eng
Для многих технических приложений встраиваемые системы стандарта PC/104 в последнее время утратили свою конкурентоспособность на фоне более производительных решений. Вместе с тем, конструктивные параметры форм-фактора PC/104 остаются привлекательными для создания широкого спектра оборудования, в том числе бортового - наземных и подводных роботизированных систем, беспилотных летательных аппаратов, а также средств промышленной автоматизации. Поэтому вполне логичной явилась адаптация спецификации PC/104 под современные требования путем использования в ней интерфейса PCI Express.
Для многих технических приложений встраиваемые системы стандарта PC/104 в последнее время утратили свою конкурентоспособность на фоне более производительных решений. Вместе с тем, конструктивные параметры форм-фактора PC/104 остаются привлекательными для создания широкого спектра оборудования, в том числе бортового - наземных и подводных роботизированных систем, беспилотных летательных аппаратов, а также средств промышленной автоматизации. Поэтому вполне логичной явилась адаптация спецификации PC/104 под современные требования путем использования в ней интерфейса PCI Express.
Новые стандарты
Идея модернизации интерфейсных каналов PC/104 сравнительно давно витала в воздухе, однако ее массовому внедрению препятствовало отсутствие официальной документации. Но ситуация изменилась после того, как 24 марта 2008 года Консорциум PC/104 принял спецификации PCI/104-Express и PCIе/104 [1, 2]. Это событие стало результатом усилий 22 компаний, входящих в консорциум, в том числе и российской фирмы Fastwel.
Однако заметим, что из-за задержки с разработкой спецификации появился альтернативный подход. Его продвигает созданная в сентябре 2007 года некоммерческая промышленная группа The Small Form-Factor Special Interest Group (SFF-SIG), насчитывающая 18 компаний, в том числе VIA Technologies, Kontron, Samtec, Octagon Systems, WinSystems, Tri-M Systems and Engineering, Portwell, VersaLogic Corporation, Diamond Systems, Seco. Некоторые члены группы SFF-SIG одновременно являются и участниками Консорциума PC/104, например, фирмы Kontron, Samtec, WinSystems, VersaLogic Corporation, Diamond Systems. В апреле 2008 года SFF-SIG, вдогонку за Консорциумом PC/104, официально представила свою спецификацию Express104 [3], которая затем была модифицирована и августе 2009 года официально получила наименование SUMIT-ISM [4]. Рассмотрим некоторые детали этих спецификаций с учетом их важности для дальнейшего совершенствования встраиваемых решений в форм-факторе PC/104.
Одно из основных различий новых стандартов - число и тип используемых интерфейсов. Все новые спецификации в той или иной мере сохранили преемственность по отношению к предшествующим стандартам PC/104, а также полную совместимость с ними по габаритам плат (90,17×95,89 мм) и отдельно взятым разъемным соединениям. Консорциум PC/104 в своих разработках основной упор сделал на создание высокопроизводительных решений. Понятно, что в такую концепцию не вписывалась устаревшая шина ISA, поэтому новый разъем для интерфейса PCI Express было решено разместить на месте прежнего контактного соединения шины ISA. Разъем же для шины PCI остался как дополнительная опция, если на плате нужно высвободить дополнительное место, его можно не устанавливать. В итоге, согласно эволюционной схеме (рис.1), стандарт PCI/104-Express в его последней версии поддерживает как интерфейсы PCI Express, так и шину PCI, тогда как на платы PCIe/104 устанавливают только разъемы PCI Express.
Логика разработок группы SFF-SIG первоначально опиралась на поддержку совместимости с предшествующим поколением уcтройств, в результате чего в версии 1.0 спецификации Express104 сохранился разъем шины ISA, тогда как для размещения нового интерфейса PCI Express пришлось пожертвовать разъемом PCI. В модулях предполагалось устанавливать либо разъемы ISA и нового интерфейса SUMIT, содержащего PCI Express (рис.2а), либо лишь разъемную группу SUMIT AB (рис.2б).
Однако вскоре представители фирмы Diamond Systems предложили дополнить спецификацию Express104 еще одним модулем, который, аналогично идее консорциума PC/104, содержал бы разъем PCI [5]. Это решение было поддержано участниками группы SFF-SIG в новой спецификации SUMIT-ISM, где оно представлено в качестве модуля второго типа (рис.2в). Отличительной особенностью нового модуля является размещение интерфейса с PCI Express на месте прежней шины ISA, а также выполнение крепежных отверстий по удлиненной форме для обеспечения совместимости с модулями прежнего стандарта PC/104.
Из рис.1 и 2 следует, что на основе модулей PCIe/104 можно создать адаптеры для сопряжения устройств стандартов Консорциума PCI/104 и группы SFF-SIG, благо разъемы PCI Express расположены в них в разных частях плат. 20 августа 2008 года была запатентована соответствующая схема размещения соединителей в интеграционном модуле [6] (рис.3). Как видно, в северной части адаптерной платы размещаются разъемы группы SFF-SIG, а в южной - разъем PCI Express спецификации PCIe/104. Подобные решения на рынке средств автоматизации еще никем не анонсировались, но их появление вполне логично в случае успешного развития изделий PCI/104-Express, PCIe/104 и SUMIT-ISM, что, в частности, подтверждает публикация специалистов фирмы Diamond Systems [5].
Разъемные соединители
Поскольку разъемные соединения являются отличительными элементами модулей новых стандартов в формате PC/104, рассмотрим их подробнее. Примечательно, что во всех новых спецификациях используются разъемы одной и той же американской фирмы Samtec. При их разработке конструкторы, , ориентируясь на грядущее внедрение интерфейса PCI Express 2.0, приложили максимум усилий для достижения таких важных параметров разъема, как работоспособность в жестких условиях эксплуатации; оптимизация размеров соединителя под высоту стойки архитектуры РС/104 (15,24 мм в состыкованном состоянии); способность передачи данных по шине PCI Express с высокой скоростью при большой высоте стековой сборки модулей.
Истоки соответствующих технических решений для новых разъемов берут начало в патентах [7, 8], в которых представлены конструкции соединителей, наиболее близкие по отношению к использованным в спецификациях PCI/104-Express, PCIe/104 и Express104 (рис.4). Отличительная особенность соединителей - расположение контактных групп по двухрядной схеме. Чтобы снизить взаимное влияние в каждой паре противоположных рядов контактов, вдоль продольной оси разъема проходит ножевая контактная пластина, выполняющая роль электромагнитного экрана.
В стандартах PCI/104-Express и PCIe/104 используются разъемы, отличающиеся от описанных в патентах [7, 8] числом контактных секций: в документации PCI/104-Express и PCIe/104 применяются двухрядные разъемы типа QMS (ASP-129637-03) и QFS (ASP-129646-03), содержащие три секции по 52 контакта в каждой (рис.5), всего 156 контактов.
Диапазон рабочих температур разъемов - от -55 до 125°С. Спецификация [2] допускает до 50 циклов стыковки, после которых гарантируется сохранение импеданса контактной пары, а при ограничении скорости стыковки - до 100. Однако такие значения - явная перестраховка, поскольку в спецификации Express104, использующей аналогичные разъемные соединители, допускалось до 1000 циклов стыковки. Разъемы серий QMS и QFS выдерживают ударные воздействия длительностью до 6 мс с ускорением 100 g, а также вибрацию с ускорением 7,56 g при частоте 50-2000 Гц (требования стандарта EIA-364-28) [9]. Взаимная развязка сигналов между соседними контактами составляет -45 дБ на частоте 1,25 ГГц и -35 дБ на частоте 5 ГГц, что позволяет использовать их для передачи дифференциальных сигналов PCI Express 2.0.
Разъемы QMS и QFS стандартов PCI/104-Express и PCIe/104 содержат четыре отдельных линии x1 PCI Express; линии группового канала x16 PCI Express, а также шины питания +3,3, +5, +12 В, сигналы управления питанием (Power OK и др.); шину системного менеджмента (System Management Bus, SMBus) (рис.6). Линия синхросигналов, которая обычно не используется, реализована в спецификации PCI Express на случай необходимости синхронизации нескольких устройств. Ее тактовая частота равна 100 МГц.
Максимальная токовая нагрузка для продольной ножевой пластины, используемой в PCI/104-Express и PCIe/104 для подачи напряжений питания, не должна превышать 8,4 А. В отношении остальных контактов этот параметр снижен до 1,8 А с 20%-ным резервированием при температуре 85°С.
Подробно электрические параметры модуля PCI/104-Express, в том числе предельно допустимая рассеиваемая мощность, представлены в таблицах 1-3.
Соединитель обеспечивает подвод одного группового канала (линка) из 16 линий (lane) PCI Express (x16). Теоретически его пропускная способность (8 Гбайт/с) в 60 раз выше, чем у 32-разрядной шины PCI 33 МГц. Групповой канал допускает переформатирование в пару каналов по 8 линий PCI Express (x8) или конфигурацию в виде двух каналов x4 PCIe (табл.4). Кроме того, на его основе можно реализовать два последовательных интерфейса SDVO (Serial Digital Video Output) для передачи графических данных (табл.5).
В спецификациях Консорциума РС/104 привлекает продуманная многовариантность использования группового интерфейса x16 PCIe, которая зависит от центрального процессора и чипсета. Достаточно перспективно применение данного интерфейса для решения задач многоканального обмена данными со скоростью 10 Гбит/с. Так, в работе [10] в качестве примера рассмотрен модуль трехпортового коммутатора 48 линий PCIe, позволяющего коммутировать сигналы канала x16 PCIe как единого интерфейса (рис.7).
Особенность конструктивного исполнения сборных устройств формата PC/104-Express - ограничение на местоположение процессорного модуля в стеке. Из-за высоких частот сигналов, используемых в PCI Express, стандарт рекомендует располагать модуль хост-процессора либо вверху, либо внизу стека (рис.8). Размещение периферийных модулей одновременно сверху и снизу процессорной платы не рекомендуется. Если проектировщик применяет процессорный модуль, который по своим габаритам выходит за размеры форм-фактора PC/104, то его следует располагать в основании стека.
Возможность применения процессорных модулей, выходящих за габариты формата PC/104, обусловлена тем, что исторически появлению стандарта PCI/104-Express предшествовала отработка основных его аспектов в рамках спецификации EPIC Express [11]. Однако абсурдность ситуации в том, что новые спецификации не сохранили преемственность по отношению к цоколевке разъема мезонина PC/104 EPIC Express (рис.9). В частности, в принятом ранее стандарте EPIC Express [11, 12] используется иной тип трехсекционных разъемов той же фирмы Samtec, по 40 контактов в каждой секции, содержащих в общей сложности 120 контактных соединений. Идеология распределения сигналов в них более близка к концепции, принятой группой SFF-SIG. В частности, центральные ножевые пластины соединителя используются для заземления, а не подачи питающих линий, как это сделано в спецификациях Консорциума PC/104.
В отношении конструктивного исполнения разъема SUMIT AB (рис.10) группы SFF-SIG доступные источники информации дают неоднозначное толкование. Так, судя по спецификации SUMIT-ISM [4], соответствующая контактная группа должна состоять из двух разъемов А и B, которые на приведенных на рис.2 - 4 схемах выглядят как два самостоятельных соединителя. В то же время в описании разъемов серий QMS, QFS, приводимых компанией Samtec, для спецификации SUMIT (Stackable Unified Module Interconnect Technology) указаны разъемы ASP-129637-02, ASP-129646-02, являющиеся полным аналогом двухсекционных запатентованных конструкций (см. рис.4). Вполне очевидно, что, с технологической точки зрения, использование раздельных 52-контактных групп, например типа ASP-129637-01, ASP-129646-01 компании Samtec, усложняется из-за необходимости прецизионной их ориентации при монтаже на плате модуля. В случае спаренных секций типа ASP-129637-02, ASP-129646-02 эта проблема стоит менее остро благодаря монолитному корпусу соединителя. По этой причине решение с использованием 104-контакных разъемов ASP-129637-02, ASP-129646-02 было бы предпочтительнее пары отдельных 52-контактных соединителей. Впрочем, применение автоматизированных средств монтажа электронных компонентов на печатные платы делает указанную проблему надуманной, и выбор в утвержденной спецификации SUMIT-ISM топологии с двумя отдельными односекционными разъемами может быть продиктован иными соображениями.
Соединитель SUMIT-А содержит лишь одну линию x1 PCI Express, три быстродействующих интерфейса USB 2.0, LPC-шину, шины SPI/uWire и SMBus. Второй соединитель, SUMIT-B, поддерживает еще один дополнительный канал x1 PCI Express, а также групповой канал из четырех линий PCI Express (x4), которые также могут использоваться как независимые линии x1 PCI Express. Кроме того, через данный соединитель организуются дополнительные шины заземления, сигналы управления и напряжения питания. Допустимые токовые нагрузки по разъемам SUMIT-ISM приведены в табл.6.
Существенно, что основным типом питающего напряжения является 5 В.
Готовые решения
Сегодня на рынке устройства новых стандартов преимущественно соответствуют спецификациям Консорциума PCI/104. Ассортимент изделий в стандарте PCI/104-Express довольно обширен. Все их многообразие условно можно классифицировать по назначению на процессорные модули, модули ввода-вывода, сетевые и графические адаптеры, модули питания.
Так, фирма Connect Tech's (www.connecttech.com) представила первую в мировой индустрии многоканальную плату последовательных интерфейсов RS-232/422/485 в стандарте PCI/104-Express, получившую название Xtreme/104-Express. Плата содержит восемь высокоскоростных последовательных портов со скоростью передачи данных до 3,9 Мбит/с. Сигналы во всех портах фильтруются для повышения устойчивости к помехам и шуму. В рамках интерфейса RS-485 возможна реализация полнодуплексного режима с управляемым переходом в три состояния.
Американская фирма RTD Embedded Technologies на начальном этапе освоения спецификации PCI/104-Express использовала в своих модулях лишь по одной линии x1 PCI Express. При этом разъем шины PCI Express в них фактически простаивает, что напоминает пресловутую ситуацию, когда "микроскопом пытаются забивать гвозди". Среди такого рода устройств следует отметить 3-ваттный сетевой модуль CM9222ER (www.rtd.com/PC104/UM/network/cm9222.htm) по цене 395 долл., содержащий два канала 1 Гбит/с Ethernet (и это при том, что рынок давно перегрет ожиданиями аналогичных устройств с каналами 10 Гбит/с Ethernet). Вполне очевидно, что такой простой набор параметров предпочтительнее было бы реализовать в модулях второго типа стандарта SUMIT-ISM, предусматривающих поддержку шины PCI.
В то же время, заслуживает внимания разработка данной фирмой модуля периферийного питания ATX104HR-Express мощностью 88 Вт, способного работать в диапазоне температур -40...85°C.
Более продвинутые решения серийно производит фирма Digital-Logic. В ассортименте ее продукции, например, 4-портовый сетевой модуль 1 Гбит/с Ethernet MSM4E104EX (рис.11). Достаточно интересными решениями является захватчик кадров по выходам 16 видеоканалов (модуль MSMG104EX), а также источники вторичного питания.
