Новые стандарты встраиваемых модулей, основанные на RISC-процессорах

Афонин Д.Ю.

Преимущества стандартизированных модулей, имеющих длительный жизненный цикл, очевидны: период выхода готового продукта на рынок сокращается, модернизация морально устаревших систем проходит без технических сложностей, финансовые затраты уменьшаются. Встраиваемые компьютерные системы, основанные на процессорной архитектуре, отличной от х86-й, как правило, требуют нестандартного исполнения (исключением являются промышленные стоечные системы). Из-за отсутствия подходящего готового решения процесс разработки зачастую затягивается на неопределённое время. Подобная ситуация уже наблюдалась с системами на процессорах x86, когда преодолеть сложности помогли стандартизированные процессорные модули на x86-процессорах DIMM-PC, ETX и X-board компании Kontron (www.kontron.com, ранее компания JUMPtec Computertechnik AG). Имея огромнейший опыт разработки процессорных модулей, компания Kontron выпустила новые модули на базе RISC-процессоров и процессоров Power PC. 

Для интеграции процессора в систему обычно приходится проектировать восьмислойную плату, что весьма сильно влияет на общую продолжительность периода разработки конечного изделия и увеличивает полную сумму затрат по проекту. Используя готовые процессорные модули, разработчики могут сосредоточиться на прикладной функциональности своих изделий. Техобслуживание и ремонт собственными силами, переделка и реализация новых базовых возможностей больше не являются необходимыми; гораздо дешевле приобрести готовые процессорные модули. Таким образом, достаточно разработать четырёхслойную плату-носитель (что можно сделать быстро и с минимальными затратами), установить на неё процессорный модуль и зафиксировать его винтами. При необходимости этот модуль легко заменяется более производительным, что не потребует какой-либо доработки платы-носителя. Такое решение является масштабируемым и открытым для последующих модернизаций. Поскольку внешние интерфейсы платы-носителя остаются неизменными, то разработчикам не потребуется переделывать всю систему и создавать новый корпус.

X-board

Модули X-board сопоставимы по своим размерам с кредитной карточкой (67 x 49 мм) и поддерживают две шины: PCI и LPC. Платы этого типа оснащаются всеми необходимыми интерфейсами: COM, USB, Ethernet, звук и контроллер ЖК-дисплея. Из спецификации X-board устранены такие интерфейсы, как PS/2, FDD и LPT. Отказ от этих технологий впервые позволил использовать не только традиционные процессоры x86, но и процессоры с архитектурами ARM и MIPS. Это расширяет потенциальную область применения встраиваемых плат нового стандарта. Традиционная "периферия" (мышь, клавиатура) подключается к модулям через порт USB. Более того, шина USB поддерживает каскадирование периферийных устройств: максимальное количество одновременно подключённых устройств может достигать 127. Лишённый интерфейса НГМД, процессорный модуль вполне жизнеспособен, поскольку носители типа CD (CD-R, CD-RW и DVD) получили сегодня широкое распространение и куда практичнее 3,5-дюймовых дискет, чья ёмкость несопоставима даже с минимальными объёмами ОЗУ, встречающимися в современных встраиваемых системах. Для изменения системной конфигурации или считывания данных используется обслуживающая машина, подключаемая к модулю X-board посредством порта Ethernet. Кроме того, X-Board-решения могут легко взаимодействовать с портативными USB-накопителями (устройствами типа Disk On Key или флоппи-дисководами, оснащенными интерфейсами USB).

Пришлось отказаться и от шины ISA. На модуле осталась 32-разрядная шина PCI, работающая на частоте 33 МГц, а вместо шины ISA используется шина LPC (Low Pin Count). Это 4-разрядная физическая шина (фактическая скорость передачи данных около 4 Мбайт/с), которая служит для подключения дополнительных устройств.

Новый модуль X-board выпущен на базе процессора Intel Xscale 255 400 МГц. Он полностью соответствует стандарту: обладает малым энергопотреблением (рабочее напряжение 3,3 В), на плате жёстко запаяна флэш-память (8/16/32 Мбайт) и оперативная память (16/32/64Мбайт). Плата имеет три USB- и два COM-порта, интерфейс Fast Ethernet и может подключаться к IDE-накопителям. Периферийная часть включает приёмопередатчики UART, а также линии универсального ввода/вывода. Поддерживаются CRT- и TFT-дисплеи с малым и средним разрешением, имеется ТВ-выход (полный видеосигнал). Как уже было сказано, для подключения дополнительных устройств используются шины PCI и LPC.

E²Brain

Если концепция модулей X-board полностью определена самим модулем дополнительные интерфейсы встраиваются на материнскую плату (плату-носитель), то концепция E²Brain предполагает несколько вариантов исполнения. Четыре SMD-разъёма содержат 440 контактов, из них только 220 определяют стандарт E²Brain. Функциональность оставшихся 220 контактов и дополнительных интерфейсов, подключённых к модулю, будет определяться решаемой задачей. Процессорный модуль с размерами 75 x 115 мм можно классифицировать по одному из трёх направлений:

• как быстрое процессорное ядро: модули характеризуются высокой производительностью и большим набором подсистем ввода/вывода для законченных высокотехнологичных приложений;
• как коммуникационное ядро: процессорный модуль с множеством коммуникационных интерфейсов (Ethernet, последовательные интерфейсы с поддержкой различных режимов передачи данных, UTOPIA);
• как устройство управления: процессорный модуль для подсистем ввода/вывода.

Ниже приведена краткая спецификация каждого из SMD-разъёмов:

• P1 (140 контактов): PCI-32 Master/Agent, LPC, отладочный интерфейс, 2 терминальных порта, I²C, инструментальная шина, питание;
• P2 (80 контактов): PCI-64/X, CF (IDE), специализированные интерфейсы ввода/вывода, возможно добавление интерфейсов по желанию заказчика;
• P3 (80 контактов): 1 4 последовательных порта, 1 2 CAN, 1 3 (GigaBit) Ethernet;
• P4 (140 контактов): 2 UTOPIA, 4 (G) MII, специализированные интерфейсы, возможно добавление интерфейсов по желанию заказчика.

В качестве платы-носителя E²Brain может выступать плата PCI или CompactPCI. Например, на CompactPCI-плате формата 6U можно разместить три модуля E²Brain.

Первые образцы E²Brain (EB860 и EB8245) появились в декабре 2002 года. Модуль EB860, созданный на базе MPC85X и MPC86X (PowerQUICC), предназначен для телекоммуникационных приложений и поддерживает весь спектр вышеперечисленных интерфейсов. Разработчики систем могут выбрать любой из процессорных модулей, не задумываясь в дальнейшем о модификации платы-носителя. Модуль EB8245 произведён на базе Motorola Power PC MPC8245 (Kahlua2). Этот процессор средней производительности предназначен для малопотребляющих систем реального времени. На плате могут располагаться до 6 последовательных интерфейсов, Fast Ethernet, "сторожевой таймер" и часы истинного времени (RTC), что делает модуль универсальным.

В декабре прошлого года появился ещё один процессорный модуль EB425 на базе Intel IXP425 с тремя встроенными сетевыми процессорами NPE (Network Processor Engines). Как и EB860, он предназначен для использования в телекоммуникационных приложениях.

Для сокращения сроков разработки программного обеспечения и конечного изделия любой из модулей X-board или E²Brain может быть дополнен комплектом разработчика.

Об авторе: ЗАО "РТСофт"
Статья публиковалась в МКА: мир ВКТ, 2/2004 и на сайте rtsoft.ru.
Помещена в музей с разрешения редакции 10 декабря 2018