Архитектура современных промышленных систем

Приступая к рассказу о современных промышленных и коммуникационных CompactPCI компьютерах и контроллерах для встраиваемых приложений, напомним основные цели и идеи разработки самого стандарта CompactPCI [1]:

• использование широкодоступных, недорогих полупроводниковых PCI-компонентов, имеющихся на рынке в огромных количествах;
• стопроцентная совместимость с PCI v2.1 консорциума PCISIG, со всеми вытекающими отсюда последствиями с точки зрения потенциала производительности, Plug&Play конфигурирования ввода/вывода, архитектуры шины и т.п.;
• обеспечение максимально эффективной "среды обитания" как современных микропроцессоров ряда Intel Pentium, AMD K6/K7, IBM-Motorola PowerPC, SPARC, ALPHA, DSP и перспективных процессоров общего назначения, так и новейших однокристальных коммуникационных микроконтроллеров типа Motorola MC860/861, MC 68360 и т.п.;
• эффективное, "Plug&Play" использование многозадачных операционных систем типа WindowsNT/CE во встроенных приложениях реального времени [2], в том числе классических ОС реального времени: VxWorks, OS9, QNX, OSE, LynxOS, pSOS+;
• совместимость с системным и прикладным программным обеспечением офисных ПК и рабочих станций, использующих локальную шину PCI;
• применение самого популярного стандартного промышленного евроконструктива 3U (100х160мм) и 6U (233х160мм) с высоконадежными, экранированными штырьковыми соединителями МЭК 1076-4-101 и жесткой, вибростойкой схемой четырехточечного крепления модулей в каркасе с удобным фронтальным доступом к модулям системы;
• возможность организации системы ввода/вывода как через передние панели модулей, так и через заднюю стенку каркаса с использованием стандартизованных тыльных разъемов при достижении эффективного охлаждения модулей;
• поддержка не менее 8 слотов расширения на пассивной объединительной PCI-магистрали, что, как минимум, в два раза больше по сравнению с "офисной" версией PCI;
• использование стандартных мезонинных технологий гибкого, платформнонезависимого ввода/вывода (УСО): IndustryPack, PMC и PC-MIP (интересующимся рекомендую узел www.sbs-greenspring.com);
• обеспечение максимально простой интеграции со стандартными шинами типа VMEbus и создание открытого стандарта, который поддерживался бы большинством независимых производителей;
• возможность "горячей замены" модулей без выключения питания системы;
• создание высоконадежного промышленного стандарта, обеспечивающего высокие характеристики цена/производительность/надежность для промышленных и коммуникационных систем, по сравнению с технологиями на основе шины ISA.

Надо сказать, что разработчики CompactPCI-технологии были далеки от мысли совершенствовать имеющиеся на промышленном рынке РС/АТ-подобные решения и не стремились создать менее функциональный стандарт традиционных высокопроизводительных магистрально-модульных систем промышленного, военного и коммуникационного назначения типа VMEbus.

Стандарт CompactPCI - это самостоятельная промышленная открытая технология, сочетающая в себе лучшие черты современных PCI-ориентированных ПК и рабочих станций с последними достижениями в области высоконадежного, унифицированного промышленного механического дизайна. Практика подтвердила жизнеспособность стандарта.

На рынок CompactPCI-компонентов для ОЕМ и системной интеграции вышли крупнейшие американские и европейские производители открытых встраиваемых технологий: MOTOROLA (на базе Pentium/MMX/PRO/II +PowerPC 750), SUN (SPARC), FORCE (Pentium, SPARC), DEC, VMIC, PEP Modular Computers, SBS Green Spring Modular I/O, National Instruments и многие другие. Даже тайваньские производители компьютеров, традиционно занимающие нишу простейших промышленных решений, объявили о начале собственных разработок в стандарте CompactPCI.

