Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №9

Одноплатные компьютеры VersaLogic: ни мороз им не страшен, ни жара

Ракович Николай


Мир информационных технологий не исчерпывается настольными ПК, ноутбуками и КПК. Существует класс одноплатных компьютеров (SBC – Single Board Computer), которые работают как встроенные вычислительные системы с минимальными размерами и небольшой стоимостью, и при этом позволяют до минимума сократить время и стоимость разработки оборудования.

Наиболее характерными областями применения одноплатных компьютеров являются:

  • измерительная техника и приборостроение,
  • медицина,
  • авиация,
  • промышленное оборудование,
  • транспорт,
  • системы связи,
  • мобильные и портативные устройства,
  • торговое оборудование,
  • игральные автоматы.

Ранее в различных публикациях уже рассматривались одноплатные компьютеры некоторых изготовителей и возможности их применения [1-xxx]. Напомним основные особенности таких компьютеров с учетом их использования в наших условиях.

  1. Габаритные размеры важны во всех приложениях, но особенно в авиации и в мобильных и портативных устройствах. Для одноплатных компьютеров существует несколько форм-факторов, о которых — немного дальше.
  2. Энергопотребление определяет верхний предел рабочей температуры и емкость используемых аккумуляторов. К этому параметру относится и автоматическое понижение тактовой частоты процессора при перегреве.
  3. Устойчивость к механическим воздействиям – одно из определяющих условий при эксплуатации изделия в промышленности и на транспорте. Уровень устойчивости определяется количеством запаянных на плате компонентов (чем больше запаянных элементов, тем лучше устойчивость), минимумом разъемов, чувствительных к ударам и вибрации и отказом от стандартных жестких дисков (с механической частью) в пользу полупроводниковой памяти.
  4. Эксплуатация в широком температурном диапазоне. Нижний предел рабочей температуры важен для систем, эксплуатирующихся на улице или в неотапливаемых (или плохо отапливаемых) помещениях. О верхнем пределе уже упоминали.
  5. Работа в условиях сильных электромагнитных помех (генераторы, силовые трансформаторы и т.п.).
  6. Надежность и ремонтопригодность. Определяет среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures) и среднее время восстановления системы (Mean Time To Repair).
  7. Гибкость – изменение и/или увеличение функций системы, адаптация к новым требованиям пользователя. Модернизация важна для тех приложений, где возможно повышение нагрузки на одноплатный компьютер:
    • дополнительные каналы данных, новое программное обеспечение (почти всегда требует более мощного «железа»).
    • IBM PC совместимость позволяет значительно сократить время разработки и стоимость конечного изделия:
    • доступность и невысокая стоимость аппаратного обеспечения;
    • большое количество стандартных интерфейсов и совместимой периферии;
    • множество операционных систем, совместимых с аппаратным обеспечением;
    • доступные и широко распространенные средства разработки (не нужны совсем не дешевые специализированные эмуляторы, компиляторы и т.п.).

Одним их ведущих изготовителей одноплатных компьютеров является фирма VersaLogic, изделия которой отличаются способностью работать в суровых климатических условиях – от –40°С до +85°С. Учитывая наши зимние условия, это неплохое решение для систем, эксплуатирующихся вне помещений. Поскольку одноплатные компьютеры VersaLogic незаслужено обойдены вниманием, то восполним этот пробел – они того стоят.

Обзор модельного ряда компьютеров VersaLogic сделаем, основываясь на форм-факторе каждого рассматриваемого изделия.

Форм-факторы одноплатных компьютеров

РС/104 – форм-фактор с минимальными размерами (91x96 мм), наиболее подходящий вариант для тех случаев, когда размер является определяющим. Конструкция РС/104 позволяет обойтись без специального каркаса, платы объединяются по принципу этажерки с шагом 15 мм и крепятся между собой четырмя угловыми монтажными стойками. Но за минимальные размеры приходится расплачиваться более высокой стоимостью и меньшим числом поддерживаемых интерфейсов и разъемов ввода-вывода. Основное применение – необслуживаемые системы. Шина РС/104 логически и электрически соответствуют шине ISA со скоростью передачи данных 8 Мбит/с.

