Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
12
Добавлен:
21.03.2016
Размер:
284.01 Кб
Скачать

ОБЗОР/АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА

Александр Буравлёв

Процессорные платы PC/104: новые задачи, новые стандарты, новые возможности

В статье обсуждаются вопросы построения высокопроизводительных встраиваемых компьютерных систем на базе стандарта PC/104. Рассматриваются вопросы организации эффективного теплоотвода и вопросы использования различных интерфейсов, включая PCI Express, для организации обмена данных между процессорными платами и платами приложений.

 

С момента появления в 1991 году сис

ровой рынок PC/104 плат составляет

ОТВОД ТЕПЛА

 

темы,

базирующиеся

на

стандарте

170 миллионов долларов в год. По стати

И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

 

PC/104, получили широкое распростра

стике в наибольшем объёме решения на

Многие приложения требуют от сис

 

нение в различных приложениях как на

базе PC/104 используются в промыш

темы работоспособности в широком

 

транспорте, так и в системах обороны.

ленности (более 50%) и системах оборо

температурном диапазоне, зачастую

 

Управление беспилотными летательны

ны — порядка 20% от всего объёма про

превышающем гарантированный про

 

ми аппаратами, бортовые системы кон

изводимых плат. По функциональному

изводителем компонентов диапазон

 

троля и навигации, ракетные комплексы,

признаку рынок плат РС/104 делится на

рабочих температур.

 

персональные средства коммуникации –

два практически равных по объёму про

В этом случае для некоторых компо

 

вот далеко не полный перечень наиболее

даж сегмента — процессорные платы и

нентов, например конденсаторов, до

 

популярных приложений

продуктов,

платы ввода вывода.

статочно перейти с одного их типа на

 

созданных на базе стандарта PC/104.

Поскольку надёжность всего устрой

другой, например с электролитических

 

Многие инженеры отдают предпочтение

ства напрямую зависит от надёжности

алюминиевых — на танталовые, чтобы

 

РС/104 благодаря преимуществам, кото

каждого из компонентов (плат, соеди

существенно увеличить надёжность,

 

рые дают малый вес и габариты (размер

нений, корпуса, источников питания,

расширить диапазон рабочих темпера

 

платы 90×96 мм), быстрота конструиро

системы теплоотвода и т.д.), разработка

тур и решить данную задачу. Однако

 

вания всей системы и лёгкость её измене

и выбор каждого из этих компонентов

для других компонентов, таких как

 

ния, механическая надёжность как разъ

должны быть произведены с особой

центральный процессор, чипсет, па

 

ёмов, так и всего конструктива в целом.

тщательностью и вниманием к деталям.

мять, это решение неосуществимо. По

 

При разработке электронного уст

Запросы пользователей относитель

этому ключевыми задачами при разра

 

ройства на базе РС/104 для создания

но функциональности и надёжности

ботке подобных плат являются прове

 

наиболее надёжного, гибкого и высо

системы, построенной на базе PC/104,

дение анализа температурных эффек

 

копроизводительного

решения

могут

часто требуют дополнительных усилий

тов и разработка платы таким образом,

 

быть

использованы готовые

платы,

разработчиков плат и специфических

чтобы она продолжала надёжно рабо

 

производимые различными компания

инженерных решений для их реализа

тать даже в самом худшем варианте экс

 

ми. Так, в настоящее время консорци

ции. Мы рассмотрим основные спосо

плуатации, а также проведение тща

 

ум PC/104, организованный 14 лет на

бы решения задач по повышению на

тельного и всестороннего тестирования

 

зад, объединяет 78 производителей во

дёжности, расширению условий экс

платы во всём диапазоне рабочих тем

 

всём

мире, специализирующихся на

плуатации и, соответственно, сфер

ператур на стадии выходного контроля.

 

производстве тех или иных продуктов в

применения электронных устройств,

Ввиду малого размера плат и затруд

 

рамках данного стандарта.

 

 

построенных на базе стандарта PC/104,

нённого теплообмена внутри закрыто

12

По данным аналитического агентства

а также рассмотрим более подробно

го конструктива температурные эф

Electronics Trend Publications, общеми

некоторые новинки.

