МПС 5. Стандарт PC/104, РС/104+. Промышленные компьютеры и контроллеры.
Стандарт PC/104 (IEEE-996.1) предлагает полную совместимость по PC-архитектуре, аппаратной и программной частям, но в исключительно компактном (90х96 мм) варианте стыкуемых модулей. Главная особенность стандарта - это то, что он дает возможность различной компоновки PC компьютера. Например, стековая архитектура обеспечивает минимальные габариты компьютера, а использование базовой платы обеспечивает его минимальную высоту. Применение новых разъемов для PC-шины обеспечивает надежную работу компьютеров в жестких условиях эксплуатации (повышенная вибрация, солевой туман, широкий диапазон температур и т. д.). Новейшие технологии производства электронных компонентов (субмикронная технология), применение поверхностного монтажа высокой плотности позволили резко сократить габариты и потребление энергии модулей PC/104, что позволяет использовать их в закрытых объемах без дополнительного охлаждения. Например, типовой PC/104 компьютер i486 серии потребляет 2,5 Вт. Малые габариты позволяют легко термостатировать компьютеры PC/104 при использовании в условиях сверхнизких температур (-60°С и ниже).
Стандарт PC/104, идеально удовлетворяет требованиям для встроенных систем, что сделало его чрезвычайно популярным не только в США, но и в странах Европы и Азии, где технология производства обеспечивает требования стандарта PC/104.
В настоящее время росту популярности стандарта PC/104 дополнительно способствует мировая тенденция перехода к распределенным системам управления, которые обладают большой гибкостью, легкостью обслуживания и высокими показателями надежности. При построении систем широко используются сетевые интерфейсы: Ethernet, Arcnet, InterBus-S и т. д., а аппаратная и программная поддержка для операционных систем AMX, MS-DOS и т. д. широко представлена фирмами, работающими в стандарте PC/104. Удачная конструкция модулей PC/104 позволяет использовать как готовые конструктивы DIN-rail и Евростандарта, которые наиболее широко используются в промышленности, так и специальные, которые предназначены для жестких условий эксплуатации.
Бурное развитие стандарта в 94-95-х годах привлекло повышенное внимание компаний, выпускающих оборудование для военных применений. Сегодня в стандарте PC/104 выпускаются основные интерфейсы MIL-STD, конструктивы с требованиями MIL-STD, интерфейсы для авиационной промышленности.
Расширение стандарта IEEE-P996. Модули PC/104 изготавливались начиная с 1987г., хотя их спецификация не публиковалась до 1992г. С 1992г. интерес к PC/104 резко возрос, и более трех десятков производителей представили около ста типов различных модулей PC/104. Стандарт PC/104 появился как модификация стандарта IEEE-P996 для промышленных приложений. В 1992 г. Международный Институт Инженеров по Электронным Разработкам (IEEE) начал проект по стандартизации уменьшенного конструктива стандарта для PC - и PC/AT-машины для встроенных применений. Спецификация PC/104 была принята как базовый документ для нового стандарта IEEE, названного Р996.1 Standard for Compact Embedded - PC Modules (Стандарт для компактных встраиваемых PC модулей). Появившись в США, стандарт PC/104 стал быстро распространяться. Изделия в стандарте PC/104 производят не только в США, но и в Европе и Азии.
Два вида использования модулей PC/104. Различная компоновка модулей PC/104 практически не ограничивает разработчика в использовании их во встроенных системах. Например, стековая архитектура обеспечивает минимальные габариты компьютера, а использование базовой платы обеспечивает его минимальную высоту.
В зависимости от условий эксплуатации фирмы выпускают различные типы конструктивов и различные варианты исполнений модулей PC/104.
Испытания на механические воздействия узлов и блоков обычно производятся в собранном виде с подключенными кабелями, поскольку в зависимости от типов примененных конструктивов используются различные варианты подключения и крепления кабелей.
Малые габариты изделий PC/104 и низкое энергопотребление позволяют осуществлять заливку модулей и отдельных плат компаундами и пластиками, что обеспечивает надежную эксплуатацию электроники в условиях повышенной вибрации и агрессивных сред.
PC/104+ - дальнейшее развитие стандарта IEEE-P996.1 (PC/104)
Развитие стандарта IEEE-P996.1 (PC/104) в 95-96 годах привлекло внимание крупных электронных компаний, производящих электронную продукцию для специальных применений. Сегодня почти все основные производители встраиваемых компьютеров выпускают изделия в этом формате, трудно найти приложения, которые не были бы реализованы в стандарте PC/104.