РС/104Plus полностью идентичен РС/104 по размерам, но имеет дополнительную проходную шину, электрически и логически аналогичную стандартной шине PCI, где обеспечивается передача до 133 Мбайт/с.

Главная особенность компьютеров форм-фактора РС/104-РС/104Plus – полная совместимость с обычными компьютерами (ISA/PCI IEEE-P996) и возможность автономной работы во встраиваемых системах, требующих жестких условий эксплуатации: промышленное оборудование, бортовая электроника, системы связи и т. д. С этой целью потребление энергии снижено до единиц ватт благодаря применению специальных компонентов. В результате компьютеры PC/104-РС/104Plus могут работать в закрытых объемах без применения принудительного охлаждения.

В отличие от обычных PC-компьютеров, компьютеры в стандарте PC/104-РС/104Plus имеют расширенные функции, что позволяет использовать их в качестве контроллеров во встроенных системах: все процессорные платы снабжены ПЗУ (флеш или ЭППЗУ) для программ пользователей и сторожевыми таймерами для перезапуска программ в случае «зависания» или сбоев.

Устройства, обеспечивающие расширение памяти (ПЗУ, PCMCIA, дополнительные жесткие диски), доступны для пользователя как обычные дисковые накопители, что позволяет использовать стандартные функции BIOS при разработке программного обеспечения.

Процессорные модули снабжены 32-контактными DIP панелями, которые позволяют подключать 2 типа устройств:

  • флеш-память DiskOnChip фирмы M-Systems в виде модуля объемом от 2 Мбайт до 1 Гбайта. Инсталлируется как обычный IDE винчестер, что обеспечивает совместимость с различными операционными системами (MS-DOS, VxWorks, Windows и т.д.). Программируется непосредственно на процессорной плате компьютера без дополнительных устройств, что позволяет при разработке и модернизации быстро менять программы.
  • флеш-память объемом до 0,5 Мбайт, программируемая непосредственно на плате компьютера, может использоваться для различных операционных систем и для пользовательских программ. BIOS операционной системы находится в отдельном ПЗУ.

Программы могут разрабатываться как на обычном PC-компьютере, так и на компьютере PC/104. По окончании разработки программы можно переписывать с одного компьютера на другой, переключая кабель от жесткого диска (IDE интерфейс), используя флоппи-диск или RS232. При желании, периферийные модули в стандарте PC/104-РС/104Plus могут использоваться в составе обычной PC-машины, при подключении через пассивный переходник PC/104 (IEEE-P996.1) – ISA (IEEE-P996).

В случае запуска операционной системы с жесткого диска процессорный блок работает как стандартный PC-компьютер. Все интерфейсы, находящиеся на процессорной плате, являются стандартными и полностью совместимы с периферией обычной PC-машины.

Стандарт PC/104-РС/104Plus позволяет уменьшить выходной ток шинных формирователей до 4 мА (максимальный не уточняется), что критично для мобильных систем (емкость аккумуляторов не безгранична). Большинство современных модулей содержат шинные формирователи с выходным током 25 мА, что позволяет подключать на шину PC/104-РС/104Plus до 12 модулей.

Во время разработки встраиваемой электроники разработчикам необходимо также помнить, что для выполнения программ встроенных систем не требуется такая же производительность, которая необходима мощным трансляторам или САПР. Распределенные системы управления дополнительно снижают требования к быстродействию процессора, что позволяет уменьшить потребляемую мощность, габариты и увеличить надёжность встраиваемых устройств.

Bobcat

Одноплатный компьютер Bobcat (внешний вид на (рис. 1) разрабатывался для использования в таких проектах, где, наряду с небольшими размерами, надежностью и длительным сроком службы, критичной является и стоимость. Поэтому в качестве процессора применен 133 MГц AMD Elan SC520 класса 486/586. Узловой процессор локальной сети или встроенный видеомодуль (если в системе необходим видеодисплей) – одни из вариантов применения этого компьютера.