Digital-Logic - первый производитель, предложивший рынку процессорный модуль MSM945P стандарта PCI/104-Express на основе двухъядерного процессора Intel Core 2 Duo с тактовой частотой 1,6 ГГц, а также плату MSM200XP с центральным процессором Intel Atom Z530 (тактовая частота 1,6 ГГц). Рассеиваемая мощность MSM200XP - около 6 Вт, вес 120 г, расширенный диапазон рабочих температур (-40...85°С), стоимость в партии свыше 100 шт. - от 364 евро. В будущем линия модулей PCI/104 Express от Digital-Logic будет расширена путем создания SATA-адаптеров и других устройств.
Аналогичные процессорные решения в индустриальном диапазоне температур от -40 до 85°С на базе процессора Atom Z520PT (1,33 ГГц) продвигает немецкая фирма Electronic Equipment Produktion & Distribution (www.eepd.de). Соответствующий модуль PROFIVE M2 CPU [13] поддерживает до 1 Гбайта ОЗУ DDR2 с тактовой частотой 533 МГц, до четырех линий PCI Express, 6 портов USB 2.0, Gigabit Ethernet, 32-разрядную шину PCI.
Более выигрышными характеристиками обладает плата Cool XpressRunner-GS45 в формате PCI/104-Express с процессором Intel Core 2 Duo и чипсетом Montevina другой немецкой компании - LIPPERT Embedded Computers (http://www.lippertembedded.com) (рис.12) [14]. Примечательная особенность платы - реализация поддержки пакетного режима передачи данных по групповому каналу из х16 PCI Express. Сегодня на рынке промышленной автоматизации такой возможностью обладают немногие устройства, в основном спецификации VPX. В то же время модуль не позволяет передавать данные по сети Ethernet со скоростью 10 Гбит/с (он оснащен интерфейсом 1 GB Ethernet), что требует подключения дополнительного модуля с соответствующей пропускной способностью для передачи данных внешним устройствам. Cool XpressRunner-GS45 содержит интегрированный графический контроллер VGA, поддерживающий разрешение 1600×1200 пикселов, 8 портов USB 2.0, Gigabit LAN, 2 разъема SATA, 1 разъем 32-бит PC/104-Plus и разъем PC104-Express.
Что касается серийных процессорных модулей в классе SUMIT-ISM, то первыми к их поставке на мировой рынок приступили компании ADLINK и VersaLogic. К примеру, одноплатный процессорный модуль фирмы ADLINK Technology (www.adlinktech.com) CoreModule 730 содержит процессор Intel AtomT Z530/Z510 (рис.13) [15]. Аналогичные модули ввода-вывода производит компания WinSystems.
В заключение отметим, что разработчики новых спецификаций форм-фактора PC/104 потратили немало усилий, чтобы сделать их привлекательными для потребителей. Возможности спецификаций позволяют беспрецедентно гибко подходить к проектированию и подбору мезонинных модулей. Мосты PCI Express, высокоскоростные соединения и их вариативность, обратная совместимость с предшествующими стандартами, высокие показатели ударопрочности и вибростойкости открывают простор для широкого использования таких устройств в самых разных задачах.
Литература
1. What is PCI/104-Express? - PC/104 Embedded Consortium. www.pc104.org/pdfs/What_is_PCI104_Express.pdf.
2. PCI/104-Express & PCIe/104 Specification Including Adoption on 104, EPIC and EBX Form Factors. Version 1.0. - PC/104 Embedded Consortium, March 24, 2008.
3. Express104 Specification. Revision 1.0. - Small Form Factor Special Interest Group, April 5, 2008.
4. SUMIT IndustryStandard Module (SUMIT-ISM) Specification. Revision 1.0. - Small Form Factor Special Interest Group, August 25, 2009.
5. Jonathan Miller and Rick Lehrbaum. Toward a Unifed Framework for Embedded Modules. - RTC Magazine, June 2009, p.12-17.
6. Патент Украины на полезную модель № 38252. Опубликован 25.12.2008, бюл. № 24.
МПК (2006) G 01S 13/00, G 01S 7/02, H 02K 15/00.
7. US Patent 7165994. H01R 13/648. Publication Date 11/25/2004.
8. US Patent 20070042619 A1. H01R 13/648. Publication Date 02/22/2007.
9. QFS/QMS - Product Specification. - Samtec. www.samtec.com/ftppub/prodspec/qms-qfs.pdf.
10. Jim Blazer. An inside look at PCI/104-Express. - PC/104 and Small Form Factors, June 16, 2008. www.smallformfactors.com/articles/id/?3352.
11. The EPIC Express Specification: Stackable PCI Express Expansion for EPIC, The Embedded Platform for Industrial Computing. Revision 0.80. -www.winsystems.com/specs/epicxpress_spec_v1.pdf, August 26, 2005.
12. Буравлев.А. Процессорные платы PC/104: новые задачи, новые стандарты, новые возможности. - Современные технологии автоматизации, 2007, №3, с. 12-15. www.cta.ru/cms/f/356533.pdf.