Время удивляться

Казалось бы, на фоне массированного выпуска самых разнообразных CompactPCI-решений, удивить искушенного пользователя уже практически невозможно. Однако, познакомившись с продукцией компании INOVA Computers, убеждаешься, что это не так. Прежде всего следует отметить продуманность технической концепции разработки, обеспечивающей высокие технические характеристики и гибкость конфигурирования, позволяющей решать самые разнообразные задачи с минимальными затратами. Прибавьте к этому весьма низкие цены (на уровне офисных ПК) при гарантии на 5 лет и возможность использования в разнообразных секторах во встраиваемых приложениях, где необходимы недорогие и надежные промышленные и коммуникационные/сетевые РС/АТ-совместимые компьютеры и контроллеры с высоким уровнем стандартизации [3] в области: машиностроения, телекоммуникаций и связи, робототехники, промышленного управления и мониторинга, в контрольно-диагностическом оборудовании, тренажерных и испытательных системах, транспортных и специальных/военных системах, современных медицинских графических системах и т. п.

CompactPCI-продукция компании INOVA Computers рассчитана прежде всего на недорогие, малогабаритные WindowsNT/CE-ориентированные, встраиваемые промышленные приложения фронтального и среднего уровня с низкой (на уровне 586/133 МГц) и средней (на уровне AMD K6/233-300 МГц) производительностью, где требуется:

• создание гибких, распределенных сетевых комплексов с поддержкой стандартных офисных сетей типа 100/10 Мбит/c и/или разнообразных Fielbus коммуникаций типа Profibus, CAN, Interbus-S, LonWorks, DeviceNet и т.д.
• поддержка небольшого числа каналов ввода/вывода в отдельном сетевом или "stand alone" узле: от 10 до 500;
• эффективная поддержка современного человеко-машинного MS Windows95/NT/CE-интерфейса;
• работа как в дисковых, так и в бездисковых конфигурациях;
• высокая ударо, вибро и термостойкость при малом весе и небольших габаритах;
• ограниченное энергопотребление;
• открытый и гибкий магистрально-модульный дизайн с широким выбором типов каналов сетевого, коммуникационного, аналогового и цифрового PCI-ориентированного ввода/вывода;
• высокие показатели наработки на отказ ( не менее 100 тыс. часов) при гарантии не менее 5 лет;
• приемлемые цены открытой аппаратной платформы для эффективного использования программного обеспечения для NT.

Архитектура модулей центральных CompactPCI-процессоров INOVA

Во многом именно модули центральных процессоров INOVA, "сердце" конечного решения, определяют возможность применения этой техники решения для тех или иных задач встраиваемых промышленных приложений. Даже их предварительный анализ дает представление о возможностях современного промышленного PCI-дизайна, и становится понятно, почему он так быстро завоевал промышленный и коммуникационный рынок встраиваемых систем.

Перечислим самые общие идеи, определившие дизайн модулей центральных процессоров.

• Стопроцентная РС/АТ совместимость со всеми стандартными функциями ввода/вывода классической материнской платы: COM 1/2, LP, EIDE/FDD, KBoard, Mouse.
• Достаточное количество памяти, сетевых и графических ресурсов для работы с разнообразным системным и прикладным ПО, прежде всего на базе NT, даже в бездисковых конфигурациях, при доступных ценах на оборудование.
• Возможность эффективной работы со всеми ключевыми коммуникационными технологиями из мира промышленных (Fieldbus типа Profibus, CAN, LonWorks, Interbus-S, DeviceNet и ASi) и desktop приложений (100/10 Ethernet, USB, FireWire IEEE1394, RS232).
• Гибкость, модульность и опциональность сетевых, графических ресурсов и ресурсов памяти типа SDRAM и FLASH.
• Компоновка аппаратных ресурсов вычислительного, сетевого, графического и дискового узла по принципу: "всё необходимое на одной плате".
• Минимальное энергопотребление;
• Вибростойкая конструкция и возможность реализации систем как в стандартном (0-700С), так и в расширенном (-400+850С) температурном диапазоне.
• Дизайн "минимальной стоимости", использующий новейшие технологии производства печатных плат и автоматизированной сборки.
• Использование недорогих полупроводниковых компонентов, с гарантией поставок не менее 5 лет от предприятия-изготовителя.