Хотя Bobcat и представляет законченную компьютерную систему на плате форм-фактора РС/104, он может работать как отдельно, так и с широким набором модулей расширения PC/104 и PC/104-Plus.

Системная память SDRAM емкостью 64 Мбайта запаяна непосредственно на плате, что повышает надежность ее работы во «враждебном» окружении. Поддержка флеш-памяти DiskOnChip позволяет обойтись без винчестера с его механикой при хранении программ и данных. Такая высокая надежность дополняется сторожевым таймером, схемой сброса по питанию и самовосстанавливающимися предохранителями по 5 В питанию для клавиатуры и «мыши».

Bobcat совместим с распространенными операционными системами, включая Windows и ОС реального времени.

Рис. 1
Рис. 1

Jaguar

Одноплатный компьютер Jaguar разработан для применения в тех проектах, где требуется высокое быстродействие, компактность, гибкость в использовании памяти, высокая надежность и длительный срок службы. Этот комплект из двух плат (внешний вид на (рис. 2) полностью совместим с большинством операционных систем, включая Windows и операционные системы реального времени. Полная совместимость с socket 370 позволяет использовать процессоры Celeron или Pentium III с частотой до 850 МГц (см. таблицу 1).

Таблица 1. Расшифровка обозначения одноплатного компьютера Jaguar EPM-CPU-10x

Применение почти легендарного по надежности чипсета Intel 440BX обеспечивает высокую надежность и стабильность работы всей системы.

Быстродействующая визуализация (он же рендеринг) создается видеопроцессором ATI Rage Mobility, работающего на стандартный ЭЛТ монитор или с интерфейсом LVDS. Не забыты также порты Fast Ethernet (10/100) и USB.

Системная память объемом до 256 Мбайт с низким энергопотреблением устанавливается в 144-выводной разъем SODIMM повышенной надежности. Кроме того, в состав Jaguar входит кэш второго уровня на 128 или 256 кбайт, сторожевой таймер, схема сброса по питанию и обеспечена поддержка DiskOnChip. Расширение возможностей достигается и за счет стандартных портов ввода-вывода для дисковода гибких дисков, клавиатуры, мыши PS/2, IDE на базе PCI, принтера (LPT) и двух COM-портов (RS-232/422/485 на выбор).

Надежность компьютера Jaguar повышена и за счет подавления помех от переходных процессов на пользовательских портах ввода-вывода, защелкивающихся разъемов ввода-вывода, низкого уровния электромагнитных помех, промышленных батарей с длительным сроком службы и самовосстанавливающихся предохранителей по питанию 5 В для портов клавиатуры, «мыши» и USB.

Датчик температуры, установленный на процессоре, позволяет управлять дополнительными вентиляторами и создать систему предупреждения (локальную или удаленную). BIOS поддерживает CD-ROM и возможность работы в локальной сети и переконфигурируется для тех случаев, когда в аккумуляторах нет необходимости.

Использование стандартных компонентов увеличивает жизненный цикл изделия Jaguar. Применение оригинального конструктива из двух плат с межплатным соединением РС/104-Plus позволило использовать полную совместимость с Socket 370, а также устанавливать вентилятор или радиатор. В зависимости от условий конкретного применения возможна поставка в другой конфигурации, как программной, так и аппаратной.

Форм-фактор ЕВХ (Embedded Board Expandable) – пример баланса размера, стоимости и функциональности. На плате размерами 203?146 мм без проблем размещаются и мощный процессор и богатый набор интерфейсов. Обязательная поддержка форм-фактора РС/104-Plus – еще один плюс этого стандарта. Как следствие, этот форм-фактор наиболее востребован в ОЕМ приложениях.

Одноплатный компьютер VSBC-6 на базе процессора класса Pentium полностью выполнен в форм-факторе ЕВХ, что позволяет без проблем решать вопросы замены или модернизации готового изделия.

