Стандартные будни - № 1/2005 Печать
Статьи - Технологии

Знание истории развития магистральномодульных стандартов и конкурентных преимуществ каждого из них — залог оптимального выбора для построения автоматизированных систем любой сложности
Александр Перевалов.

Выбор технической платформы определяет функциональную эффективность АСУ ТП, ее надежность, долговечность, затраты на создание, обслуживание и проведение ремонтных работ

В настоящее время на мировом рынке встраиваемых компьютерных технологий (ВКТ) представлена продукция множества компаний, производящих оборудование различных стандартов и формфакторов. Наиболее низкий ценовой сегмент на этом рынке занимают азиатские производители, предлагая оборудование, идентичное по характеристикам европейскому, а иногда и превосходящему его по различным параметрам, по значительно более низким ценам. Оборудование тех же стандартов европейских и американских сборок, как правило, занимает верхний ценовой диапазон. Это противостояние создает на рынке такую ситуацию, когда покупателю при выборе оборудования приходится полагаться в основном на квалификацию продавца. Хотя расплачиваться за приобретенное остается исключительно прерогативой купившего.

Потребителя ставит в тупик, например, зрительное и описательное отсутствие различий в двух платах с одинаковыми техническими характеристиками, но с более чем двукратной разницей в цене. В чем причина такого ценового перепада? Какую из предлагаемых плат выбрать для реализации своего решения?

Ответы на эти вопросы просты и известны. Производство любой компьютерной платы включает в себя процесс разработки и производства. Производство — максимально автоматизированный процесс, который, как правило, выполняется компанией подрядчиком, обычно специализирующейся в узкой технологической области и работающей исключительно в ее рамках. Таким образом, процесс выпуска нового оборудования компанией разработчиком сводится к проектированию, и именно компетенция разработчика определяет стоимость продукта, его надежность, соответствие стандартам и т. д.

В результате, продавая оборудование, компания производитель торгует главным образом своими высокими интеллектуальными достижениями и опытом, создавая возможность таких технических чудес, как отсутствие гарантийных случаев, поддержка широких температурных диапазонов (например,от 55 до +125 С), величина MTBF (среднее время наработки на отказ, которое просто не присутствует в технической документации многих производителей) — 100 тыс. часов.

Покупателю такой наукоемкой продукции также нелишне поинтересоваться количеством выпущенных прототипов той или иной модели оборудования и историей фирмы производителя.

Формфакторы оборудования развивались в ответ на появляющиеся запросы промышленного рынка, создавая множество решений и стандартов, которые, являясь внутрифирменными, со временем отмирали либо перерастали в общие открытые стандарты и поддерживались в дальнейшем другими производителями. Формфакторы, как правило, обусловливали применимость оборудования и его «направленность». Поэтому, выбирая формфактор для своей задачи, обычно руководствуются назначением оборудования.

При разработке стандарта учитываются все самые мелкие подробности, которые могут всплыть при эксплуатации оборудования (довольно часто о большинстве этих подробностей не подозревают ни компании-дистрибьюторы, ни конечные потребители оборудования). Поэтому, используя неспециализированный формат, потребитель рискует встретить неожиданности как в его работе, так и в работе самого оборудования, что категорически неприемлемо в энергетике, нефтегазовой промышленности, телекоммуникациях, промышленной автоматизации и в оборонных приложениях.

Краткий обзор существующих стандартов и их история, приведенные в статье, надеюсь, помогут при выборе или разработке оборудования.

Стандарт VME

Более чем 30-летний опыт развития индустрии микроконтроллеров показывает, что наибольшим успехом на рынке пользуются решения, базирующиеся на открытых (не частнофирменных) стандартах. Такие спецификации поддерживаются большим количеством производителей, и документация на них является либо свободной, либо доступной за очень умеренную плату. Ярким примером этому является стандарт VMEbus, обладающий 24-летней историей развития иконкурентной борьбы на рынке.

Выбор технической платформы определяет функциональную эффективность АСУ ТП, ее надежность, долговечность, затраты на создание, обслуживание и проведение ремонтных работ

Всем известный сегодня термин «VME» произошел от VERSAmoduleEurocard. Так был назван стандарт (спецификация VMEbus revison A), разработанный группой производителей магистрально-модульной аппаратуры в 1981 году. В их число входили компании Motorola CG, Mostec и Signetics. Представители этих фирм объединили свои усилия с целью создания документа, который позволил бы различным производителям разрабатывать изделия целиком или частями с полной совместимостью между собой. В результате появилась на свет известная всему миру архитектура VME. Окончание bus («шина») является универсальным термином, обозначающим компьютерный информационный канал обмена — так и возникло название VMEbus. В своем первоначальном варианте архитектура VMEbus была комбинацией электрического стандарта VERSAbus и стандарта на механический конструктив, или формфактор Eurocard («Евромеханика»).