13. PROFIVE M2 CPU PCI/104-Express Board. - www1.eepd.de/fileadmin/user/Dokumente/Datasheets/M2_October_2009_1f_Web.pdf.
14. Cool XpressRunner-GS45 PCI/104-Express CPU Board. Technical Manual. - www.lippertembedded.com/media/downloads/Cool_XpressRunner-GS45/TME-PCI104E-GS45.pdf.
15. CoreModuleTM 730 (Stackable Single Board Computer). Reference Manual. P/N 50-1Z019-1000 Revision 1.1. - www.ampro.com/tmp/50-1Z019-1000_CM730_RefMan_Final.pdf.
Новые стандарты
Идея модернизации интерфейсных каналов PC/104 сравнительно давно витала в воздухе, однако ее массовому внедрению препятствовало отсутствие официальной документации. Но ситуация изменилась после того, как 24 марта 2008 года Консорциум PC/104 принял спецификации PCI/104-Express и PCIе/104 [1, 2]. Это событие стало результатом усилий 22 компаний, входящих в консорциум, в том числе и российской фирмы Fastwel.
Однако заметим, что из-за задержки с разработкой спецификации появился альтернативный подход. Его продвигает созданная в сентябре 2007 года некоммерческая промышленная группа The Small Form-Factor Special Interest Group (SFF-SIG), насчитывающая 18 компаний, в том числе VIA Technologies, Kontron, Samtec, Octagon Systems, WinSystems, Tri-M Systems and Engineering, Portwell, VersaLogic Corporation, Diamond Systems, Seco. Некоторые члены группы SFF-SIG одновременно являются и участниками Консорциума PC/104, например, фирмы Kontron, Samtec, WinSystems, VersaLogic Corporation, Diamond Systems. В апреле 2008 года SFF-SIG, вдогонку за Консорциумом PC/104, официально представила свою спецификацию Express104 [3], которая затем была модифицирована и августе 2009 года официально получила наименование SUMIT-ISM [4]. Рассмотрим некоторые детали этих спецификаций с учетом их важности для дальнейшего совершенствования встраиваемых решений в форм-факторе PC/104.
Одно из основных различий новых стандартов - число и тип используемых интерфейсов. Все новые спецификации в той или иной мере сохранили преемственность по отношению к предшествующим стандартам PC/104, а также полную совместимость с ними по габаритам плат (90,17×95,89 мм) и отдельно взятым разъемным соединениям. Консорциум PC/104 в своих разработках основной упор сделал на создание высокопроизводительных решений. Понятно, что в такую концепцию не вписывалась устаревшая шина ISA, поэтому новый разъем для интерфейса PCI Express было решено разместить на месте прежнего контактного соединения шины ISA. Разъем же для шины PCI остался как дополнительная опция, если на плате нужно высвободить дополнительное место, его можно не устанавливать. В итоге, согласно эволюционной схеме (рис.1), стандарт PCI/104-Express в его последней версии поддерживает как интерфейсы PCI Express, так и шину PCI, тогда как на платы PCIe/104 устанавливают только разъемы PCI Express.
Логика разработок группы SFF-SIG первоначально опиралась на поддержку совместимости с предшествующим поколением уcтройств, в результате чего в версии 1.0 спецификации Express104 сохранился разъем шины ISA, тогда как для размещения нового интерфейса PCI Express пришлось пожертвовать разъемом PCI. В модулях предполагалось устанавливать либо разъемы ISA и нового интерфейса SUMIT, содержащего PCI Express (рис.2а), либо лишь разъемную группу SUMIT AB (рис.2б).
Однако вскоре представители фирмы Diamond Systems предложили дополнить спецификацию Express104 еще одним модулем, который, аналогично идее консорциума PC/104, содержал бы разъем PCI [5]. Это решение было поддержано участниками группы SFF-SIG в новой спецификации SUMIT-ISM, где оно представлено в качестве модуля второго типа (рис.2в). Отличительной особенностью нового модуля является размещение интерфейса с PCI Express на месте прежней шины ISA, а также выполнение крепежных отверстий по удлиненной форме для обеспечения совместимости с модулями прежнего стандарта PC/104.
Из рис.1 и 2 следует, что на основе модулей PCIe/104 можно создать адаптеры для сопряжения устройств стандартов Консорциума PCI/104 и группы SFF-SIG, благо разъемы PCI Express расположены в них в разных частях плат. 20 августа 2008 года была запатентована соответствующая схема размещения соединителей в интеграционном модуле [6] (рис.3). Как видно, в северной части адаптерной платы размещаются разъемы группы SFF-SIG, а в южной - разъем PCI Express спецификации PCIe/104. Подобные решения на рынке средств автоматизации еще никем не анонсировались, но их появление вполне логично в случае успешного развития изделий PCI/104-Express, PCIe/104 и SUMIT-ISM, что, в частности, подтверждает публикация специалистов фирмы Diamond Systems [5].
Разъемные соединители
Поскольку разъемные соединения являются отличительными элементами модулей новых стандартов в формате PC/104, рассмотрим их подробнее. Примечательно, что во всех новых спецификациях используются разъемы одной и той же американской фирмы Samtec. При их разработке конструкторы, , ориентируясь на грядущее внедрение интерфейса PCI Express 2.0, приложили максимум усилий для достижения таких важных параметров разъема, как работоспособность в жестких условиях эксплуатации; оптимизация размеров соединителя под высоту стойки архитектуры РС/104 (15,24 мм в состыкованном состоянии); способность передачи данных по шине PCI Express с высокой скоростью при большой высоте стековой сборки модулей.