фекты и функциональность плат долж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

www.cta.ru

 

 

 

 

СТА 3/2007

© 2007, CTA Тел.: (495) 234 0635 Факс: (495) 232 1653 http://www.cta.ru

охлаждением
конструктиве IDAN с пассивным
Рис. 1. Процессорная плата в

О Б З О Р / А П П А Р А Т Н Ы Е С Р Е Д С Т В А

ны быть хорошо просчитаны не только при отрицательных рабочих темпера турах, но и при повышенных темпера турах окружающей среды.

Использование принудительного вентилятора охлаждения центрального процессора в таких системах не всегда приемлемо как по причине малых раз меров всего конструктива и, соответст венно, недостаточной эффективности воздушного охлаждения, так и ввиду низкой надёжности самих вентилято ров. Среднее время наработки на отказ для вентиляторов не превышает 20 тысяч часов, в то время как сама пла та компьютера имеет среднее расчётное время безотказной работы порядка 130 тысяч часов (пример — Fastwel CPC1600 или Fastwel CPC1700).

Для решения задачи отвода избыточ ного тепла многие производители про цессорных плат используют централь ные процессоры Pentium III с пони женным энергопотреблением и часто тами в диапазоне 300…600 МГц или процессоры AMD серии Geode. Одна ко такие процессоры имеют достаточ но низкую производительность, что может послужить ограничением ис пользования их в современных прило жениях. Кроме того, компания Intel в 2006 году объявила о прекращении производства ультранизковольтных процессоров Pentium III, поэтому при новых разработках рассчитывать на имеющиеся у поставщиков остатки и складские запасы этих процессоров рискованно и нецелесообразно.

Более правильным подходом, на наш взгляд, является использование совре менных процессоров Intel Pentium M с пониженным напряжением питания. Такие процессоры производятся по специальной технологии и имеют бо лее чем двукратное преимущество в со отношении скорость/тепловыделение по сравнению со своими стандартны ми собратьями (см. табл. 1: пер вая часть –

процессоры Pen tium M и Celeron M, вторая – LV и ULV, низковольт ные модифика ции, выпускаемые для встраиваемых ложений).

Однако даже для своего решения

тральный процессор с пониженным тепловы делением, разработчики

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

 

Сравнительные характеристики стандартных и низковольтных процессов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Процессоры

 

Максимальная частота,

Расчётная тепловая

Соотношение

 

 

 

частота/тепловая

 

 

 

MГц

 

мощность, Вт

 

 

 

 

 

мощность, MГц/Вт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pentium M 760

 

2000

 

27

 

74

 

 

Pentium M 745

 

1800

 

21

 

85

 

 

Pentium M 1.6

 

1600

 

24,5

 

65

 

 

Celeron M 370

 

1500

 

21

 

71

 

 

LV Pentium M 738

 

1400

 

10

 

140

 

 

LV Pentium M 1.1

 

1100

 

12

 

92

 

 

ULV Celeron M 373

 

1000

 

5,5

 

182

 

 

855 GM/ICH4

 

 

 

 

4,3 + 2,2

 

 

 

 

915 GM/ICH6

 

 

 

 

6 + 2.3

 

 

 

 

всё равно должны решить вопросы от

шение даёт возможность установки бо

 

 

вода тепла от центрального процессора

лее производительных процессоров с

 

и контроллера

памяти/графической

частотами вплоть до 2 ГГц и системной

 

подсистемы (северного моста).

 

 

шиной 533 МГц. Как известно, систем

 

Одним из наиболее высокотехноло

ная шина в архитектуре Intel является

 

гичных классических решений, пожа

наиболее узким местом, и повышение

 

луй, можно считать процессорные пла

её частоты с 400 до 533 МГц приводит к

 

ты, производимые американской ком

33% росту пропускной способности

 

панией RTD. В максимальной конфи

данных в системе, что на практике даёт

 

гурации такие одноплатные компьюте

существенный рост производительнос

 

ры комплектуются процессором Intel

ти.

 

 

 

 

Pentium M 1,4 ГГц (Intel даёт тепловой

 

 

 

 

 

пакет в 10 Вт на этот процессор) и сис

ВИБРАЦИЯ И УДАРЫ

 

темой вентилируемого или контактно

Используемые на транспорте и в

 

го теплоотвода с металлическим радиа

промышленности системы часто под

 

тором термосъёмником и тепловыми

вержены продолжительным вибраци

 

трубками, устанавливаемыми на про

онным нагрузкам. За счёт надёжного

 

цессор для отвода тепла на внешние

крепления, малого размера плат и, со

 

стенки корпуса (рис. 1).

 

 

ответственно, малого веса и инерции, а

 

В этой связи интересно решение,

также благодаря надёжным разъёмам

 

предлагаемое в

линейке продукции

PCI и ISA, архитектура РС/104 подхо

 

РС/104 Plus компании Fastwel (рис. 2).

дит для использования в данных при

 

В отличие от общепринятой практики

ложениях даже в своём естественном

 

установки центрального процессора на

виде. Однако для многих приложений

 

той же стороне, где находятся разъёмы

повышенная надёжность не будет из

 

PCI и ISA, инженеры компании Fastwel

лишней. Самым тривиальным спосо

 

расположили процессор с обратной

бом её повышения является запаива

 

стороны платы и предложили кондук

ние тех компонентов, которые в стан

 

тивный метод отвода тепла от цен

дартном случае подсоединяются через

 

трального процессора и от контроллера

разъёмы. Здесь необходимо заметить,

 

графики и памяти (северного моста).

что запаивание центрального процес

 

Таким образом,

если использовать

сора выглядит как достаточно рутин

 

процессорную плату Fastwel как край

ная процедура, в то время как запаива

 

нюю в стеке (либо верхнюю, либо ниж

ние памяти DRAM требует существен

 

нюю), задача по отводу тепла

ного усложнения схемотехники плат и

 

 

 

упрощается.

добавления нескольких дополнитель

 

 

Обеспечив

хоро

ных токопроводящих слоев. Так, пло

 

 

 

ший тепловой

щадь запаянных чипов DRAM объё

 

 

 

контакт

 

цен

мом в 1 Гбайт составляет порядка 15%

 

 

 

трального про

от всей полезной площади платы

 

 

 

цессора с кор

PC/104 Plus. Несмотря на то что запаи

 

 

 

пусом,

можно

вание существенно усложняет произ

 

 

использовать

сам

водство, одноплатные

компьютеры

 

 

 

PC/104

как

Fastwel СРС1600 выдерживают вибра

 

 

 

радиатор. Тем

цию вплоть до 5g в диапазоне частот

 

 

 

налицо экономия

10…500 Гц, в то время как одноплатные

 

места, веса и более орга

компьютеры с памятью,

подключён

 

ничный дизайн системы.

ной через разъёмы SODIMM, способ

13

Кроме того, данное ре

ны выдерживать вибрации до 2g.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТА 3/2007

www.cta.ru

© 2007, CTA Тел.: (495) 234 0635 Факс: (495) 232 1653 http://www.cta.ru

 

О Б З О Р / А П П А Р А Т Н Ы Е С Р Е Д С Т В А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Другим существенным преимущест

на базе микросхемы SAA6752 Philips

ции х4, х8 и х16 шина PCI Express соот

 

вом плат с запаянными компонентами

Semiconductors использует

полосу

до

ветствует всем основным требованиям

 

является

повышение эффективности

8 Мбайт/с. Таким образом, 5 6 MPEG 2

разработчиков систем вплоть до сере

 

влагостойкого покрытия и, соответст

видеоканалов полностью

занимают

дины следующего десятилетия.

 

венно, снижение риска коррозии или

пропускную полосу шины PCI.

 

 

Помимо высокой пропускной спо

 

появления замыкания

контактов на

Gigabit Ethernet, являющийся наибо

собности шина PCI Express характери

 

поверхности

вследствие случайного

лее распространённым коммуникаци

зуется низкими значениями задержек

 

попадания частиц металла или осажде

онным интерфейсом в настоящее вре

сигнала, усовершенствованным прото

 

ния соляного тумана.

 

 

мя, также не может быть реализован в

колом передачи данных с разбиением

 

 

 

 

 

 

 

 

полной мере, если его контроллер

на пакеты и возможностью назначения

 

ИНТЕРФЕЙСЫ

 

 

подключен к 32 разрядной шине PCI

приоритетов по доставке пакетов, а

 

РАСШИРЕНИЯ

 

 

(скорости в этом случае составляют

также различными уровнями приори

 

На заре своего существования платы

около 400 Мбит/с для входящего и ис

тета для определённых пакетов данных

 

стандарта PC/104 имели только разъём

ходящего потоков).

 

 

 

 

(QoS).

 

 

 

 

ISA для подключения дополнительных

Современные прикладные

задачи,

 

На физическом уровне один канал

 

плат. Число 104 как раз соответствова

требующие большей полосы пропуска

PCI Express создаётся двумя парами

 

ло в то время числу контактов между

ния, могут быть решены, если разра

линий связи, по каждой из которых

 

двумя соединяемыми платами. В 1997

ботчики перейдут

на использование

идет дифференциальный низковольт

 

году консорциум PC/104 утвердил но

шины PCI Express. В отличие от парал

ный сигнал на частоте 2,5 ГГц. С этой

 

вую спецификацию РС/104 Plus, в ко

лельной шины PCI, шина PCI Express

особенностью связано ещё одно пре

 

торую был добавлен ещё один 120 кон

является последовательной, с несущей

имущество — экономия контактов и

 

тактный разъём с интерфейсом PCI. В

частотой 2,5 ГГц, и обеспечивающей

места на плате при разводке такого ин

 

отличие

от

стандартного

 

 

 

способность

до

терфейса.

 

 

 

 

имеющего 124

 

 

 

 

 

минимальной

 

На рис. 3 представлены данные про

 

PCI в РС/104 Plus

 

 

 

 

 

 

х1.

 

пускной способности на контакт раз

 

держивает 64

 

 

 

 

 

Ряд компаний,

личных интерфейсов.

 

 

данные.

Вся

 

 

 

 

 

включая Intel,

 

Поэтому даже для решения тех задач,

 

разработана

таким

 

 

 

 

позициони

где нет необходимости в широкой по

 

образом, что мак

 

 

 

 

рует

шину

лосе канала PCI Express, производите

 

симально

под

 

 

 

 

 

PCI

Express

ли кремния и встраиваемых плат всё

 

д е р ж и в а ю т с я

 

 

 

 

как

 

универ

равно перейдут на него, поскольку это

 

4 платы прило

 

 

 

 

 

сальное

реше

упрощает разработку и экономит место

 

жений

на одной

 

 

 

 

объединяю

на плате, что, в свою очередь, либо по

 

такой

шине.

 

 

 

 

 

компоненты

зволяет снизить стоимость, либо даёт

 

мальная

теоретическая

 

 

 

 

так и различ

возможность добавить новую функ

 

пропускная способность

Рис. 2. Внешний

 

 

и модули вво

циональность на плату.

 

 

шины PCI в архитектуре

вид модуля Fastwel

 

да/вывода в рамках одного

 

Так как современные серверные пла

 

PC/104 Plus

составляет

CPC1600/1700

 

конструктива. Ввиду

хо

ты Intel уже не имеют свободных сло

 

132 Мбайт/с, в то время

с установленным радиатором

рошей масштабируемости

тов PCI, работа плат расширения воз

 

как реальная не превы

кондуктивного теплоотвода

и возможности объедине

можна только через интерфейсы PCI

 

шает 55 60 Mбайт/с.

на внешний корпус

ния каналов в конфигура

Express.

 

 

 

 

Основными приложе

 

 

100,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ниями, использующими шину PCI в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PC/104 сегменте, являются решения с

90,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дополнительно

устанавливаемыми

80,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

картами

с контроллерами Ethernet,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

картами видеозахвата, картами с про

70,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цессорами цифровой обработки сигна

60,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ла и прочие приложения, требующие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

высокой скорости обмена данными с

50,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

центральным процессором.

 

40,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однако

для

многих

современных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приложений

в

компьютерном

мире

30,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пропускной способности 32 разрядной

20,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

шины PCI уже недостаточно. Многие

10,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

современные графические карты тре

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

буют

полосы

пропускания

более

0,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PCI

 

500 Mбайт/с. Задачи по оцифровке и

 

PCI

AGP2X

PCI X 133

AGP4X

AGP8X

PCI X 266

PCI X 533

 

 

Express

 

записи видеоизображения также тре

Пропускная

1,58

6,48

 

7,09

 

9,85

16,38

17,78

35,56

100

 

буют большей пропускной способно

способность/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сти. Например, классическое решение

контакт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

по MPEG 2 компрессии видеопотока

Рис. 3. Пропускная способность контакта для различных шин

 

 

 

 

www.cta.ru

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТА 3/2007

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

© 2007, CTA

Тел.: (495) 234 0635

Факс: (495) 232 1653 http://www.cta.ru

О Б З О Р / А П П А Р А Т Н Ы Е С Р Е Д С Т В А

Зона интерфейсов

 

 

 

 

ввода вывода 3

Максимальнодопустимая высота компонентовна плате EPIC 0,435І

допустимаяМаксимальновысота

накомпонентовплате EPIC 0,435І

вводавыводаинтерфейсовЗона 2 — компоненты должнынеобластиэтойв препятствовать разъёмамкподключениямна модуль PC/104

этойвКомпонентыобласти не должны подключениямпрепятствоватьк разъемам модулена РС/104

 

 

Три блока контактов

 

 

 

Область для установки модулей

Зона центрального

расширения EPIC Express

 

процессора

 

и источников

 

питания

 

 

Максимально допустимая

 

высота компонентов

 

на плате EPIC 0,345"

Зона интерфейсов

 

ввода вывода 1A

Зона интерфейсов ввода вывода 1B

 

Рис. 4. Зонирование платы и размещение интерфейсов стандарта EPIC Express

Вглобальной перспективе переход с PCI на PCI Express является логичным следствием перехода с параллельных шин на последовательные, происходя щего в последнее время в промышлен ности. Так, были сделаны замены LPT на USB, IEDE на SATA.

Организация PICMG (www.picmg.org), разрабатывающая стандарты для встраиваемых систем с объединитель ной панелью, давно утвердила несколь ко стандартов, где шина PCI заменена на ту или иную последовательную ши ну: PCI Express, Infiniband, RapidIO и другие.

Вэтой связи появление высокоско ростного последовательного интер фейса в стандарте PC/104 является за кономерным и логичным. Кроме того, необходимо отметить, что консорциум компаний, производящих наиболее «близкий по духу» к PC/104 стандарт одноплатных компьютеров EPIC, уже разработал рабочую версию специфи кации EPIC Express.

Встандарте EPIC предусмотрена возможность установки дополнитель ных карт расширения PC/104 c такими же крепёжными размерами и через те же стандартные разъёмы ISA и PCI. Та ким образом, разработчики систем на базе стандарта EPIC также могут ис пользовать карты клиентских прило жений, производимые большим коли чеством различных компаний, входя щих и не входящих в консорциум PC/104.

Познакомиться с новым стандартом EPIC Express (рис. 4) можно на сайте www.epic express.org. В рабочей версии спецификации EPIC Express шина PCI

заменена на шину PCI Express с раз рядностью в 4 (10 Гбит/с) или 12 (ли ний).

Данное решение представляется ло гичным, поскольку шина, используе мая для обмена данными (PCI), заме няется на более быструю, в то время как шина, используемая для простых задач ввода/вывода (ISA) и сигнализа ции, остаётся без изменений.

СТА 3/2007

Заметим, что первый одноплатный компьютер форм фактора PC/104 с шиной PCI Express — CPC1700 компа нии Fastwel — был разработан согласно тому же принципу. Фактически это СРС1600, у которого разъём PCI заме нён на 4 канала PCI Express. Они могут быть объединены в конфигурацию 1×4 или использованы поодиночке — кон фигурация 4×1.

Таким образом, разработчики ком пактных компьютерных систем полу чают новые встраиваемые платы в сфе ре высокопроизводительных процес соров и быстрых последовательных ин терфейсов обмена данными с перифе рийными платами и модулями.

Использование таких встраиваемых компьютеров и периферии существен но расширит горизонты и позволит создать новые высокоэффективные ре шения для транспорта и приборострое ния, авиации и космонавтики, робото техники и систем обороны.

Автор — сотрудник фирмы ПРОСОФТ 119313 Москва, а/я 81 Телефон: (495) 234!0636 Факс: 234!0640

E!mail: info@prosoft.ru

15

www.cta.ru

© 2007, CTA Тел.: (495) 234 0635 Факс: (495) 232 1653 http://www.cta.ru