Создатели архитектуры VMEbus поставили перед собой задачу разработать новую шину, полностью независимую от типа используемого микропроцессора, с возможностью простого увеличения емкости информационных каналов от 16 до 32 бит, опирающуюся на надежный механический стандарт и позволяющую независимым поставщикам создавать совместимые продукты. Шина была объявлена открытой, что стимулировало разработку оборудования, совместимого с новой стандартной архитектурой, третьими фирмами. Любой производитель мог выпускать продукцию без привлечения инвестиций или лицензирования.

За свой долгий век спецификация VME претерпела множество усовершенствований: revision B, C, C.1, IEC821, IEEE 10141987 и ANSI/VITA 11994. Стандарты ANSI, VITA, IEC и IEEE чрезвычайно важны, потому что они определяют технический и общественный статус спецификации VMEbus. Так как этот стандарт не защищен его создателями в качестве объекта интеллектуальной собственности, производителям и пользователям аппаратуры на его основе не нужно беспокоиться о том, что их продукция окажется зависимой от одного производителя как от законодателя мод.

На текущий момент подавляющее большинство VME-решений базируется на процессорах PowerPC и Pentium M, осуществлен полный переход на внутреннюю PCI-архитектуру (до PCIX 64 бит/133 MГц). Существенно растет системная производительность, происходит плавный переход на блочные 2eSST-передачи. Потолок шины сегодня 320 Mб/с. Производится адаптация последовательных, внутрикрейтовых коммуникаций на базе Ethernet, RapidIO, Infiniband, PCI-Express-технологий поверх VME. Общепринятого стандарта пока нет. Проекты VITA41 и VITA46 — в работе.

Современный рынок сбыта VMEрешений: более 60 % — военные (особенно бортовые) системы; более 20 % — сложные (бортовые и наземные) системы в управлении движением транспорта, в том числе авиационного; остальной рынок — ответственные и/или уникальные промышленные системы.

VME позиционируется как консервативная технология для встраиваемых военных и специальных систем, преимущественно жесткого реального времени в мультимашинных комплексах. В ближайшем будущем этот стандарт продолжит свое плавное развитие и останется максимально независимым от офисных изменений в качестве технологии для систем с длительным жизненным циклом. Хотя на ответственных гражданских рынках основная масса пользователей переходит на CompactPCI-системы.

Решения в формате PC/104

Еще одним стандартом де-факто стала спецификация PC/104 (104 — число контактов в 16-разрядной шине ISA) компании Ampro, разработаннаяв 1987 году. Изначально Ampro использовала ее как шину расширения для своих одноплатных компьютеров с помощью малогабаритных плат, получивших название MiniModule. В дальнейшем спецификация PC/104 получила статус стандарта (IEEE996.1).

В начале 90-х годов архитектура персонального компьютера стала признанной платформой и шагнула далеко за пределы настольного применения. При введении стандарта на аппаратную и программную части для широко распространенной PC-архитектуры разработчик встроенных систем может значительно уменьшить стоимость, риск и время проектирования, поскольку для персональных компьютеров разработано большое количество прикладного программного обеспечения, а архитектура таких компьютеров хорошо известна.

Выбор технической платформы определяет функциональную эффективность АСУ ТП, ее надежность, долговечность, затраты на создание, обслуживание и проведение ремонтных работ

Быстрая разработка ПО и использование готовых PC-модулей позволяет экономить средства при создании систем, быстрее выходить на рынок сновыми продуктами, повысить универсальность электронных изделий и обеспечить их быструю модернизацию. Всеми вышеперечисленными преимуществами обладают решенияв формате PC/104. К тому же ультракомпактный формфактор (90 х 96 мм) и малое потребление энергии модулей позволяют применять их во встраиваемых системах как военного, так и гражданского назначения.

В конце 1996 года компании Ampro и Motorola анонсировали дополнение шины PC/104 шиной PCI. Новая спецификация, получившая название PC/104+, обеспечивает полную совместимость со старыми изделиями в стандарте IEEEP996.1 (PC/104) и была одобрена подавляющим большинством членов консорциума PC/104 в феврале 1997 года.

В настоящий момент технологии PC/104+ не развиваются, идет только процесс совершенствования конкретных изделий (применение семейства Pentium M — уже реальность).

Стандарты PICMG х.хх

Промышленные стандарты на компьютерные архитектуры появляютсяне только де-факто из уже разработанных спецификаций. В 1994 годубыла создана ассоциация PICMG (PCIIndustrial Computer ManufacturersGroup) с целью выработки спецификаций для компьютерных технологий, используемых в промышленных, военных и телекоммуникационных приложениях. Ассоциация включает несколько основных групп участников:

  • крупные производители компьютерной техники и ПО (SUN, IBM, Hewlett Packard, Microsoft);
  • производители телекоммуникационного оборудования (Lucent Technologies, Siemens AG, Motorola и ряд других);
  • компании-лидеры, производящие аппаратуру на основе современных магистрально-модульных стандартов (Kontron, Force, VMIC, SBS, и др.);
  • небольшие start-up-компании, заинтересованные в продвижении собственных новейших разработок.

