный модуль может находиться как на верхней, так и на нижней части стека в зависимости от ориентации всего стека. На рис. 6 приведены примеры построения стека для процессорных модулей COM/104-FPE и COM/104-PCI.

В то же время спецификация COM/104 не ограничивает разработчиков в том, как они будут использовать нижнюю сторону процессорной платы. Например, на нижней стороне может быть размещён дополнительный разъём PCIe-104 для обеспечения полной совместимости процессорных модулей со спецификациями PCIe/104 или PCI/104-Express.

Модули расширения PCIe/104 и PCI/104-Express полностью совместимы с COM/104 и COM/ 104-PCI соответст­венно при условии не­исполь­зо­вания ши­ны PCIe x16. Если же поддержка PCIe x16 необходима, то есть два метода обеспечения совместимости с периферийными модулями PCIe/104 и PCI/104-Express в системах COM/104.

Первый метод основан на использовании мостовых модулей COM/104-FPE to PCIe/ 104 или COM/104-FPE to PCI/104-Express. В этом случае периферийные модули PCIe/104 и PCI/ 104-Express могут быть установлены с верхней стороны моста. На рис. 7 приведён пример стека COM/ 104-FPE с использованием «моста» в PCIe/104.

Второй метод заключается в расположении разъёма PCIe-104 с нижней стороны процессорного модуля COM/104 или COM/104-PCI под разъёмом COM-104. В таком случае периферийные модули PCIe/104 и PCI/ 104-Express могут устанавливаться с нижней стороны процессорного модуля. На рис. 8 приведён пример стека COM/104-PCI с модулями расширения PCI/104-Express.

Новые решения на базе стандарта COM/104

В настоящее время компания FASTWEL готовит к выпуску ряд про­цессорных модулей и периферийных уст­ройств с поддержкой нового стандарта COM/104. Среди них мо­­дуль CPC805 – одноплатный компьютер стандарта EPIC на базе Intel® Atom N450 1,66 ГГц (рис. 9). 

Также на эта­пе раз­работки находятся и другие мо­дули в формате COM/104-PCI, та­кие как VIM352 – 4-канальный модуль аудио-/ видеозахвата и CPC309 – процессорный модуль на базе Intel® Atom N450/ D510 1,66 ГГц.

Заключение

Применение со­вре­мен­ной высокопроизводительной шины PCI Ex­press в COM/104 даёт возможность использовать при построении встра­иваемых систем та­кие высокоскоростные ре­­шения, как обработка видео, быст­рая обработка и шифрование данных, скоростные коммуникации и системы хранения данных, реализованные с помощью стандартных и доступных на рынке аппаратных средств на базе PCI Express от разных производителей. В то же время поддержка Legacy PCI-шины 32 бит и возможность ис­поль­зо­вания мостовых со­еди­не­ний с мо­ду­лями се­мейст­ва PC/104 позволяют ис­поль­зовать су­ществующие модули из ши­ро­кой номенклатуры испытанных решений в формате PC/104.

В дополнение к этому COM/104 пре­доставляет до­ступ к таким стандарт­ным интерфейсам и ши­нам, как SATA, USB, Gigabit Ether­net, LPC, SPI, SMBus и Field­bus, не­обходимым для ор­га­ни­зации сис­тем хранения данных, подключения высокоскоростного коммуникаци­он­ного оборудования, ис­пользования модулей аналогового и цифрового ввода/ вы­вода, подклю­че­ния обору­дования по ли­ниям интерфейсов RS-232/485 или CAN, а также подключения различных датчиков, что даёт воз­можность по­строить на базе COM/104 со­временную сис­­тему управления, контроля производства и интеллектуального сбора данных с вы­сокой пропускной способнос­тью и сделать её до­ступной, менее дорогой и более эф­фек­тивной.

Предварительный вариант нового стандарта, разработанный компанией FASTWEL (www.fastwel.ru), представлен в консорциум PC/104 и в настоящее вре­мя находится на рассмотрении в его Техническом комитете. Вви­­ду того что в новой спецификации была предпринята попытка совмес­тить преимущества спецификаций PC/104, ведомых консорциумом PC/104, и се­мейства Com­puter-on-Mo­dules (COM), ведомых консорциумом PICMG (www.picmg.org), компанией FASTWEL было пред­­ложено название нового стан­­дарта COM/104, ис­поль­зу­е­мое по тексту данной статьи. ●

Литература

1. PC/104 Specification. Version 2.6. – PC/104 Em­bedded Consortium, October 13, 2008.

2. Буравлёв А. Процессорные платы PC/104: новые задачи, новые стандарты, новые возможности // Современные технологии автоматизации. – 2007. – № 3. – С. 12–15.

3. Пятницких А. PC/104 – стандарт для жёстких условий эксплуатации // Современные технологии автоматизации. – 2011. – № 1. – С. 22–28.

4. COM/104 Specification Draft Including Adoption on EBX, EPIC Form Factors and 3.5" SBCs. Version 0.8: FASTWEL, May 24, 2011.

5. What is PCI/104-Express™? [Электронный ре­сурс] // PC/104 Embedded Consortium. – Режим доступа : www.pc104.org/pdfs/What_is_ PCI104_ Express.pdf.

6. PCI/104-Express & PCIe/104 Specification In­cluding Adoption on 104, EPIC and EBX Form Fac­tors. Version 2.01. – PC/104 Embedded Con­sortium, March 21, 2011.

Автор – сотрудник ЗАО «НПФ «ДОЛОМАНТ»
Телефон: (495) 232-2033
E-mail: info@dolomant.ru