В статье рассказывается об основных преимуществах и особенностях применения нового стандарта COM/104, представленного на рассмотрение в консорциум PC/104. Описаны принципы построения и ключевые отличия встраиваемых систем, реализованных на базе стека COM/104, применительно к работе в жёстких условиях эксплуатации и использованию в ответственных приложениях. Освещены вопросы совместимости решений на базе COM/104 с различными модулями семейства PC/104.
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.
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.
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).
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.
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.
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. ●
PC/104 Specification. Version 2.6. – PC/104 Embedded Consortium, October 13, 2008.
Буравлёв А. Процессорные платы PC/104: новые задачи, новые стандарты, новые возможности // Современные технологии автоматизации. – 2007. – № 3. – С. 12–15.
Пятницких А. PC/104 – стандарт для жёстких условий эксплуатации // Современные технологии автоматизации. – 2011. – № 1. – С. 22–28.
COM/104 Specification Draft Including Adoption on EBX, EPIC Form Factors and 3.5" SBCs. Version 0.8: FASTWEL, May 24, 2011.
What is PCI/104-Express™? [Электронный ресурс] // PC/104 Embedded Consortium. – Режим доступа : www.pc104.org/pdfs/What_is_ PCI104_ Express.pdf.
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
Однофазные источники бесперебойного питания Systeme Electric
Почти все современные сферы промышленности, IT-инфраструктура, а также любые ответственные задачи и проекты предъявляют повышенные требования к питающей сети – электропитание должно быть надёжным, стабилизированным и обеспечивать бесперебойную работу. В данной статье мы рассмотрим решения по однофазному бесперебойному питанию от российской компании Systeme Electric. 28.12.2023 СТА №1/2024 1012 0 0Однопроводный канал телеметрии по PLC
В статье рассматриваются методы реализации однопроводных каналов передачи данных по силовым электросетям в жилых зданиях, загородных и промышленных помещениях. В качестве информационного провода предлагается использовать проводник «нейтраль» электропроводки. Приводятся анализ возможных конфигураций каналов передачи данных этого типа и результаты экспериментальных проверок. Рассматриваются преимущества новых методов по сравнению с традиционными PLC и области возможного применения данной технологии. 28.12.2023 СТА №1/2024 1127 0 0BioSmart Quasar 7 — мал да удал
Компания BIOSMART в пандемийном 2020 году весьма своевременно представила свой первый лицевой терминал Quasar (рис. 1) с диагональю экрана 10 дюймов. Уже в следующем, 2021 году был представлен бесконтактный сканер рисунка вен ладони PALMJET (рис. 2). Ну а в текущем 2023 году компания представила новую уменьшенную модель лицевого терминала Quasar 7 (рис. 3), который смог в компактном корпусе объединить обе передовые технологии бесконтактной биометрической идентификации. 28.12.2023 СТА №1/2024 1053 0 0Открытые сетевые платформы — когда сети и вычисления в одном устройстве
Открытая сетевая платформа (ONP) – это мощное средство для реализации как простых, так и масштабных сетей, а также инструмент, который позволяет в одном высокопроизводительном устройстве реализовать целый вычислительный комплекс, объединяющий внутри себя коммутаторы, маршрутизаторы, межсетевые экраны, а также сам сервер обработки данных. Используя все преимущества данной архитектуры, компания AAEON разработала своё решение, сетевую платформу FWS-8600, на базе высокопроизводительных процессоров Intel Xeon Scalable 2-го поколения. В статье раскрыты детали и особенности ONP, характеристики FWS-8600, а также почему использование процессоров Intel Xeon Scalable 2-го поколения значительно увеличивает потенциал платформы. 28.12.2023 СТА №1/2024 1240 0 0