Главное направление деятельности ассоциации — перенос компьютерных технологий, отработанных на массовом рынке, на другие сегменты, предъявляющие гораздо более серьезные требования к надежности, условиям эксплуатации и времени использования техники. В настоящее время консорциум PICMG объединяет более 450 компаний и определяет развитие современных технологий PCI/CompactPCI/AdvancedTCA для разработок промышленных компьютеров, интерфейсов, объединительных магистралей,организации систем.

Первым детищем консорциума PICMG является опубликованная в феврале 1994 года спецификация промышленного компьютера, получившая название PICMG 1.0, на основе пассивной PCI-магистрали с использованием одноплатных компьютеров/контроллеров в стандартном офисном механическом формате, устанавливаемых в специальное гнездо PCI & ISA (в сущности, стандартизации был подвергнут только формат одноплатного контроллера). Он поддерживает работу ввода/вывода как через интерфейс PCI, так и через ISA. Такой компьютер обычно имеет пассивную магистраль для установки 4—12 плат ISA и 4 плат PCI офисного формата в соответствии с PCI rev.2.0.

Полная или частичная совместимость по всем классам может быть осуществлена при следующих подходах:

Безусловно, можно было специфицировать такой компьютер и без ISA-расширений, но нельзя было не учитывать большого парка готовых ISA-плат, предлагаемых на рынке. Действительно, параметры надежности этих промышленных компьютеров выше, чем у настольных. Хотя по сравнению с выполненными в наиболее популярном в промышленном мире формфакторе (механическом конструктиве) — «Евромеханике» — их лучше именовать полупромышленными.

Дальнейшим развитием стандарта PICMG 1.0 является спецификация PICMG 1.2 (другое название — ePCIX). В данной спецификации устаревшаяшина ISA заменена на вторую (функционирующую независимо от первой) шину PCI. В настоящее время готовится к изданию спецификация PICMG 1.3 уже на базе шины PCI-Express.

В начале 1995 года в рамках PICMG по инициативе компании Ziatech была сформирована рабочая группа из представителей компаний Ziatech, DEC, AMP, Prolog, GESPAC, Force Computers, ERNI, VMIC, IBM, Texas Microsystems и некоторых других, целью которой стало изучение возможности использования PCI в качестве системной широковещательной шины, пригодной для создания широкого класса надежных промышленных, военных, коммуникационных и графических встраиваемых приложений.

Основополагающие принципы разработки новых решений:

  • Использование широкодоступных недорогих стандартных полупроводниковых PCI-компонентов, имеющихся на рынке в огромном количестве.
  • Стопроцентная логическая и электрическая совместимость с PCI v2.1 консорциума PCISIG.
  • Использование стандартного промышленного формфактора 3U/6U.
  • Поддержка не менее 8 слотов расширения на пассивной объединительной магистрали PCI — то есть, как минимум удвоенного по сравнению с офисной версией шины PCI количества слотов расширения.
  • Обеспечение эффективного конвекционного охлаждения.
  • Обеспечение возможности использования ключевых мезонинных технологий гибкого ввода/вывода: IndustryPack и РМС.
  • Возможность горячей замены модулей ввода/вывода.
  • Создание открытого (не частнофирменного!) стандарта, с самого начала поддерживаемого группой компаний-производителей.
  • Создание высоконадежного промышленного стандарта, обеспечивающего очень высокие характеристики цена/производительность/надежность для конечных прикладных промышленных и коммуникационных систем по сравнению с устаревшими технологиями промышленных РС на основе шины ISA.

Стандарт CompactPCI

1 ноября 1995 года была представлена спецификация версии 1.0 нового стандарта, получившего название CompactPCI. Практика доказала реальную жизнеспособность стандарта. Достаточно сказать, что на рынки CompactPCI-компонентов для ОЕМ и системной интеграции вышли крупнейшие американские и европейские компании — производители открытых встраиваемых технологий: Motorola, SUN, Force, DEC, VMIC, PEP ModularComputers (сейчас входит в холдинг Kontron AG), SBS Green Spring Modular I/O, National Instruments и многие другие известные в мире компании.

Выбор технической платформы определяет функциональную эффективность АСУ ТП, ее надежность, долговечность, затраты на создание, обслуживание и проведение ремонтных работ

На Ганноверской выставке 1998 года даже тайваньские производители промышленных компьютеров, традиционно занимающие на международном рынке нишу простейших промышленных решений, объявили о начале собственных разработок в стандарте CompactPCI. Одним из главных достоинств стандарта является процессорная и программная независимость (применяется широкий спектр процессоров различных архитектур, может использоваться любая ОС как общего назначения, так и реального времени).

В настоящий момент происходит плавное развитие стандарта. Существенных системных изменений не произойдет. Большинство приложений будут ориентированы на Windows и Linux. Некоторые — на высокоразвитые ОСРВ класса LynxOS, QNX, Infinity…CompactPCI будет эффективен для ответственных систем промышленного и оборонного назначения еще не менее 7—10 лет, как правило, одно или мультимашинных с внутрикрейтовым расширением Ethernet PICMG 2.16 или PCIExpress.

Стандарт AdvancedTCA

C подавляющего большинства гражданских рынков средств связи и телекоммуникаций CompactPCI уйдет в ближайшие 3—5 лет, уступив свое место новейшим системам на базе стандарта AdvancedTCA.

Стандарт Advanced Telecommunications Computing Architecture (АТСА) определяет новый системный формфактор, разработанный специалистами PICMG. Его создатели преследовали сразу несколько целей, главной изкоторых было создание условий для быстрого построения мультисервисных систем операторского класса, включая вычислительные и коммуникационные продукты, рассчитанные на широчайший спектр прикладных задач. Основополагающие принципы стандарта:

  • Наращиваемость пропускной способности до 2,5 Тб/с на одно шасси благодаря центральному концентратору, связанному со всеми слотам и посредством коммутируемых соединений с топологией типа «звезда» или «полносвязная ячеистая сеть».
  • Возможность выбора между резервированием всех основных подсистеми отсутствием резервирования. Первое необходимо оборудованию операторского класса, имеющему коэффициент готовности 99,999 % и выше. Второе имеет смысл для снижения стоимости систем, рассчитанных на менее требовательные приложения.
  • Модульность систем и большая свобода действий по их конфигурированию, позволяющая использовать в одном аппаратном блоке модули с интерфейсами разных типов и разным функциональным назначением (накопители, обычные и сетевые процессоры, DSP-устройства), подстраивая базовую платформу под требования различных практических задач.
  • Длительный срок службы компонентов, усовершенствованные подсистемы охлаждения и распределения питания плюс соответствие требованиям общепризнанных промышленных стандартов (NEBS).
  • Наличие спецификаций для многих межсоединительных технологий: Ethernet (Gigabit Ethernet), PCI-Express и др.

В результате получился стандарт, обладающий несомненными преимуществами над всеми своими предшественниками (CompactPCI и др.). В АТСА поддерживаются жесткие требования NEBS и много внимания уделено тому, что нужно для достижения высокой готовности оборудования. Благодаря усовершенствованной схеме распределения питания и возросшей потребляемой мощности в расчете на один слот (до 200 Вт) разработчики теперь могут реализовывать большую функциональность и получать более высокую производительность в тех же физических объемах пространства.

Выбор технической платформы определяет функциональную эффективность АСУ ТП, ее надежность, долговечность, затраты на создание, обслуживание и проведение ремонтных работ

Позволяя размещать на платах больше функциональных компонентов, новый стандарт допускает объединение технологий и модулей разных типов на базе одной аппаратной платформы и использование этой платформы для решения самых различных прикладных задач. Кроме того, в АТСА предусмотрена поддержка тыльных модулей, благодаря которым можно подключать интерфейсные кабели со стороны задней панели и реализовывать дополнительные функциональные возможности в тех же системных слотах.

Сможет ли стандарт ATCA убедить мир отказаться от частнофирменных телекоммуникационных систем и перейти на оборудование с открытой архитектурой? Эксперты компании Artesyn отвечают на этот вопрос утвердительно. По их мнению, ATCA получит весьма широкое распространение и станет для телеком-отрасли настоящей технологией-киллером.

На рынке представлены множество стандартов и формфакторов, не нашедших отражение в статье. Однако основные принципы, заложенные в них, как правило, представляют собой либо модификации, либо гибридные формы, отвечающие каким-либо рыночным секторам и действующие по общим принципам.

Развитие компьютерных технологий стимулирует создание все новых и новых спецификаций, которые со временем становятся стандартами, обеспечивающими прогрессивные решения, направленные в будущее.

 
« Пред.

Архив журнала

Год 2017:


Год 2016:


Год 2015:


Год 2014:


Год 2013:


Год 2012:


Год 2011:


Год 2010:


Год 2009:


Год 2008:


Год 2007:

Год 2006:

Год 2005:

AdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisement
AdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisementAdvertisement

© 2018, Мир Автоматизации. Издательский Дом "ПРОФИТ". ООО "Издательский Дом "ПРОФИТ". Все права защищены.