Истоки соответствующих технических решений для новых разъемов берут начало в патентах [7, 8], в которых представлены конструкции соединителей, наиболее близкие по отношению к использованным в спецификациях PCI/104-Express, PCIe/104 и Express104 (рис.4). Отличительная особенность соединителей - расположение контактных групп по двухрядной схеме. Чтобы снизить взаимное влияние в каждой паре противоположных рядов контактов, вдоль продольной оси разъема проходит ножевая контактная пластина, выполняющая роль электромагнитного экрана.
В стандартах PCI/104-Express и PCIe/104 используются разъемы, отличающиеся от описанных в патентах [7, 8] числом контактных секций: в документации PCI/104-Express и PCIe/104 применяются двухрядные разъемы типа QMS (ASP-129637-03) и QFS (ASP-129646-03), содержащие три секции по 52 контакта в каждой (рис.5), всего 156 контактов.
Диапазон рабочих температур разъемов - от -55 до 125°С. Спецификация [2] допускает до 50 циклов стыковки, после которых гарантируется сохранение импеданса контактной пары, а при ограничении скорости стыковки - до 100. Однако такие значения - явная перестраховка, поскольку в спецификации Express104, использующей аналогичные разъемные соединители, допускалось до 1000 циклов стыковки. Разъемы серий QMS и QFS выдерживают ударные воздействия длительностью до 6 мс с ускорением 100 g, а также вибрацию с ускорением 7,56 g при частоте 50-2000 Гц (требования стандарта EIA-364-28) [9]. Взаимная развязка сигналов между соседними контактами составляет -45 дБ на частоте 1,25 ГГц и -35 дБ на частоте 5 ГГц, что позволяет использовать их для передачи дифференциальных сигналов PCI Express 2.0.
Разъемы QMS и QFS стандартов PCI/104-Express и PCIe/104 содержат четыре отдельных линии x1 PCI Express; линии группового канала x16 PCI Express, а также шины питания +3,3, +5, +12 В, сигналы управления питанием (Power OK и др.); шину системного менеджмента (System Management Bus, SMBus) (рис.6). Линия синхросигналов, которая обычно не используется, реализована в спецификации PCI Express на случай необходимости синхронизации нескольких устройств. Ее тактовая частота равна 100 МГц.
Максимальная токовая нагрузка для продольной ножевой пластины, используемой в PCI/104-Express и PCIe/104 для подачи напряжений питания, не должна превышать 8,4 А. В отношении остальных контактов этот параметр снижен до 1,8 А с 20%-ным резервированием при температуре 85°С.
Подробно электрические параметры модуля PCI/104-Express, в том числе предельно допустимая рассеиваемая мощность, представлены в таблицах 1-3.
Соединитель обеспечивает подвод одного группового канала (линка) из 16 линий (lane) PCI Express (x16). Теоретически его пропускная способность (8 Гбайт/с) в 60 раз выше, чем у 32-разрядной шины PCI 33 МГц. Групповой канал допускает переформатирование в пару каналов по 8 линий PCI Express (x8) или конфигурацию в виде двух каналов x4 PCIe (табл.4). Кроме того, на его основе можно реализовать два последовательных интерфейса SDVO (Serial Digital Video Output) для передачи графических данных (табл.5).
В спецификациях Консорциума РС/104 привлекает продуманная многовариантность использования группового интерфейса x16 PCIe, которая зависит от центрального процессора и чипсета. Достаточно перспективно применение данного интерфейса для решения задач многоканального обмена данными со скоростью 10 Гбит/с. Так, в работе [10] в качестве примера рассмотрен модуль трехпортового коммутатора 48 линий PCIe, позволяющего коммутировать сигналы канала x16 PCIe как единого интерфейса (рис.7).
Особенность конструктивного исполнения сборных устройств формата PC/104-Express - ограничение на местоположение процессорного модуля в стеке. Из-за высоких частот сигналов, используемых в PCI Express, стандарт рекомендует располагать модуль хост-процессора либо вверху, либо внизу стека (рис.8). Размещение периферийных модулей одновременно сверху и снизу процессорной платы не рекомендуется. Если проектировщик применяет процессорный модуль, который по своим габаритам выходит за размеры форм-фактора PC/104, то его следует располагать в основании стека.
Возможность применения процессорных модулей, выходящих за габариты формата PC/104, обусловлена тем, что исторически появлению стандарта PCI/104-Express предшествовала отработка основных его аспектов в рамках спецификации EPIC Express [11]. Однако абсурдность ситуации в том, что новые спецификации не сохранили преемственность по отношению к цоколевке разъема мезонина PC/104 EPIC Express (рис.9). В частности, в принятом ранее стандарте EPIC Express [11, 12] используется иной тип трехсекционных разъемов той же фирмы Samtec, по 40 контактов в каждой секции, содержащих в общей сложности 120 контактных соединений. Идеология распределения сигналов в них более близка к концепции, принятой группой SFF-SIG. В частности, центральные ножевые пластины соединителя используются для заземления, а не подачи питающих линий, как это сделано в спецификациях Консорциума PC/104.
