4.2. Аппаратная архитектура

Необходимость создания для каждой системы автоматизации уникальной конфигурации разнообразных периферийных устройств ставит на первое место вопрос о принципах их подключения и обеспечении возможности согласованного функционирования. Путь, по которому пошла эволюция систем автоматизации, – модульность с опорой на стандартизацию.

Стандарты плохо растут на пустом месте и в тиши кабинетов. Все начиналось с того, что фирмы-поставщики разрабатывали аппаратуру, ориентируясь на собственные предпочтения и стремясь максимально покрыть потребности разработчиков систем управления только своими продуктами. Это приводило к тому, что заказчик был привязан только к своему поставщику и оказывался перед необходимостью тратить деньги на все новые и новые разработки, даже если его потребности могли быть удовлетворены уже готовой продукцией соседней фирмы, однако продукты разных производителей было невозможно стыковать.

Ситуация радикально изменилась после того, как рынок выявил лидеров, предлагавших достаточно хорошие решения, способных учитывать пожелания других заинтересованных сторон и готовых спонсировать профессиональную деятельность по стандартизации таких некоммерческих организаций, как IEEE, ISO, IEC (МЭК) и ANSI.

Что дают стандарты? Для разработчиков систем автоматизации – это возможность создавать открытые модульные комплексы из готовых программных и аппаратных блоков разных производителей. Выигрывают и поставщики – во-первых, они могут действовать на всем рынке, а не только на своей частной делянке. Во-вторых, они получают доступ к профессионально разработанным спецификациям открытых стандартов, для которых не требуется приобретение патентов и которые не защищены авторским правом.

Успех стандарта не определяется постановлением правительства. Он будет продуктивен при условии, что его поддерживают поставщики, разработчики и потребители. И уж во всяком случае стандарт должен развиваться, отражая постоянно растущий потенциал базовых технологий. В этом плане в области систем управления жизнь кипит: при изобилии стандартов разного уровня идет жесткая конкурентная борьба альтернативных подходов.

4.3. Стандарты шин

По отмеченным причинам одним из основных архитектурных решений для систем промышленной автоматизации является магистрально-модульная архитектура, в которой различные внешние блоки – модули связываются между собой через общую магистраль. Первым из получивших широкое признание международных стандартов на магистрально-модульные системы стал принятый в 1968 году стандарт CAMAC. Сегодня уже очевидно, что большинство разработчиков систем промышленной автоматизации практически отказались от применения нестандартных технических решений (их доля снизилась до 12%), возможно даже в ущерб техническим характеристикам, ориентируясь на стандарты де-факто и де-юре.

4.4. Технологии vme и pci

Технология шины VMEbus зародилась в 1979 году как спецификация компании Motorola и в 1987-88 гг. была признана международным стандартом (IEEE 1014, IEC821). Эта магистрально-модульная архитектура выдержала конкуренцию с Multibus, FUTUREbus+ и, несмотря на почтенный возраст, остается лидером для промышленной автоматизации. По-видимому, успех стандарта VME стал следствием множества факторов.

Технология VME позволяет создавать вычислительные системы в очень широком диапазоне производительности, от настольных компьютеров до многопроцессорных супер-ЭВМ, от простых и дешевых промышленных контроллеров до мощнейших многопроцессорных систем управления десятками тысяч аналоговых и цифровых каналов ввода/вывода. Не претендуя на достижение рекордных показателей, VMEbus обеспечивает наилучшее соотношение цена/производительность для системы в целом и предоставляет хорошие возможности для наращивания ресурсов.

Важным фактором стало то, что продвижением и развитием стандарта VME занимается организованная в 1984 году международная ассоциация VITA – VFEA International Trade Association. Ее основные спонсоры – крупнейшие американские компании Motorola и Sun Microsystems. Членами VITA являются около 100 европейских, американских, азиатских производителей совместимой продукции VMEbus: DEC, HP, Force Computer, Microware, IBM и др.

После официального принятия стандарта заботой комитета стало поддержание жизнеспособности VME в соответствии с быстро меняющимися технологическими условиями. Ввод в строй нескольких расширений и новой версии стандарта для 64-разрядной передачи данных VME64 показал, что потенциал шины VME далеко не исчерпан. Новейшие реализации VMEbus обеспечивают пропускную способность 320 Мбайт/с.

Архитектура VME выросла вокруг семейства Motorola 68xxx, но сейчас имеются VME-реализации для RISC-процессоров, рабочих станций Sun, DEC, HP, SGI, Intel и клона PowerPC.

Технические характеристики VMEbus. Конструктивно в основу VMEbus положен самый популярный механический стандарт – Евромеханика. Конечная система компонуется из функциональных модулей VME, устанавливаемых в крейты, число которых не ограничено. Крейт представляет собой каркас с объединительной магистралью VME, источником питания и вентиляцией. В каждый крейт можно поместить до 21 модуля VME. Модули соединяются через объединительную плату с нормированным волновым сопротивлением и терминаторами на каждой сигнальной линии. В качестве соединителей используются надежные 96-штырьковые разъемы DIN602-3, причем 8- и 16-разрядные модули имеют один разъем, 32/64-разрядные - два.

Сегодня технология VME, кроме основного стандарта VMEbus/VME64, включает несколько расширений.

Технология оперативной замены Live Insertion представляет собой минимальное аппаратное дополнение к стандартным модулям VMEbus, позволяющее беспрепятственно вставлять/вынимать модули из работающей системы. Для реализации горячей замены предложен специальный механизм изоляции модуля от шины.

Широкое распространение получил стандарт измерительных систем VXIbus, который поддерживают более 200 зарубежных фирм, выпускающих свыше 500 типов модулей.

В 1995 году был принят стандарт мезонинных технологий ANSI/VITA 4 на модули IP (Industry Pack).

Для телекоммуникаций предложен стандарт SCSA подшины для обработки цифровой аудио- и видеоинформации в телефонии. VMEbus используется как основная управляющая шина системы, а SCSA P2 – для интерфейса с телефонными цепями.

Работа над спецификацией VME64 уже завершена, хотя отделение VITA по стандартам продолжает уточнять расширения к стандарту VME64, но, по всей вероятности, массовое производство VME-изделий, включающих эти расширения, начнется не раньше 1998-99 г. Сейчас же VME-системы ощущают сильное давление дешевых систем на базе ПК. Однако можно рассчитывать, что после того, как новые расширения VME64 будут освоены на рынке высокопроизводительной аппаратуры, высокая рентабельность VME-систем восстановится. Это подтверждается и тем, что за последний год самые высокие темпы развития в VME-сообществе имели три компании, специализирующиеся на быстрых вычислениях: Mercury, Sky Computers и CSPI.

Шина PCI и ее производные. ПК проектируются для работы в комфортных условиях офиса, и их использование в производственной обстановке зачастую невозможно. С другой стороны, разработчики систем промышленной автоматизации не могут игнорировать продукты, имеющие массовое распространение на рынке и, следовательно, относительно дешевые. Прогресс технологии производства электронных плат сделал выгодным изготовление широкой номенклатуры микросхем В/В в виде кристаллов. Для того чтобы их можно было использовать в промышленных системах, требовалась по крайней мере стандартизация с учетом требований повышенной надежности.

За основу была взята 32/64-разрядная высокопроизводительная шина PCI, локальный интерфейс подсистемы В/В для надплатных расширений активной материнской платы, ставшая стандартом де-факто для современных ПК. Эта шина имеет массу достоинств: она не зависит от типа микропроцессора, может работать с самыми быстрыми из них, имеет большую пропускную способность и аппарат автоконфигурирования устройств В/В. Сейчас PCI активно применяется в VME-компьютерах для подключения периферии.

После доработки, в 1995 году, был выпущен стандарт CompactPCI, основанный на общепринятой технологии создания надежных промышленных модульных систем – пассивной объединительной магистрали [5]. Большое практическое значение имеет тот факт, что любое ПО, работающее на настольных ПК, может быть без изменений перенесено в систему CompactPCI. А программисты, работающие на ПК, но не имеющие дела с аппаратурой, могут быстро скомпоновать систему CompactPCI, установить ОС и сконфигурировать систему в соответствии с реальными потребностями.

CompactPCI стал достойным конкурентом технологии VME. Однако CompactPCI – относительно новый стандарт, и некоторые необходимые функции в нем либо отсутствуют (горячая замена), либо не доведены до кондиций. Кроме того, номенклатура продуктов CompactPCI пока небольшая, особенно в сравнении с рынком VME/ISA-оборудования. Поэтому сейчас следует ориентироваться на связку двух стандартов, используя CompactPCI как недорогую объединительную панель с высокой скоростью передачи данных.