На основе этих принципов компания INOVA производит два типа 3U CompactPCI центральных host-процессора:

ICP-S86133 - недорогой модуль формата 3U для низкопроизводительных встраиваемых систем контроллерного уровня на базе интегрированных процессоров класса 586/133 МГц фирмы Tompson SGS-ST-PC. Может использоваться в системах с расширенным (-400+850С) температурным диапазоном.

ICP-K233 - недорогой модуль формата 3U для среднепроизводительных встраиваемых приложений на базе процессоров класса PentiumII младших версий (менее 300 МГц) и AMD K6/233-300 МГц.

Модули имеют одинаковые функциональные характеристики, за исключением чипа центрального процессора - используется одна и таже базовая процессорная плата, что ведёт к унификации конструкции и снижению стоимости производства.

ICP-Future - находящийся в стадии разработки модуль формата 3U для высокопроизводительных встраиваемых промышленных приложений на базе процессоров AMD K7 (класса PentiumII более 300 МГц).

Очень важно подчеркнуть последний принцип дизайна процессорных модулей компании INOVA. Скажем, в отношении использования чипов центральных процессоров, для того чтобы реально обеспечить срок гарантии 5 лет для промышленных контроллеров, минимальную стоимость и энергопотребление наряду с высокими (именно для встраиваемых систем) функциональными характеристиками, специалисты INOVA отказались от использования микропроцессоров Intel в пользу AMD и TOMPSON. Компания AMD гарантирует пятилетний срок поставки кристаллов AMD K6/233 МГц (ОЕМ-версия для встраиваемых приложений с низким уровнем энергопотребления, выполненная по 0.25 мкм технологии с питанием 2.2 В (ядро) и 3.3 В (система ввода/вывода)).

Процессор AMD K6(tm)/233 имеет примерно такую же производительность, как Intel PentiumII/233, но он дешевле и, главное, обеспечивает меньшее энергопотребление и удобную конструкцию для встаиваемых промышленных приложений, где очень важно обеспечить приемлемые габариты, термо и вибростойкость.

Теперь посмотрим, что значит новейший промышленный Compact PCI-дизайн. Внешний вид 3U CompactPCI одноплатного компьютера ICP-K233 показан на рис.1. На рис. 2 приведена общая структурная схема модулей ICP-K233 и ICP-S86133 компании INOVA. Структурный дизайн компоновки показан на рис.3. Основные технические характеристики существующих и перспективных одноплатных 3U CompactPCI компьютеров/контроллеров компании INOVA сведены в таблицу 1.

(1x1)

Все системы имеют Ethernet 100/10 BaseT/TX, PCI, работают с Serial USB + Firewire (IEEE1394, до 400 Mbit/s), обладают системой в/в PC/AT I/O COM1, COM2, LP, АТ Keyboard и Mouse, опционально на плате могут нести Fieldbus Profibus, CAN, LON, Interbus-S, DeviceNet и Asi.. Интерфейс System bus Interface для всех моделей - это CompactPCI, 32bit/33 MHz. Наработка на отказ (MTBF) составляет от 100 тыс. часов.

Смена поколений

Современный промышленный CompactPCI-дизайн ориентирован, прежде всего, на "вымывание" устаревших промышленных встраиваемых технологий, основанных на шине ISA. В сущности, общая эволюция настольных ПК и рабочих станций нашла отражение и в изменении промышленного дизайна. Именно шина ISA представляет собой один из самых древних барьеров на пути эффективного использования современного программного обеспечения. Время смены поколений действительно - на 3U CompactPCI платформе, при сходных требованиях к конфигурации, получаются вычислительные сетевые/графические/дисковые узлы как минимум в 50 раз более эффективные с точки зрения соотношения цена/производительность тех, что лежат в основе классической ISA-шины, тем более ее 8-разрядного варианта.