В конце 1996 г. фирмы AMPRO и MOTOROLA анонсировали дополнение шины PC/104 шиной PCI, при полной совместимости со старыми изделиями в IEEE-P996.1 (PC/104). Новая спецификация была одобрена подавляющим большинством членов консорциума PC/104 в феврале 1997 г. и предложена к публикации на конференции по встраиваемым системам в Бостоне в марте 1997г.
Промышленные компьютеры и контроллеры.
Промышленные ARM компьютеры-контроллеры в стандарте PC/104 имеют малые габариты, возможность непосредственного запуска программ из ПЗУ, низкое потребление энергии, отсутствие принудительного охлаждения. Эта особенность позволяет использовать их в качестве универсальных программируемых контроллеров работающих в жестких условиях эксплуатации. Основной особенностью ARM компьютеров является очень низкое потребление энергии (единицы Ватт) при достаточно высокой производительности и возможность непосредственного исполнения программ, находящихся в ПЗУ. Непосредственное исполнение программы, находящейся в ПЗУ обеспечивает быстрый старт и перезагрузку системы, поскольку не требуется загрузка в ОЗУ исполняемой программы, находящейся в ПЗУ. ARM компьютеры могут поставляться с операционной системой или с интегрированной интерактивной системой разработки и отладки программного обеспечения. Новое поколение высокопроизводительных ARM процессоров Cortex-A8 содержит в своем составе высокопроизводительный математический векторный сопроцессор с плавающей точкой позволяющий существенно ускорить выполнение сложных математических задач.
Промышленные PC компьютеры в стандарте PC/104 обладают возможностью запуска программ в ОЗУ, с помощью их перезагрузки из ПЗУ, что также позволяет использовать PC компьютеры в качестве универсальных программируемых контроллеров. Основным достоинством при использовании подобных устройств является использование хорошо известного программного обеспечения, т. е. фактически во время разработки пользователь может использовать типовую операционную систему обычного PC-компьютера, а также языки высокого уровня (СИ++, СИ, Форт, Паскаль, Бейсик и т. д.). После завершения процесса разработки и отладки готовая программа прожигается во флеш ПЗУ, которое установлено на плате компьютера, с помощью средств, находящихся на этой же плате. После прожига программы в ПЗУ, во время включения питания, стартовый загрузчик процессора перекачивает ядро операционной системы и разработанную программу из ПЗУ в ОЗУ и передает на нее управление. Процесс разработки и отладки системы при использовании готовых модулей ввода-вывода и языков высокого уровня может составить всего несколько часов.
Наибольший выигрыш от применения компьютерных модулей разработчик получает в системах, использующих накопители большой емкости (винчестеры, карты PCMCIA, CD-ROM накопители и т. д.) и мониторы высокого разрешения (SVGA). В этом случае в распоряжении пользователя - высокоуровневая поддержка операционной системы и большое количество готовых драйверов для работы с накопителями различного типа и видеоконтроллерами. Относительно дорогая электроника встраиваемого компьютера используется в этом случае максимально эффективно.
Основным недостатком РС-компьютеров, при использовании их во встраиваемых системах, является медленный старт, поскольку при включении питания происходит тестирование периферии процессорного модуля, инициализация и перекачка ядра операционной системы, пользовательской программы из ПЗУ в ОЗУ, и только затем система передает управление пользовательской программе. Типовое время старта системы - от десятков секунд до нескольких минут в зависимости от типа процессорного модуля и типа операционной системы. То же время необходимо в случае перезапуска компьютера с помощью сторожевого таймера (Watchdog timer) , т. е. система зависает в ожидании рестарта. Отключение блока инициализации операционной системы приводит к потере основного преимущества - возможности использования операционной системы и, как следствие этого, возможности использования готового программного обеспечения.
Другими серьезными недостатками использования PC-компьютеров в системах управления являются:
· медленная реакция 8088-совместимых процессоров на прерывания;
· отсутствие в системе команд инструкций для работы с битами;
· медленное выполнение арифметических операций;
· отсутствие хороших компиляторов с языков высокого уровня для 8088 cовместимых процессоров, позволяющих строить код, исполняемый из ПЗУ;
· медленная работа типовой PC-периферии;
· высокая стоимость при использовании в простых и дешевых системах.