В разъем Super Socket 7 устанавливаются процессоры Intel Pentium MMX и AMD K6-2 с тактовой частотой до 400 МГц. VSBC-6 полностью совместим со стандартными портами ввода-вывода, а также поддерживает модули PC/104 и PC/104-Plus (через соответствующий слот расширения).

Системная память до 256 Мбайт устанавливается в надежный 168-контактный разъем DIMM, а прикладные программы и данные хранятся во флеш-памяти DiskOnChip. SRAM со встроенной батареей может устанавливаться в разъем DiskOnChip.

Сторожевой таймер, схема сброса по питанию, самовосстанавливающиеся предохранители по 5 В питанию, поддержка клавиатуры, мыши, USB – из джентельментского набора VersaLogic (см. таблицу 2).

VSBC-8 является продолжением серии одноплатных компьютеров форм-фактора ЕВХ на платформе Pentium III или Celeron (socket 370) с тактовой частотой до 850 МГц, среди которых модели с воздушным охлаждением, с вентилятором и работающие в расширенном диапазоне температур.

В состав VSBC-8 входит видеопроцессор ATI Rage Mobility для быстрой визуализации изображения с интерфейсом под стандартный ЭЛТ монитор или ЖКИ. Порты для локальной сети Fast Ethernet 10/100 и USB также входят в состав компьютера. Системная память и поддержка DiskOnChip аналогична VSBC-6.

Высокую надежность VSBC-8 определяют разъемы ввода-вывода с фиксацией, сторожевой таймер, батарея с длительным ресусом работы и схема сброса по питанию. Низкий уровень электромагнитных помех, самовосстанавливающиеся предохранители и встроенный датчик температуры процессора, подавление помех переходных процессов (аналогично компьютеру Jaguar) дополняют надежность VSBC-8.

В борьбе за снижение потребления в VSBC-8 возможна работа процессора на пониженной частоте (в отличие от 100% номинальной): 12,5% или 25% от номинальной. Эта функция управляется настройкой ПЗУ и может быть запрещена, разрешена или изменена простой записью в порт ввода-вывода.

Работает VSBC-8 с основными операционными системами от Windows до систем реального времени.

Завершает серию компьютеров форм-фактора ЕВХ одноплатный компьютер Cobra, который представляет новый класс встраиваемых компьютеров с высоким быстродействием при минимальном энергопотреблении, улучшенными графическими характеристиками и повышенной надежностью. Такая улучшенная конструкция делает этот класс одноплатных компьютеров наиболее подходящими для использования в приложениях с высокими требованиями к быстродействию и графике: игровые автоматы, информационные киоски, телекоммуникационные системы, системы безопасности. Кроме того, их архитектура ПК и небольшие габариты позволяет с успехом применять эти компьютеры и там, где обычно востребованы встроенные системы (внешний вид на (рис. 3) .

Рис. 3
Рис. 3

В основе системы Cobra – процессор Intel Pentium М с технологией SpeedStep, чипсет 855GME со встроенной видеокартой Extreme Graphics 2 и аудиоканалом. С целью снижения потребления по питанию в процессоре помимо технологии SpeedStep реализовано еще несколько функций, а быстродействие повышено за счет большого (1 Мбайт) кэша второго уровня. Графический контроллер формирует четкое изображение со сверхбыстрой визуализацией для создания реалистической 3D-графики и анимации. Системная память объемом до 2 Гбайт устанавливается в два разъема SODIMM, которые обеспечивают надежную работу при ударах и повышенной вибрации. Интерфейс DDR RAM позволяет снизить время доступа к памяти, тем самым увеличивая производительность системы.

Надежность и долговечность компьютера Cobra обеспечивается защелкивающимися разъемами ввода-вывода, программируемым датчиком температуры процессора, схемой сброса по питанию, сторожевым таймером и батареей с большим сроком службы. Обязательные компоненты – система TVS и самовосстанавливающиеся предохранители по питанию.