Иными словами, современный промышленный CompactPCI-дизайн, обеспечивая принципиально сравнимые абсолютные цены конечных решений вычислительного/сетевого/графического ядра в аналогичных конфигурациях, по сравнению с ISA-решениями для любого температурного диапазона (такими как классический вариант стандарта PC-104 или ISA-вариации типа microPC от независимых производителей), даёт выигрыш, как минимум, в несколько десятков раз в относительной цене. Не говоря уже о преимуществе в объеме компоновки, удобстве эксплуатации и промышленной надежности наряду с долговременной уверенностью вложения инвестиций в апробированный крупными производителями новейший промышленный стандарт.

Ситуация по сути дела схожа с той, когда в автомагазине вам предлагают купить "Мерседес" или "Запорожец" за одни и те же деньги. Правда, в автомагазине вам этого реально никогда не предложат. А вот на компьютерном рынке такая ситуация с ценами и функциональностью действительно возможна, именно благодаря новейшим достижениям в области современного промышленного PCI-дизайна.

CompactPCI контроллеры INOVA - "среда обитания" WindowsNT

РС/АТ-совместимые контроллеры компании INOVA Computers способны работать с любым ПО разработанным для данной платформы. Это прежде всего ОС DOS, Windows 3.xx, Windows 95/98, WindowsCE, NT и соответствующий спектр программного обеспечения над ними; ОС OS/2, UNIX, Solaris; коммерческие многозадачные операционные системы реального времени типа VxWorks, OS9, QNX, LynxOS, OSE, pSOS+ и т.п.; некоммерческие операционные системы, очень приличного качества, типа LINUX и др.

Тем не менее, несмотря на такой богатый выбор возможных программных платформ, CompactPCI контроллеры INOVA Computers специально для работы с NT и, соответственно, WindowsCE как базовыми платформами для реализации встраиваемого программного обеспечения. Еще недавно использование NT в этой области казалось нереальным из-за дороговизны оборудования, настороженного отношения к NT как таковой еще по целому ряду причин. Сегодня ситуация на рынке принципиально иная. В частности, стоимость аппаратной платформы, способной обеспечить хорошую "среду обитания" для NT уже и во встраиваемых промышленных/коммуникационных приложениях, благодаря не в последнюю очередь PCI-дизайну, резко упала и уже никого не пугает.

Кроме того NT стала привычной для всех, а сопутствующее ей ПО признано лучшим даже компьютерными пиратами, продающими за гроши ее CD-ROM копии на каждом углу.

Профессиональные отечественные программисты старшего поколения, переходящие сегодня на NT (Win32 API) решения, с удовольствием вспоминают времена RT11/РАФОС и RSX-11M и вздрагивают при упоминании о MS DOS. Новое поколение знает MS DOS только понаслышке. Им повезло... Еще больше повезло тем, кто с MS DOS в профессиональной деятельности по разным причинам не столкнулся вовсе (и уж абсолютными счастливчиками я бы назвал тех, кто работает исключительно с ОС UNIX).

Малогабаритные 3U CompactPCI контроллеры компании INOVA Computers являются оптимальной средой для использования NT для встраиваемых приложений. Не вдаваясь в технические подробности, определим основные возможности применения NT во встроенных промышленных/коммуникационных системах с использованием CompactPCI контроллеров INOVA Computers:

• NT "сама по себе". Используется в дисковых конфигурациях для создания надежных встраиваемых систем "компьютерного" уровня нереального или мягкого реального времени, с поддержкой графики, сетей, клавиатуры и объектного ввода/вывода (УСО);
• NT, скомпонованная для работы в бездисковых конфигурациях (загружается из наплатного FLASH-диска, CD-ROM или через сеть) для встраиваемых приложений "контроллерного" уровня мягкого реального времени, с поддержкой (или без поддержки) графического контроллера и клавиатуры; удобна для разработки высоконадежных удаленных сетевых или "stand alone" контроллеров общего назначения;
• NT с расширениями реального времени типа RTX (Real Time eXtension) компаний VenturCom или LP Elektronik. Расширения реального времени и компонующий NT инструментарий произодства VenturCom позволяют разрабатывать детерминированные многозадачные встраиваемые приложения жесткого реального времени как в дисковых, так и в бездисковых конфигурациях, обеспечивают простой доступ к железу "напрямую", устраняют "файл подкачки", резко сокращают скорость загрузки, решают проблему "голубого экрана" NT и др. Очень удобное решение для создания высоконадёжных сетевых или "stand alone" промышленных контроллеров реального времени с поддержкой локальных графических функций (или без нее).

