• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

PCI в роли РЭМБО

Алексей Рыбаков
"Computerworld", 12.07.1997

    PCI - уникальное явление на современном компьютерном рынке, расширяющее свою экспансию на все новые приложения, в частности, в область встраиваемых промышленных/военных магистрально-модульных систем (далее ММС), поэтому рассказ о новой технологии на основе шины PCI - CompactPCI, своего рода "Рэмбо" в семействе PCI-реализаций, - может показаться интересным.

    1991 год - начало разработки PCI специалистами Intel. Основная цель: стандартизация интерфейса микроэлектронных компонентов процессорного ядра (микропроцессоры графики, управления памятью, контроллеры дисков, сетей и т. д.) для семейства i486 и выше. PCI в рамках PCI SIG (PCI Special Interest Group) поддержали все крупнейшие производители средств вычислительной техники, в частности, Motorola, HP, DEC. Речь, в сущности, шла о решении проблемы ускоренной, максимально безболезненной разработки новых поколений офисной техники на основе быстро меняющейся номенклатуры микропроцессоров. В области офисных приложений новые модели компьютеров плодятся как микробы в чашке Петри. Микропроцессоры, в среднем, обеспечены приемлемой "средой обитания". Пользователи имеют новое качество работы компьютеров при быстро снижающихся ценах. Разработчики программного обеспечения получили место для драки. Высокая скорость работы периферии, plug-and-play конфигурирование ввода/вывода, независимость от типа микропроцессора и другие плюсы PCI - неплохая база для совершенствования программного обеспечения. PCI - неотъемлемая часть современного персонального компьютера, и локальный интерфейс подсистемы I/O активной материнской платы. В мире ПК PCI вполне способен, за счет многих факторов, стать одним из основных ингредиентов лекарства, которое избавит персоналки от "старческого маразма": MS-DOS & ISA.

    "Полупромышленные" компьютеры. Архитектура на основе "классической" активной материнской платы мало пригодна для промышленных управляющих систем, работающих в условиях повышенных требований к скорости восстановления, термо-, вибро-, ударопрочности. Ряд производителей (IBM, GESPAC, I-Bus, VMIC, Ziatech), объединенных в консорциум PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturer's Group), в феврале 1994 года опубликовали спецификацию промышленного компьютера на основе пассивной магистрали PCI&ISA. Такой компьютер обычно имеет пассивную магистраль для установки одновременно 4-12 плат ISA и до 4 плат PCI офисного формата. Действительно, параметры надежности этих компьютеров выше, чем у настольного ПК. Они идеально подходят для системы управления - качественный "человеко-машинный интерфейс" с использованием популярных SCADA типа InTOUCH и сетевая/архивная станция поддержки распределенного I/O.

Действительно промышленные ММС

    Одновременно PCI становится стандартом де-факто при разработке мощных одноплатных компьютеров для традиционных управляющих архитектур, предназначенных для работы в условиях, требующих высокой надежности, механической компактности и большой пропускной способности на операциях ввода/вывода I/O. Это касается прежде всего самого популярного открытого международного стандарта промышленных/военных ММС для систем реального времени - VMEbus. Сегодня VME-компьютер на процессорах PowerPC, Pentium Pro, Alpha без локального PCI-интерфейса и представить себе невозможно - экономически чрезвычайно невыгодно создавать его без применения PCI. Уже стали серийными разработки одноплатных VME64/ PCI-контроллеров с кондукционным охлаждением для военных систем. PCI существенно облегчил проектирование VME-компьютеров на основе любого универсального RISC-процессора и коммуникационных "бестселлеров" типа МС68360 и МРС860 производства Motorola. Компания Tundra выпустила ряд мостовых PCI-VME64 кристаллов, которые позволяют любой PCI-компьютер без труда выполнить в стандарте VME. Достаточно взглянуть на структуру современного VME/Pentium SBC (Single Board Computer), чтобы понять: в сущности, она мало отличается от "стандартной" РС/АТ-машины. Идеология PowerPC/ MIPS/ ALPHA VME SBC - аналогична.

В мире мощных промышленных шин стандарт PCI стал своим, а существенные изменения в ближайшем будущем претерпят и другие архитектуры для встраиваемых приложений. В частности, стандарт РС-104. Производители РС-104 уже выдвинули предложение о переводе его системной шины на PCI. Являясь, по сути, проекцией РС/АТ архитектуры с 8/16 разрядной ISA-шиной, РС-104 практически делает бессмысленным применение новых поколений микропроцессоров, в частности Pentium Pro, Pentium II на фоне "сброса" i386/486.

Общее давление домашнего/офисного рынка ПК на сектор "промышленных" РС/ АТ уже приводит к "вымыванию" архитектуры ISAbus как класса с соответствующим прекращением SW/HW-поддержки ключевых производителей. Сегодня в офисных и встраиваемых системах Pentium/ PowerPC шина ISA еще используется как компонент низкопроизводительного I/O: FDD, СОМ, LP, KB. Но, судя по активности Intel в отношении USB, это уже готовая подсистема пользовательского I/O для ПК, которая может стать альтернативой ISA. В "медленных" встраиваемых приложениях альтернативой ISA являются стандарты SPI и I2C.