На плате Cobra установлены два гигабитных порта Ethernet, четыре порта USB 2.0, последовательные порты RS-232 и RS-422/485, разъем для Compact Flash, цифровые порты ввода-вывода, счетчики-таймеры, перепрограммируемый BIOS и дополнительный аналогоцифровой преобразователь. И, конечно, разъемы для модулей форм-фактора РС/104 и РС/104Plus.

Относительно недавно появившийся форм-фактора EPIC (Embedded Platform for Industrial Computing™) занимает промежуточное место (размеры платы 115х165 мм) между РС/104 и ЕВХ. Площадь 190 см2 позволяет получить вычислительные возможности стандарта ЕВХ и в то же время достаточно компактна для многих приложений. Стандарт EPIC был разработан для приспособления к реальному «миру» разъемов ввода-вывода, чтобы избавиться от переходных кабелей и упростить подключение разъемов во многих приложениях.

Gecko GX-500 – одноплатный компьютер форм-фактора EPIC с процессором AMD GX-500, встроенным 2D-ускорителем, с воздушным охлаждением и очень низким энергопотреблением (поэтому и вентилятор ни к чему).

Gecko представляет одноплатный компьютер с отличным соотношением производительности, низкой потребляемой мощности и полным набором интерфейсов и других возможностей одноплатного компьютера (внешний вид на (рис. 4) . Высокая надежность и компактность конструкции Gecko являются основными критериями для применения в тех ОЕМ-приложениях, где требуется надежность и длительная наработка на отказ. Использование процессора AMD GX-500 позволило отказаться от вентилятора и снизить потребление до одного (!) ватта. Появление GX-500 с улучшенной архитектурой привело к установлению новых стандартов на производительность, которая уже не может определяться только тактовой частотой. Производительность Gecko на частоте 366 МГц соответствует производительности обычного одноплатного компьютера на частоте 500 МГц, но с потреблением в 2 (два!) меньше. Высокая скорость передачи данных (6 Гбит/с), быстрая DDR память и встроенная быстродействующая видеокарта дополняют особенности Gecko.

Рис. 4
Рис. 4

Как и все изделия VersaLogic, одноплатный компьютер Gecko изначально разрабатывался для применения там, где требуется высокая надежность и длительная наработка на отказ.

Конструкция и состав Gecko позволяют применять этот компьютер в широком диапазоне приложений. Наряду с поддержкой стандартной периферии (“мышь” PS/2 и клавиатура), в состав Gecko входят 4 порта USB, порт 10/100 Ethernet с поддержкой загрузочного ПЗУ, четыре СОМ-порта (RS-232 и RS-422), LPT-порт, 16-разрядный ТТЛ порт ввода-вывода для пользователей и дополнительный 12-разрядный аналоговый вход. Одним словом, в одноплатном компьютере Gecko объединены преимущества интерфейсов персональных компьютеров, надежность конструкции и достоинства стандарта PC/104-Plus. Так как архитектура Gecko представляет собой стандартную архитектуру ПК, то она совместима с настольными ПК и соответствующим программным обеспечением, что значительно упрощает интеграцию в практически любое изделие.

Как и в других одноплатных компьютерах VersaLogic, в Gecko с целью повышения надежности реализована система подавления переходных процессов (TVS) для защиты от статики. TVS защищает порты клавиатуры, мыши, Ethernet, USB, COM и LPT. Программируемый сторожевой таймер проверяет условия работы компьютера и перезапускает систему при «зависании» или при сбое. Самовосстанавливающиеся предохранители по 5 В питанию защищают порты клавиватуры, «мыши» и USB от к.з. в кабеле или разъеме.

В стандартном исполнении Gecko поддерживает модули PC/104 и PC/104-Plus. Если требования ОЕМ выше, то возможна поставка специальной версии Gecko с разъемами РС/104, что позволяет подключаться к плате пользователя для управления специализированными подсистемами ввода-вывода.

Работа с большиством операционных систем (Windows, QNX, VxWorks и Linux) упрощает разработку программного обеспечения для компьютера Gecko.