В отношении конструктивного исполнения разъема SUMIT AB (рис.10) группы SFF-SIG доступные источники информации дают неоднозначное толкование. Так, судя по спецификации SUMIT-ISM [4], соответствующая контактная группа должна состоять из двух разъемов А и B, которые на приведенных на рис.2 - 4 схемах выглядят как два самостоятельных соединителя. В то же время в описании разъемов серий QMS, QFS, приводимых компанией Samtec, для спецификации SUMIT (Stackable Unified Module Interconnect Technology) указаны разъемы ASP-129637-02, ASP-129646-02, являющиеся полным аналогом двухсекционных запатентованных конструкций (см. рис.4). Вполне очевидно, что, с технологической точки зрения, использование раздельных 52-контактных групп, например типа ASP-129637-01, ASP-129646-01 компании Samtec, усложняется из-за необходимости прецизионной их ориентации при монтаже на плате модуля. В случае спаренных секций типа ASP-129637-02, ASP-129646-02 эта проблема стоит менее остро благодаря монолитному корпусу соединителя. По этой причине решение с использованием 104-контакных разъемов ASP-129637-02, ASP-129646-02 было бы предпочтительнее пары отдельных 52-контактных соединителей. Впрочем, применение автоматизированных средств монтажа электронных компонентов на печатные платы делает указанную проблему надуманной, и выбор в утвержденной спецификации SUMIT-ISM топологии с двумя отдельными односекционными разъемами может быть продиктован иными соображениями.
Соединитель SUMIT-А содержит лишь одну линию x1 PCI Express, три быстродействующих интерфейса USB 2.0, LPC-шину, шины SPI/uWire и SMBus. Второй соединитель, SUMIT-B, поддерживает еще один дополнительный канал x1 PCI Express, а также групповой канал из четырех линий PCI Express (x4), которые также могут использоваться как независимые линии x1 PCI Express. Кроме того, через данный соединитель организуются дополнительные шины заземления, сигналы управления и напряжения питания. Допустимые токовые нагрузки по разъемам SUMIT-ISM приведены в табл.6.
Существенно, что основным типом питающего напряжения является 5 В.
Готовые решения
Сегодня на рынке устройства новых стандартов преимущественно соответствуют спецификациям Консорциума PCI/104. Ассортимент изделий в стандарте PCI/104-Express довольно обширен. Все их многообразие условно можно классифицировать по назначению на процессорные модули, модули ввода-вывода, сетевые и графические адаптеры, модули питания.
Так, фирма Connect Tech's (www.connecttech.com) представила первую в мировой индустрии многоканальную плату последовательных интерфейсов RS-232/422/485 в стандарте PCI/104-Express, получившую название Xtreme/104-Express. Плата содержит восемь высокоскоростных последовательных портов со скоростью передачи данных до 3,9 Мбит/с. Сигналы во всех портах фильтруются для повышения устойчивости к помехам и шуму. В рамках интерфейса RS-485 возможна реализация полнодуплексного режима с управляемым переходом в три состояния.
Американская фирма RTD Embedded Technologies на начальном этапе освоения спецификации PCI/104-Express использовала в своих модулях лишь по одной линии x1 PCI Express. При этом разъем шины PCI Express в них фактически простаивает, что напоминает пресловутую ситуацию, когда "микроскопом пытаются забивать гвозди". Среди такого рода устройств следует отметить 3-ваттный сетевой модуль CM9222ER (www.rtd.com/PC104/UM/network/cm9222.htm) по цене 395 долл., содержащий два канала 1 Гбит/с Ethernet (и это при том, что рынок давно перегрет ожиданиями аналогичных устройств с каналами 10 Гбит/с Ethernet). Вполне очевидно, что такой простой набор параметров предпочтительнее было бы реализовать в модулях второго типа стандарта SUMIT-ISM, предусматривающих поддержку шины PCI.
В то же время, заслуживает внимания разработка данной фирмой модуля периферийного питания ATX104HR-Express мощностью 88 Вт, способного работать в диапазоне температур -40...85°C.
Более продвинутые решения серийно производит фирма Digital-Logic. В ассортименте ее продукции, например, 4-портовый сетевой модуль 1 Гбит/с Ethernet MSM4E104EX (рис.11). Достаточно интересными решениями является захватчик кадров по выходам 16 видеоканалов (модуль MSMG104EX), а также источники вторичного питания.
Digital-Logic - первый производитель, предложивший рынку процессорный модуль MSM945P стандарта PCI/104-Express на основе двухъядерного процессора Intel Core 2 Duo с тактовой частотой 1,6 ГГц, а также плату MSM200XP с центральным процессором Intel Atom Z530 (тактовая частота 1,6 ГГц). Рассеиваемая мощность MSM200XP - около 6 Вт, вес 120 г, расширенный диапазон рабочих температур (-40...85°С), стоимость в партии свыше 100 шт. - от 364 евро. В будущем линия модулей PCI/104 Express от Digital-Logic будет расширена путем создания SATA-адаптеров и других устройств.
Аналогичные процессорные решения в индустриальном диапазоне температур от -40 до 85°С на базе процессора Atom Z520PT (1,33 ГГц) продвигает немецкая фирма Electronic Equipment Produktion & Distribution (www.eepd.de). Соответствующий модуль PROFIVE M2 CPU [13] поддерживает до 1 Гбайта ОЗУ DDR2 с тактовой частотой 533 МГц, до четырех линий PCI Express, 6 портов USB 2.0, Gigabit Ethernet, 32-разрядную шину PCI.
Более выигрышными характеристиками обладает плата Cool XpressRunner-GS45 в формате PCI/104-Express с процессором Intel Core 2 Duo и чипсетом Montevina другой немецкой компании - LIPPERT Embedded Computers (http://www.lippertembedded.com) (рис.12) [14]. Примечательная особенность платы - реализация поддержки пакетного режима передачи данных по групповому каналу из х16 PCI Express. Сегодня на рынке промышленной автоматизации такой возможностью обладают немногие устройства, в основном спецификации VPX. В то же время модуль не позволяет передавать данные по сети Ethernet со скоростью 10 Гбит/с (он оснащен интерфейсом 1 GB Ethernet), что требует подключения дополнительного модуля с соответствующей пропускной способностью для передачи данных внешним устройствам. Cool XpressRunner-GS45 содержит интегрированный графический контроллер VGA, поддерживающий разрешение 1600×1200 пикселов, 8 портов USB 2.0, Gigabit LAN, 2 разъема SATA, 1 разъем 32-бит PC/104-Plus и разъем PC104-Express.
Что касается серийных процессорных модулей в классе SUMIT-ISM, то первыми к их поставке на мировой рынок приступили компании ADLINK и VersaLogic. К примеру, одноплатный процессорный модуль фирмы ADLINK Technology (www.adlinktech.com) CoreModule 730 содержит процессор Intel AtomT Z530/Z510 (рис.13) [15]. Аналогичные модули ввода-вывода производит компания WinSystems.
В заключение отметим, что разработчики новых спецификаций форм-фактора PC/104 потратили немало усилий, чтобы сделать их привлекательными для потребителей. Возможности спецификаций позволяют беспрецедентно гибко подходить к проектированию и подбору мезонинных модулей. Мосты PCI Express, высокоскоростные соединения и их вариативность, обратная совместимость с предшествующими стандартами, высокие показатели ударопрочности и вибростойкости открывают простор для широкого использования таких устройств в самых разных задачах.
Литература
1. What is PCI/104-Express? - PC/104 Embedded Consortium. www.pc104.org/pdfs/What_is_PCI104_Express.pdf.
2. PCI/104-Express & PCIe/104 Specification Including Adoption on 104, EPIC and EBX Form Factors. Version 1.0. - PC/104 Embedded Consortium, March 24, 2008.
3. Express104 Specification. Revision 1.0. - Small Form Factor Special Interest Group, April 5, 2008.
4. SUMIT IndustryStandard Module (SUMIT-ISM) Specification. Revision 1.0. - Small Form Factor Special Interest Group, August 25, 2009.
5. Jonathan Miller and Rick Lehrbaum. Toward a Unifed Framework for Embedded Modules. - RTC Magazine, June 2009, p.12-17.
6. Патент Украины на полезную модель № 38252. Опубликован 25.12.2008, бюл. № 24.
МПК (2006) G 01S 13/00, G 01S 7/02, H 02K 15/00.
7. US Patent 7165994. H01R 13/648. Publication Date 11/25/2004.
8. US Patent 20070042619 A1. H01R 13/648. Publication Date 02/22/2007.
9. QFS/QMS - Product Specification. - Samtec. www.samtec.com/ftppub/prodspec/qms-qfs.pdf.
10. Jim Blazer. An inside look at PCI/104-Express. - PC/104 and Small Form Factors, June 16, 2008. www.smallformfactors.com/articles/id/?3352.
11. The EPIC Express Specification: Stackable PCI Express Expansion for EPIC, The Embedded Platform for Industrial Computing. Revision 0.80. -www.winsystems.com/specs/epicxpress_spec_v1.pdf, August 26, 2005.
12. Буравлев.А. Процессорные платы PC/104: новые задачи, новые стандарты, новые возможности. - Современные технологии автоматизации, 2007, №3, с. 12-15. www.cta.ru/cms/f/356533.pdf.
13. PROFIVE M2 CPU PCI/104-Express Board. - www1.eepd.de/fileadmin/user/Dokumente/Datasheets/M2_October_2009_1f_Web.pdf.
14. Cool XpressRunner-GS45 PCI/104-Express CPU Board. Technical Manual. - www.lippertembedded.com/media/downloads/Cool_XpressRunner-GS45/TME-PCI104E-GS45.pdf.
15. CoreModuleTM 730 (Stackable Single Board Computer). Reference Manual. P/N 50-1Z019-1000 Revision 1.1. - www.ampro.com/tmp/50-1Z019-1000_CM730_RefMan_Final.pdf.
Отзывы читателей