Богатые возможности предоставляет проектировщикам встраиваемых систем использование WindowsCE компании VenturCom с расширениями реального времени (или без них), в зависимости от класса решаемых задач.

Для разработчиков систем, требующих максимально жесткого детерминизма можно по прежнему рекомендовать использование систем VxWorks, OS9, QNX., LynxOS, pSOS+ и т.п. Если же для реализации системы реального времени, особенно с точки зрения оргазнизации ввода/вывода, архитектурных возможностей PCI-шины недостаточно, следует перейти на поиск решения на платформе VMEbus.

Некоторые типовые конфигурации

Ограниченный объем статьи не позволяет подробно рассмотреть различные варианты типовых промышленных конфигураций с использованием CompactPCI контроллеров INOVA Computers. Перечислим лишь некоторые из них:

• Типовой надежный, малогабаритный компьютер, выполняющий все возможные функции промышленного ПК: обеспечивает качественный человеко-машинный интерфейс с оператором и служит для доступа к искальной сети и корпоративным архивам. Идеальный встраиваемый вариант для эффективной поддержки WindowsNT SCADA-систем типа InTOUCH 7.0, FIX, ТРЭЙС МОУД и т.п. Можно создать даже встроенный вариант NT SQL-сервера.
• Сетевой дисковый или бездисковый контроллер "среднего", цехового уровня, поддерживающий как любые промышленные PLC и/или исполнительные устройства нижнего уровня через стандартные промышленные сети, так и работу в сети с операторскими и/или архивными компьютерами более высокого уровня;
• Промышленный бездисковый контроллер нижнего уровня, поддерживающий объектный ввод/вывод, работу в сети и, при необходимости, графический пользовательский SVGA-интерфейс.
• Глубоко встроенный, малогабаритный, бездисковый контроллер "приборного уровня", поддерживающий исключительно объектный ввод/вывод.

Возможности ввода/вывода

Контроллеры CompactPCI компании INOVA имеют гибкий магистрально-модульный дизайн и поддерживают широкий спектр устройств ввода/вывода. Остановимся подробнее на некоторых основных позициях, определяющих характер организации ввода/вывода в СompactPCI контроллерах INOVA.

• Число каналов ввода/вывода определяется, прежде всего, количеством слотов расширения в 3U CompactPCI каркасе. На CompactPCI магистрали может быть 4, 6, 7 или 8 слотов расширения.
• Сегодня на рынке представлено очень много различных устройств ввода/вывода. Это и недорогие модули аналогового, цифрового ввода/вывода, модули управления двигателями и PCMCIA, выполненные по host-технологии проектирования, это и широчайший спектр стандартных аналоговых, цифровых, коммуникационных, сетевых, видео, аудио и интерфейсных мезонинных архитектур ввода/вывода типа IndustryPack, PMC и PC-MIP.
• Ввод/вывод можно организовать возможна как через переднюю панель, так и через свободные, неиспользуемые контакты системного разъема на пассивной объединяющей PCI-магистрали.

При создании на базе малогабаритного 3U формата CompactPCI компьютера/контроллера INOVA с использованием восьмислотной CompactPCI-магистрали энергетического телекоммуникационного центра можно обеспечить поддержку от 4 до 100 синхронных/асинхронных каналов ввода/вывода типа RS232/422/485 с глубокими FIFO в каждом канале приема и передачи. Сегодня для поддержки любого типа канала ввода/вывода на платформе CompactPCI ограничений уже практически не существует, будь то бортовые сети типа MIL1553B/ARINC или разнообразные АЦП/ЦАП, PCMCIA интерфейс или DSP-сопроцессор, ISDN или X25 канал.

Модули УСО производства компании INOVA отличаются низкой стоимостью и возможностью работы как в стандартном, так и в расширенном температурном диапазоне. Кроме того, цифровой ввод/вывод соответствует в них требованиям стандарта МЭК1131-2 (по уровням гальваноразвязки, диапазонов входных сиггналов и т.д.), а в модулях аналогового ввода/вывода (универсальные многоканальные АЦП/12-14 бит, ввод с термопар и терморезисторов) гальваническая развязка обеспечивается не только по схеме канал-система, но и по схеме канал-канал.

Краткое резюме

Малогабаритные 3U формата CompactPCI контроллеры INOVA Computers по праву могут называться представителями нового поколения современных встраиваемых промышленных и коммуникационных компьютеров/контроллеров. В них превосходно как с технической, так и с финансовой точки зрения, сочетаются новейших архитектура, возможность использования современных программных технологий, мощные сетевые и графические средства, высокий уровень промышленной стандартизации и надёжности, открытость и широчайший выбор расширений ввода/вывода для решения разнообразных задач.

На конференции WinHEC представители компании Microsoft предложили полностью отказаться от устаревших технологий ПК или жестко ограничить их применение. Отжившие свой век шины ISA, COM, LP, KB и LP портов было предложено заменить на PCI, USB и FireWire IEEE1394. Рынок desktop ПК и рабочих станций к этому практически готов, а CompactPCI-контроллеры INOVA Computers подтверждают готовность и промышленного рынка.

Литература

Сегодня в России вопросы "стандартности" и "совместимости" промышленных компьютерных платформ, к сожалению, являются предметом маркетинговых спекуляций. Непонятно за кого принимают отечественных специалистов, ведь очевидно, что, как минимум, "стандартной" платформой можно назвать ту, которая обладая точно специфицированными электрическими, логическими и механическими свойствами поддерживается в серийном производстве большим количеством крупных (класса IBM, MOTOROLA, SIEMENS, DEC, HP, FORCE, SUN, VERO и т.п.) независимых фирм-производителей. Кроме того, в ней должен соблюдаться простой принцип: "Любая плата, любого производителя, может быть прямо, без адаптации, включена в механический конструктив любого производителя или, что не совсем одно и тоже, механический конструктив любого производителя может без адаптации принять любую плату любого производителя, действующего в рамках коллегиально оговоренной спецификации". Наличие подтверждающего статуса МЭК, ANSI, IEEE, ГОСТ и т.п. очень желательно.

Кому необходима сегодня платформа CompactPCI?:

• проектировщикам конечных промышленных систем, строящих свои решения на базе обычных, офисных ПК и рабочих станций, когда функциональный и организационный (например: скорость и удобство восстановления системы.) уровень надежности решений оказывается недостаточным;
• проектировщикам встраиваемых систем на базе как офисных, так и "полупромышленных" компьютеров, имеющих ограничения по поддержке современного PCI-ориентированного ввода/вывода;
• проектировщикам систем, ранее использовавшим MS DOS-технологии создания встроенного ПО и переходящим на современный многозадачный WindowsNT/CE-уровень;
• проектировщикам промышленных РС/АТ-ориентированных встраиваемых систем, ранее использовавшим различные нестандартные платформы, особенно на базе ISA-архитектуры, для обеспечения высокого уровня унификации и стандартизации своих разработок, а также их промышленной надёжности, функциональности и удобства эксплуатации при сохранении прежнего уровня цен;
• проектировщикам конечных промышленных встраиваемых РС/АТ-совместимых систем, компактных и потребляющих минимум энергии поддерживающих развитые сетевые и/или графические интерфейсы, работу в широком температурном диапазоне и быстрые параметры восстановления.