Бытует мнение, особенно среди производителей встраиваемых ISA-компьютеров, что даже если ISA уйдет с офисного/домашнего рынка ПК, то все равно ISA будет жить во встраиваемых приложениях. Эта позиция в общем понятна, но согласиться с ней трудно. Теоретически можно спрыгнуть с корабля (имеется в виду общая тенденция развития бытовых/бизнес-ПК и рабочих станций в сторону скоростных процессоров, мощной периферии и 32-х разрядных ОС), идущего через океан (общекомпьютерный офисный/ бытовой рынок SW/HW), и проплавать еще некоторое время. Но совершенно точно можно сказать: могила ISA уже вырыта реальными лидерами в производстве бизнес-ПК. В этом смысле, думается, многие производители "промышленных" РС/АТ с исключительно ISA-поддержкой уже в ближайшее время перейдут на PCI-архитектуру. У них просто нет другого шанса выжить.

CompactPCI - новый аппаратный стандарт

    В начале 1995 года в рамках PICMG, по инициативе компании Ziatech, из представителей Ziatech, DEC, GESPAC, Force Computer, VMIC, IBM и др. была сформирована рабочая группа для изучения возможности использования PCI в качестве системной широковещательной шины, действительно пригодной для создания широкого класса надежных промышленных/военных встраиваемых приложений. Главные идеи разработки: • использование стандартных PCI-компонентов;
• использование стандартного промышленного евроконструктива 3U(100х160 мм)/ 6U(233х160 мм);
• поддержка не менее 6 слотов расширения;
• обеспечение эффективного конвекционного и кондукционного охлаждения;
• обеспечение возможности использования ключевых мезонинных технологий гибкого I/O: IndustryPack и PMC;
• обеспечение максимально простой интеграции со стандартными шинами типа VMEbus;
• возможность "горячей замены" модулей I/O;
• создать ОТКРЫТЫЙ стандарт, с самого начала поддержанный группой независимых компаний-производителей.

    В ноябре 1995 года была представлена спецификация версии 1.0 нового стандарта, под названием CompactPCI (в дальнейшем CPCI). Итак, каковы же ключевые факторы стандарта CPCI? • CPCI полностью совместим со спецификацией PCI v2.0.
• CPCI использует любые стандартные PCI полупроводниковые компоненты.
• CPCI основан на общепринятой промышленной/военной технологии создания высоконадежных встраиваемых систем: пассивной объединительной магистрали.
• CPCI использует самый популярный механический формат для промышленных ММС: европлаты формата 3U и 6U, полностью аналогичные формату наиболее популярных промышленных шин VME, G96, STD.
• CPCI обеспечивает I/O как через переднюю панель, так и через дополнительные задние разъемы.
CPCI процессорно и программно независим. С использованием шины PCI сегодня строятся вычислительные устройства на базе процессоров PowerPC, Alpha, i486, Pentium/MMX/Pro/II, MPC860, MC68360, MC68040/60, DSP. Может быть использована операционная система как общего назначения типа Windows 95/NT, Unix, так и ОС реального времени OS9, VxWorks, pSOS+, LynxOS, QNX.
• CPCI обеспечивает работу по технологии plug-and-play.
• CPCI является открытой технологией - использует стандартный высококачественный, высоконадежный штырьковый системный разъем, приведенный в начале статьи.
Действительно, CPCI использует популярный для телекоммуникаций разъем МЭК 1076-4-101, выпускаемый несколькими компаниями: AMP, Framatom, ERNI. Выбор системного соединителя - дело очень ответственное. Он должен обеспечивать высокую надежность, быть компактным, обеспечивать малую емкость между контактами, иметь повышенный иммунитет к шумам, допускать большое число вставок/удалений модулей, иметь защиты от ошибочного включения, обеспечивать возможность развития спецификации и т. д. CPCI обеспечивает существенно большие возможности расширения, чем это предусмотрено в базовой PCI-спецификации v2.0 - 8 вместо 4.
• CPCI имеет все возможности для специфицирования "горячей замены" своих модулей.
• CPCI обеспечивает простую интеграцию с традиционными системами на базе VME, G96, STD. Технологии такого объединения являются предметом стандартизации в рамках CPCI, в первую очередь с VME-системами, имеющими гигантскую номенклатуру и более всего распространенными на рынке встраиваемых приложений. Возможность и логика такой интеграции "с детства" заложена в сам принцип PCI. Чтобы это понять, достаточно посмотреть на общую концепцию вычислителя с PCI-архитектурой, в соответствии с которой выполняются все PCI-разработки.

Номенклатура CompactPCI

    CPCI - еще очень "молодой" стандарт, и его номенклатура невелика. Первыми увидели свет специфическая для CPCI механика и host-процессоры. Имеющиеся на рынке host-процессоры CPCI форматов 3U и 6U построены на базе микропроцессоров PowerPC, Pentium, Pentium Pro. Декларируются разработки на базе МС683хх, МРС860, Alpha. Они интегрируют CPU, DRAM, FLASH, SVGA, коммуникационные порты, контроллеры дисков и т. д., являясь, по сути, одноплатными компьютерами. Структурная схема и вид типичного "простейшего" Pentium host-процессора формата 3U приведена на рис. 3 - процессоры полностью повторяют PCI-архитектуру desktop/настольных компьютеров, но в жестком промышленном формфакторе.

Ввод/вывод CompactPCI

    Когда разрабатывается новый стандарт, на рынке первыми появляются его механические компоненты и центральные вычислители. Однако на его коммерческий успех влияют в первую очередь возможности по обеспечению функций I/O для максимального числа конечных приложений. До осени 1996 года можно было сказать: единственное, что делает CPCI-компьютер - выполняет функции конторской настольной машины. Ситуация резко изменилась в конце 1996 года после трех событий:

   1. Компания Green Spring Computers (США) - лидер в области разработки и производства гибких мезонинных технологий организации I/O IndustryPack - выпустила свою знаменитую плату-носитель PCI-40 (плата-носитель PCI четырех IP-мезонинов в формате desktop-компьютера) в формате 6U CPCI, названную cPCI-200, и в формате 3U под именем сCI-100. Эта работа была выполнена совместно с фирмами FORCE и ProLog. Вскоре к ним присоединились Zialtech, PEP Modular Computers и Gespac. Выпуск IP-носителей cPCI-200/100 означает, что OEM-компаниям и системным интеграторам открыт доступ к огромной номенклатуре объектного I/O от большого числа поставщиков стандартных IP-мезонинов. А это практически любой ввод/вывод: аналоговый, цифровой, графический, телекоммуникационный, промышленные, локальные и глобальные сети, авиационные интерфейсы типа MIL1553/ ARINC/H009, управление двигателями/приводами, реле, энергонезависимая память, таймеры, аудиоDSP, синтезаторы речи и т. д.

   2. Компания Creative Electronic System (CES, Швейцария), крупнейший поставщик систем реального времени высшей производительности (ядерная физика/авиация/космос), выпустила первый универсальный модуль-носитель двух мезонинов PMC/IEEE 1386/ (стандартные низкопрофильные промышленные мезонины на основе шины PCI). Для ОЕМ и системных интеграторов открылся доступ к широкой, чрезвычайно гибко компонуемой номенклатуре PMC-мезонинных модулей для наплатных высокопроизводительных расширений. Благодаря тому что разработчики хорошо продумали саму концепцию CPCI, современные мезонинные технологии организации гибкого I/O были адаптированы очень быстро. С помощью мезонинных технологий IP и PMC можно перекрыть огромный спектр конечных приложений.

   3. Компания FORCE, второй в мире по объему продаж (после Motorola) производитель COTS/ROTS VME модульных компонентов, участник международных консорциумов PICMG и VITA, выпустила базовую платформу Pentura VMES-8700 для телекоммуникационных и иных высокопроизводительных приложений. Она представляет собой гибридную VME64+CPCI/Pentium встраиваемую платформу в 19"/6U EMC-защищённом каркасе. Pentura VMES-8700 обеспечивает работу максимально широкого спектра аппаратного (VME, CPCI, PMC, IP) и программного обеспечения. Подобные работы ведут и другие производители, в частности, DEC на платформе ALPHA.

   Эти три события стали во многом определяющими для развития CPCI: в кратчайшие сроки CPCI сроднился с широчайшей номенклатурой гибких стандартных современных IP/PMC/VME технологий организации I/O для любых приложений, от встраиваемых телекоммуникационных серверов до простого промышленного PLC. Пожалуй, не было другого случая, чтобы новая разрешающая, тем паче промышленная, технология так быстро "нарастила мускулы" в организации ввода/вывода. В этом смысле CPCI сегодня уступает разве что системам VME и VXI. Впрочем, последним, с точки зрения высокоточного ввода/вывода, CompactPCI будет уступать всегда.

   CPCI унаследовал черты лучших промышленных ММС: многомодульность, механический евроконструктив 3U/6U, простоту интеграции стандартных систем I/O, надежность. Он также вобрал в себя особенности технологий desktop-машин: недорогая и быстрая микроэлектронная база и совместимость с широким спектром программного обеспечения.

    На вопрос, может ли CompactPCI стать новым хитом на рынке встраиваемых приложений, - сегодня можно с абсолютной уверенностью ответить: да. Открытость стандарта, мощная поддержка независимых производителей и его ориентация на широкий класс встраиваемых приложений, безусловно, обещают стандарту блестящее будущее.