Форм-фактор STD 32 Bus

STD 32 Bus по своим линейным размерам (165x115 мм) соответствует EPIC, но только по размерам, так как изделия на основе этого стандарта должны устанавливаться на объединительной плате или на шасси. Этот форм-фактор популярен у разработчиков из-за простоты монтажа, надежности, простоты расширения, отсюда легкость ремонта и модернизации. Основное применение компьютров на базе STD 32 Bus – системы с большим количеством стандартных или специализированных разъемов ввода-вывода (10 или 20 плат ввода-вывода и не одна сотня выходных контактов – не проблема!).

Одноплатный компьютер VL-586-1 предствляет собой DOS-совместимый компьютер, соединяющий стандартное «железо», работающее под DOS/Windows, заказной BIOS от VersaLogic и интерфейс STD/STD 32 Bus. В результате получилась непревзойденная по долговечности и экономичности конструкция на промышленной платформе с операционной системой на базе DOS. В основе VL-586-1 – процессор AMD 5x86, который имеет хорошие показатели по производительности и работает при температурах от 0°С до 60°С. Для охлаждения ему требуется только небольшой радиатор (обдув или специальное охлаждение ему не нужны).

Слоты расширения PC/104-Plus для подключения модулей PC/104 — PC/104-Plus непосредственно на плату компьютера позволяют использовать видеокарты и «локальное» расширение ввода-вывода на базе мультикарт.

В состав VL-586-1 входят последовательный и два параллельных порта (LPT и COM), стандартный набор DMA и АТ периферии, включая клавиатуру, часы реального времени с КМОП ОЗУ, контроллер прерываний, каналы DOS счетчика-таймера и DMA контроллер.

Поскольку VL-586-1 представляет собой стандартную программно-аппаратную DOS платформу, то и программное обеспечение для нее такое же, как и для настольных ПК и может выполняться непосредственно в системе на основе VL-586-1. Прикладное программное обеспечение, разработанное на любом ПК, можно без проблем перенести на любой загрузочный носитель VL-586-1, будь то флеш-память, гибкий диск или винчестер.

Системное ОЗУ от 4 до 64 Мбайт устанавливается в разъем SODIMM (72 контакта), о надежности которого уже упоминилось. Это позволяет работать с операционными системами от mini-DOS до Windows NT и применять стандартные или EDO модули. Встроенная флеш-память объемом до 2,5 Мбайт поддерживает файловую систему на основе флеш (Flash File System, он же полупроводниковый DOS диск) и позволяет загружать и выполнять прикладные DOS программы без винчестера (нет механических узлов – выше надежность). Для хранения данных на плате VL-586-1 установлена энергонезависимая статическая память с произвольным доступом (512 кбайт) и неограниченным числом циклов чтения-записи (в отличие от флеш-памяти).

Промышленная ориентация VL-586-1 заключается в схеме сброса по напряжению питания, сторожевому таймеру, светодиоду диагностики, трех дополнительных счетчиках-таймерах типа 8254, СОМ-портах.

Еще одной моделью одноплатного компьютера в форм-факторе STD 32 bus является VL-686-2 на базе процессора Tillamook. Этот компьютер может применяться или отдельно, или с дополнительным процессором или платой ввода-вывода. Кроме интерфейса STD 32 bus, на плате установлен разъем PC/104-Plus. Системная память (до 256 Мбайт) устанавливается в 144-выводной разъем SODIMM. Вместо винчестера на плате VL-686-2 установлены модули DiskOnChip Flash, встроена энергонезависимая статическая память, а дополнительный IDE порт позволяет использовать внешний адаптер CompactFlash.

Обеспечение надежности аналогично остальным компьютерам VersaLogic: сторожевой таймер, схема сброса по питанию, самовосстанавливающиеся предохранители по 5 В питанию, датчик температуры процессора. К этому добавляется полная совместимость с большинством ОС, от Windows до систем реального времени.

Основные параметры одноплатных компьютеров VersaLogic приведены в таблице 2 (файл 740 Кбайт).

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке