CompactPCI и PXI: не соревнуясь, а дополняя друг друга. Часть 1

Введение

Сегодня мировой рынок встраиваемых систем (embеddеd systеms) – это значительный сегмент общемирового рынка электроники. Встраиваемые системы проникли практически во все сферы жизни от потребительской электроники до военной техники. Совсем недавно термин «встраиваемые системы» ассоциировался, прежде всего, с бортовыми компьютерами, а сегодня уже трудно найти электронную продукцию, которая не попадала бы в данную категорию: встраиваемые компьютеры, процессорные, измерительные и интерфейсные платы и многое-многое другое.

В чем специфика требований современного разработчика компьютерных систем? Общая тенденция такова:

• стремление к максимальной стандартизации, унификации и модульному принципу построения, использование открытых международных стандартов для обеспечения конкурентоспособности производимых модульных систем;

• применение технологически совершенных изделий, COTS-продуктов (COTS – commercial off-the-shelf – готовые коммерческие продукты и технологии, доступные для свободного приобретения на рынке), обладающих устойчивостью к различным неблагоприятным воздействиям и высокой надёжностью, соответствующей условиям промышленной эксплуатации;

• возможность выбора лучшей продукции и продукции именно тех компаний, которые специализируются на встраиваемой электронике и работают в рамках одного стандарта, что приводит к простоте последующей модернизации и удобству обслуживания их изделий;

• использование широких возможностей применения уже разработанного системного и прикладного программного обеспечения (ПО) под Windows, Linux, QNX и т.д., следствием чего является снижение финансовых и временных затрат на разработку;

• экономия средств и времени разработки, которая продиктована высокой конкуренцией на рынке встраиваемых систем.

CompactPCI

Наверное, те же задачи стояли и перед инженерами 1990-х годов, инициировавшими разработку нового стандарта CompactPCI, который был окончательно сформулирован в 1997 году консорциумом PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group). В рамках этой некоммерческой организации, созданной в 1994 году и на сегодняшний день насчитывающей среди своих членов более 450 компаний-производителей, была разработана открытая спецификация для высокоэффективных телекоммуникационных и вычислительных применений под названием CompactPCI, или PICMG 2.0 (http://www.picmg.org/v2internal/specifications.htm) [1, 2, 3].

Стандарт явился прямым развитием шины PCI для применения в промышленных и особо ответственных приложениях.

Основные особенности, определяемые стандартом CompactPCI:

• унифицированные размеры Eurocard в соответствии с IEEE 1101.1 (рис. 1);
  

• компактные соединители с шагом 2 мм (рис. 2);
  

• вертикальное расположение плат для наилучшего охлаждения;

• надёжная фиксация модулей в системном шасси;

• высокая устойчивость к ударным и вибрационным воздействиям;

• металлическая передняя панель съёмных модулей;

• соединители для пользователя, расположенные как на передней, так и на задней стороне модуля;

• применение стандартных шасси от разных изготовителей;

• каскадное исполнение выводов питания для реализации режима «горячей» замены;

• поддержка восьми слотов в базовой конфигурации (с расширением при использовании мостов).

Конструктивно платы CompactPCI представляют собой платы Eurocard высотой 3U (100×160 мм) или 6U (233×160 мм, рис. 1).

«Сердце» CompactPCI – это газонепроницаемый компактный разъём, отвечающий стандарту IEC 1076 и характеризующийся низкой индуктивностью и контролируемым импедансом (рис. 2). 

Для плат 3U он имеет 44 ряда сигнальных контактов, расположенных с шагом 2 мм по 5 в каждом ряду (всего 220). Разъём состоит из двух снабжённых металлическим экраном половин (соединители J1 и J2) по 110 контактов каждая, 20 из которых зарезервированы.

Относительно большое количество контактов служит для экранирования и заземления, что позволяет исключить помехи и обеспечить надёжную передачу сигналов.

Разная длина контактов в системных разъёмах CompactPCI обусловлена аппаратной реализацией режима Hot Swap («горячая» замена). «Длинные» контакты применяются для подключения сигналов питания, основная группа сигналов системной шины подключается контактами «нормальной» длины, а «укороченные» контакты служат для передачи специальных сигналов Hot Swap (при отсоединении модуля они первыми размыкаются и предупреждают систему о предстоящем его удалении).

На кросс-панели (объединительной панели, рис. 3) устанавливаются ответные части разъёмов плат. В 32-битовом варианте шина использует только один соединитель (J1), причём не полностью; часть контактов выделяется на усмотрение пользователя. 64-битовая шина использует весь разъём (J1+J2), при этом возможна комбинация разных модулей на одной и той же 64-разрядной объединительной панели.

Металлическая передняя панель съёмных модулей выполнена в соответствии с IEEE 1101.10, имеет ручку-фиксатор, центрирующие штифты и при помощи невыпадающих винтов надёжно фиксирует модули в шасси CompactPCI.

В отличие от шины PCI, где количество слотов может быть не более четырёх, шина CompactPCI поддерживает до восьми слотов (рис. 3). Дальнейшее расширение количества слотов вплоть до 32 реализуется с помощью мостов PCI-PCI. Каждый сегмент системы имеет один системный и семь периферийных слотов. Системный модуль занимает левый (системный) слот и обеспечивает арбитраж шины, формирование тактовых сигналов, приём и выдачу сигналов управления.

Требования стандарта предполагают использование соединителей как на передней, так и на задней (тыльной) стороне кросс-панели, что позволяет организовать так называемый тыльный ввод-вывод (Rear I/O) и подключение дополнительных устройств с обратной стороны объединительной панели.

Принципиальные конструктивные моменты стандарта CompactPCI подробно были изложены в [2], и здесь о них говорить не будем. В качестве справочной информации в табл. 1 приведены данные, которые помогут разобраться в существующих обозначениях, присущих системам CompactPCI (PXI).

Следующей отправной точкой для разговора о конкретных решениях будет описание стандарта PXI.

Стандарт PXI

Стандарт PXI (PCI eXtention for Instrumentation) появился в 1997 году как открытый промышленный стандарт благодаря группе компаний, входящих в альянс PXISA (PXI Systems Alliance, http://www.pxisa.org/). В основе архитектуры PXI лежат шина PCI, стандарт CompactPCI, а также дополнительные программно-аппаратные возможности, позволяющие создать на их базе практически любую автоматизированную вычислительную или контрольно-измерительную систему (рис. 4).

Конструктивно система PXI представляет собой шасси, оснащённое объединительной панелью на 8 модулей (рис. 5).

Самый левый слот в корзине предназначен для системного контроллера; слева от него оставлено свободное место для его возможных расширений (рис. 6). 

Семь свободных слотов справа предназначаются для модулей ввода-вывода. В следующий за системным слот может устанавливаться специальный модуль, предназначенный для синхронизации работы нескольких модулей, так называемый стар-триггер (Star Trigger).

Пропускная способность системы —до 132 Мбайт/с для 32-разрядной шины PCI на частоте 33 МГц; для 64-разрядного варианта PCI значение этого параметра составляет до 528 Мбайт/с.

Если обычная шина PCI имеет возможность работать не более чем с 4 слотами, то увеличенное до 8 количество слотов является явным преимуществом стандартов PXI/CompactPCI. Неоспоримыми достоинствами PXI/CompactPCI являются использование шины передачи данных PCI, надёжных разъёмов и технологии plug&play, а также функциональная совместимость систем PXI и CompactPCI (рис. 7).

Помимо этого спецификация PXI предусматривает дополнительные возможности синхронизации (рис. 8). Синхронизация и тактирование в системах PXI реализуются применением:

• наносекундной синхронизации модулей ввода/вывода на основе опорного тактового сигнала 10 МГц, подаваемого на все модули;

• контроллера и шины Star Trigger, управляющих передачей сигналов тактирования и синхронизации, реализующих подключение модулей с использованием топологии «звезда», учитывающих длину пути сигналов переключения для уменьшения задержки и для синхронизации моментов запуска различных приборов;

• шины PXI Trigger, состоящей из восьми линий, сигналы которых подаются на все слоты в сегменте, с тем чтобы они могли взаимодействовать и аппаратно управлять друг другом;

• локальной шины, служащей для передачи высокочастотных цифровых и аналоговых сигналов между соседними модулями.

Для изделий стандарта PXI заданы жёсткие требования по электромагнитной совместимости, питанию, вентиляции модулей и повышенной виброзащищённости конструкции. Архитектура PXI позволяет использовать высокопроизводительные процессоры для задач, требующих сложного анализа или математической обработки данных. Используемое программное обеспечение аналогично ПО стандартных ПК и поэтому не требует дополнительного времени на изучение, что упрощает процесс интеграции систем.

Во второй части статьи делается краткий обзор продукции компании ADLINK, соответствующей требованиям стандартов CompactPCI и PXI. Основное внимание уделяется изделиям формата 3U. Указываются возможные области применения. ●

Литература

1. Яковлев В. Базовые принципы построения высокопроизводительных и надёжных систем на основе изделий CompactPCI // Современные технологии автоматизации. – 2007. – № 3.

2. Беломытцев В. Шасси промышленных компьютеров с шиной CompactPCI // Современные технологии автоматизации. – 2008. – № 2.

3. Теплов А. Перспективный формат // Мир автоматизации. – 2005. – № 1. 

Автор — сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru