Автоматизация с баварским акцентом. Часть 1. Встраиваемые компьюторные технологии

Специалистам в области промышленной автоматизации хорошо известны названия
Kontron Embedded Modules и Kontron Technology A/S. На международном рынке
встраиваемых компьютерных технологий эти баварские компании занимают весьма
заметное место. Одноплатные компьютеры, встраиваемые процессорные модули
и материнские платы марки Kontron, широко используются в промышленности,
оборонной отрасли, игровой индустрии и многих других областях. Кроме того,
специалисты Kontron Embedded Modules и Kontron Technology A/S дали путевку в жизнь
целому семейству открытых промышленных стандартов, принятых на вооружение
многими производителями в разных странах мира.

Все статьи цикла:

• Автоматизация с баварским акцентом. Часть 1. Встраиваемые компьюторные технологии

• Автоматизация с баварским акцентом. Часть 2. Встраиваемые платы

Встраиваемые продукты Kontron сильно разнят
ся между собой по производительности, объ
емам памяти, коммуникационным возможно
стям и целевым областям применения. Чтобы дать
читателю хотя бы поверхностное представление обо
всех типах одноплатных компьютеров, процессор
ных модулей и материнских плат этой марки, потре
бовался бы не один номер журнала. В настоящей ста
тье мы ограничимся малогабаритными вычислитель
ными решениями — теми изделиями Kontron,
которые имеют сравнительно небольшие размеры
и обладают функциональностью встраиваемого ком
пьютера. К указанному классу принадлежат три боль
шие группы продуктов: встраиваемые модули, встраи
ваемые платы и миниатюрные материнские платы.

Встраиваемые модули

Первую группу малогабаритных вычислительных
решений марки Kontron образуют так называемые
встраиваемые модули. Встраиваемые модули — это,
прежде всего, одноплатные компьютеры с высоким
уровнем интеграции, что означает наличие помимо
центрального процессора еще и множества разных
интерфейсов. Разработчики таких изделий обычно
предпринимают какие-либо меры, чтобы базовый
набор возможностей мог быть расширен пользова
телем и адаптирован под требования конкретных
прикладных задач. Вторым общим свойством встра
иваемых модулей является отсутствие потребности
в пассивных объединительных панелях. Описанный
набор характеристик позволяет применять встраи
ваемые модули тогда, кода решения на основе тра
диционных пассивных магистралей оказываются
непомерно дорогими, слишком громоздкими или
недостаточно гибкими.

Не следует смешивать понятия «встраиваемый мо
дуль» и «встраиваемая плата». Первые отличаются
от вторых тем, как организуется доступ к дополни
тельным интерфейсам, а также тем, как осуществля
ется расширение системы. У встраиваемой платы имеется отдельный разъем для каждого интерфейса.
Взаимодействие такого продукта с дополнительной
периферией и другими устройствами организуется
максимально простым, но не всегда оптимальным
образом — при помощи кабелей. Встраиваемый мо
дуль общается с внешним миром более опосредо
вано: все его интерфейсные линии выведены в общий
соединитель, который подключается к базовой пла
те (плате-носителю), а уж на этой плате монтирует
ся необходимая периферия, разъемы и иные устрой
ства. Такой подход более гибок, поскольку форм
фактор, функциональность и другие характеристики
базовой платы отдаются на откуп пользователю.
Интерфейсами расширения как для встраиваемого
модуля, так и для встраиваемой платы служат, как
правило, стандартные шины, но если в первом слу
чае достаточно просто взять и подключить готовый
«расширитель», процессорный модуль сам прихо
дится подключать к базовой плате, которую предва
рительно нужно разработать и изготовить. По этой
причине использование встраиваемых модулей мо
жет иногда оказаться слишком долгим и дорогосто
ящим путем. Однако зачастую у разработчика про
сто нет выбора: когда собрать систему с искомыми
характеристиками из готовых покупных продуктов
не удается, лучшим путем будет использование встра
иваемого модуля, поскольку он предоставляет весь
ма большую свободу действий в плане реализации
прикладной функциональности и позволяет сэконо
мить на реализации процессорной части.

По сути, использование стандартизованных встра
иваемых модулей — это разумный компромисс меж
ду разработкой всей системы своими силами и ее
сборкой из готовых покупных изделий. Первый путь
очень гибок, но столь же и дорог, второй не всегда
может привести к желаемому результату. Стандар
тизованные встраиваемые модули типа E2Brain, ETX,
X-Board и DIMM-PC свободны от этих недостатков
и позволяют избежать обеих крайностей. Модули
обладают некоторым фиксированным набором
функций, а все, чего у них недостает, можно реализовать на базовой плате. Данная схема позво
ляет убить сразу двух зайцев: добиться макси
мально точного соответствия специфике кон
кретной задачи плюс получить значительную
степень гибкости вкупе с простотой модерни
зации. Интеграция новых процессоров упро
щается до предела: все, что требуется, это снять
с платы-носителя один модуль и поставить на
его место другой из той же продуктовой линей
ки. Выход на рынок также заметно ускоряется,
ведь базовую плату можно разработать гораз
до быстрее, чем систему целиком. Фактически,
значительную часть работы по созданию ито
гового решения при этом выполняет компа
ния — производитель модуля, позволяющая
своим клиентам сосредоточиться на приклад
ной специфике. Разумеется, время от времени
клиенту придется совершенствовать свою ба
зовую плату и приобретать новые, более про
изводительные модули. Но, во-первых, мно
гие встраиваемые модули унифицированы
и взаимозаменяемы (это справедливо для всех
без исключения продуктовых линеек Kontron,
состоящих из малогабаритных продуктов),
а во-вторых, хлопоты по замене встраиваемо
го модуля не идут ни в какое сравнение с той
головной болью, что сопряжена с разработ
кой системы от начала и до конца своими си
лами. Еще одним плюсом является долговеч
ность: модульный принцип построения авто
матически означает длительный срок службы
системы как целого, поскольку позволяет за
менять только неисправные или устаревшие
узлы.

В области унифицированных встраиваемых
модулей холдингу Kontron есть чем гордиться.
Специалисты компании Kontron Embedded
Modules уже превратили ряд своих внутри
фирменных спецификаций в открытые стан
дарты и намерены и далее продолжать в том же
духе. На момент написания статьи открытыми
стандартами, обязанными своим существова
нием Kontron, являются PISA, DIMM-PC, ETX,
MOPS, E₂Brain и JFLEX. На очереди X-Board
и JRex. Открытые спецификации EPIC
иMicroITX не родились в недрах Kontron, од
нако активно поддерживаются участниками
холдинга: соответствующая продукция про
изводится компаниями Kontron Embedded
Modules и Kontron Technology A/S.

ПК размером с записную книжку.
Встраиваемые одноплатные
компьютеры в конструктиве ETX

Форм-фактор ETX (Embedded Technology
eXtended) разрабатывался с прицелом на про
мышленную электронику. Первоначально
ETX был внутренней спецификацией фирмы
JUMPtec (название компании Kontron
Embedded Modules до вхождения в состав хол
динга Kontron), но впоследствии, когда авто
ры передали ее во всеобщее пользование, ETX
стал популярным промышленным стандартом.
В настоящее время этот конструктив поддер
живается множеством поставщиков. Типовое
изделие формата ETX — это PC-совместимый
компьютер, выполненный на одной печатной
плате размером 114×100 мм (4,5×4 дюйма).
При создании таких модулей используются процессоры самой разной производительно
сти, что позволяет пользователям легко нара
щивать вычислительную мощь своих систем.

Продукты данного типа близки к интеграль
ным схемам: посредством четырех низкопро
фильных разъемов модуль ETX подключает
ся к клиентской базовой плате. Последняя слу
жит для размещения физических коннекторов,
обеспечивающих взаимодействие модулей
ETX с внешним миром, а также дополнитель
ных устройств ввода-вывода и прикладной
функциональности (периферия на шинах PCI
и ISA). Проектируя базовую плату, пользова
тель может выбрать такой формат и такое раз
мещение компонентов, которое наиболее
удобно для данной конкретной задачи; когда
же получившуюся систему нужно будет мо
дернизировать, достаточно будет просто за
менить один модуль ETX на другой, более бы
стрый и современный.

Изделия формата ETX, предлагаемые хол
дингом Kontron, суть полнофункциональные
компьютеры на базе процессоров x86, характе
ризуются малыми размерами и высокой степе
нью интеграции. Компания Kontron Embedded
Modules оснащает изделия данного типа раз
нообразными процессорами с системой ко
манд x86 и тактовой частотой от 100 МГц
(серия ETX-E.LITE) до 1,8 ГГц (продукт ETX-PM).
По части коммуникационных и мультимедий
ных возможностей изделия ETX марки
Kontron могут составить конкуренцию иным
настольным ПК: у всех одноплатных компью
теров этой серии есть шина PCI 2.1, поддерж
ка локальной сети, IDE-каналы, интерфейс
флоппи-дисковода, последовательный и па
раллельный порты, порты для подключения
клавиатуры и мыши, а также контроллеры зву
ка и графики.

Наиболее быстрым представителем семей
ства Kontron ETX является сегодня ETX-PM
(рис. 1). Данный одноплатный компьютер ос
нащается экономичным процессором Intel
Pentium M с тактовой частотой 1,8 ГГц, ОЗУ
типа DDR-SO-DIMM PC2100 с поддержкой коррекции ошибок (максимальный объем—
1 Гбайт) и четырьмя полноскоростными ка
налами USB 2.0. Ядро Intel Extreme Graphics 2
обеспечивает ускорение двумерной и трехмер
ной графики и поддерживает разрешения
до 2048;1536 включительно. Универсальный ви
деоинтерфейс JILI автоматически определяет
тип подключенного ЖК-дисплея и выставляет
соответствующие этому типу видеопараметры.
Встраиваемый модуль ETX-PM работает под уп
равлением операционных систем Windows XP,
Windows XP Embedded, Windows 2000,
Windows CE .NET и Linux, а также ОС реаль
ного времени VxWorks.

Из тех ETX-модулей марки Kontron, что
не требуют активного охлаждения, самым вы
сокопроизводительным продуктом является
ETX-P3T. Модуль ETX-P3T построен на базе
чипсета Intel 82815 с интегрированным графи
ческим ядром BGA544. Роль ЦП в данном слу
чае играет либо Intel Celeron ULV, либо Intel
Celeron III (до 400 МГц и до 733 МГц соответ
ственно), максимальный объем оперативной
памяти составляет 512 Мбайт. В наличии че
тыре порта USB 2.0, интерфейс LVDS (опцио
нально может быть заменен на DVO), часы ре
ального времени и сторожевой таймер плюс
весь тот «джентльменский набор», который
есть у каждого представителя семейства
Kontron ETX (см. двумя абзацами ранее).

Замыкает модельный ряд Kontron ETX
изделие ETX-E.LITE, базирующееся на процес
соре STPC Elite с тактовой частотой 100 МГц,
имеющее 32 Мбайт оперативной памяти
и гнездо для установки карточки CompactFlash.

Компьютер чуть больше
аудиокассеты.
Встраиваемые модули E2Brain

Форм-фактор E2Brain стал ответом компа
нии Kontron Embedded Modules на стремитель
ный рост числа разнообразных интеллекту
альных устройств и усиливающееся давление
стоков. Производителям нужно выпускать все больше продуктов в более сжатые сроки,
да еще и успевать осваивать при этом новые
технологии.

Встраиваемые модули вообще и изделия
E₂Brain в частности призваны облегчить про
изводителям задачу выживания в современ
ных условиях. Готовые компьютерные ядра
способны значительно ускорить выход на ры
нок, поскольку они позволяют пользователю
не заниматься интеграцией ЦП и разработкой
базовой функциональности, а сразу перехо
дить к прикладной части.

E₂Brain (Embedded Electronic Brain)— новая
специализированная архитектура, смысл ко
торой, как и всех других модульных подходов,
состоит в разделении аппаратных средств
на базовые и прикладные. Первые являются
общими для целых классов задач и потому их
можно разработать один раз, вторые специ
фичны для конкретного приложения и долж
ны проектироваться заново для каждой новой
системы или нового устройства. Область при
менения модулей E₂Brain охватывает промы
шленную, медицинскую, коммуникационную,
транспортную и военную электронику. Спе
цификация E₂Brain определяет механический
форм-фактор и набор функциональных ин
терфейсов, что делает разные модули E2Brain
совместимыми и взаимозаменяемыми.

В отличие от ETX, встраиваемые модули
Kontron, относящиеся к серии E₂Brain, не при
вязаны жестко к какой-либо одной процессор
ной архитектуре и создаются на базе разнооб
разных RISC-процессоров. При этом изделия
E2Brain несколько меньше: их размеры состав
ляют 75×115 мм. Встраиваемые модули дан
ного типа позволяют клиентам интегрировать
в свои системы разнообразные современные
процессоры, несовместимые с x86 (PowerPC,ARM, SH и др.).

Изделия E₂Brain (Embedded Electronic Brain)
будут хорошим выбором в тех случаях, когда
необходимо добиться как можно меньшего
расхода электроэнергии и использовать ЦП
с архитектурой RISC. В настоящее время в се
мействе Kontron E₂Brain представлены процессоры типа PowerPC и XScale. Впоследствии
должны появиться модули E2Brain на базе дру
гих архитектур.

Встраиваемые модули, выполненные в кон
структиве E₂Brain, в обязательном порядке ос
нащаются интерфейсами шин PCI, LPC и I2C,
а также двумя терминальными портами, од
ним-четырьмя быстрыми последовательны
ми интерфейсами, служебным портом, интер
фейсом JTAG/BDM и одним-двумя каналами
Ethernet. Одноплатные компьютеры этого ти
па могут иметь как оперативную, так и энер
гонезависимую память, плюс разнообразные
дополнительные контроллеры ввода-вывода
(CAN, UTOPIA и др.), придающие отдельным
изделиям E₂Brain известную степень специа
лизации. Благодаря применению экономич
ных процессоров и передовой схеме кондук
тивного охлаждения все одноплатные компью
теры данного типа могут работать в диапазоне
температур от –40 до +85 °C. Это обстоятель
ство вкупе с малыми размерами, большой ме
ханической прочностью и хорошей защищен
ностью от электромагнитных помех делает мо
дули E₂Brain хорошо подходящими для
эксплуатации в неблагоприятных условиях.

Как и их старшие братья формата ETX,
модули E₂Brain рассчитаны на подключение
к специализированным базовым платам.
Такие платы используются для наделения су
ществующих портов физическими интерфей
сами и монтажа дополнительных устройств
ввода-вывода, сидящих на шинах PCI и LPC.
Два из четырех разъемов, которыми модуль
E2Brain подключается к базовой плате, кли
ент может использовать по своему усмотре
нию (интеграция новых интерфейсов типа
PCI Express, Rapid IO и др.).

В настоящее время флагманом линейки
Kontron E2Brain является модуль EB425 (рис. 2).
Данное изделие несет на борту коммуникаци
онный процессор Intel XScale IXP425 с такто
вой частотой до 533 МГц, до 256 Мбайт опера
тивной памяти, два контроллера Fast Ethernet,
интерфейс UTOPIA, порт USB 1.1 и интерфейс
CAN (последнее опционально).

На другом конце шкалы производительно
сти обосновался недорогой продукт EB855, по
строенный на базе процессора PowerQUICC
MPC855T фирмы Freesccale с интегрирован
ным коммуникационным ядром. Пользова
телю предлагается 16 Мбайт припаянной
SDRAM-памяти, Flash-память объемом
4 Мбайт и энергонезависимая SRAM-память
на 1 Мбайт.

К решениям E₂Brain среднего уровня про
изводительности, оптимизированным по со
отношению скорость вычислений/цена, отно
сится изделие EB405. Данный модуль несет
266-мегагерцовый процессор IBM/AMCC
PowerPC 405EP, до 256 Мбайт SDRAMпамя
ти и Flash-память объемом 32 Мбайт.

ПК меньше визитки.
Сверхминиатюрные процессорные
решения формата DIMM-PC

Как и ETX, изначально DIMM-PC являлся
внутренней разработкой фирмы JUMPtec (во
шедшей впоследствии в состав холдинга
Kontron и сменившей название на Kontron
Embedded Modules), но в конечном итоге стал
открытым промышленным стандартом.

При габаритах 68×40 мм (что меньше стан
дартной визитной карточки) изделия DIMM-PC
оснащаются относительно быстрыми ЦП
класса 386 и 486. Причем в конструктиве
DIMM-PC оформляются не только процессор
ные, но и интерфейсные модули, обеспечива
ющие поддержку графического вывода, сетей
Ethernet и др.

Прикладная часть типичной встраиваемой
системы содержит, как правило, компоненты
с малым числом выводов (реле, блоки пита
ния, аналого-цифровые преобразователи
и др.). Число же контактов во встраиваемом
компьютере обычно гораздо больше, равно
как и плотность размещения компонентов.
Применение DIMM-PC можно рассматривать
как отделение той части системы, где компо
ненты размещены редко и контактов мало,
от той ее части, где компоненты размещены
часто и контактов много.

Модули DIMM-PC не имеют отдельных
периферийных коннекторов, цена которых
нередко составляет весьма значительную часть
общей стоимости встраиваемого компьютера.
Для какого-нибудь модуля PC/104 с процессо
ром 386SX стоимостный вклад коннекторов
может достигать 25%! В случае DIMM-PC ис
пользуется один-единственный недорогой
разъем SO-DIMM. Изделия данного типа ока
зываются, таким образом, еще и весьма выгод
ными с экономической точки зрения.

Встраиваемые компьютеры DIMM-PC явля
ются PC-совместимыми, то есть ориентирова
ны на систему команд x86. Компания Kontron
Embedded Modules оснащает такие изделия
процессорами с тактовыми частотами от 33
до 133 МГц. Продукты данного типа как нель
зя лучше подходят для задач мониторинга
и управления. По умолчанию у каждого моду
ля DIMM-PC есть интерфейс клавиатуры, ка
нал IDE, интерфейс флоппи-дисковода, после
довательный и параллельный порты. Отдель
ные версии оснащаются также контроллерами локальной сети. Наличие бортовой Flash-па
мяти позволяет использовать модули DIMMPC
в отсутствие внешних накопителей.

Поскольку среди DIMM-PC есть не только
встраиваемые компьютеры, но и интерфейс
ные решения, соответствующие базовые пла
ты могут иметь более одного посадочного ме
ста: для собственно процессорного модуля
и для дополнительных модулей расширения.
Изделия DIMM-PC обоих типов устанавлива
ются в обычный разъем DIMM, от которого
и происходит их название. Базовая плата слу
жит платформой для реализации физических
интерфейсов встраиваемого компьютера,
а также дополнительных средств ввода/выво
да и прикладных функций (периферия на ши
не ISA).

Наиболее продвинутым модулем DIMM-PC
из тех, что предлагает на текущий момент ком
пания Kontron Embedded Modules, является про
дукт DIMM-PC/520-IE (рис. 3). Данный одно
платный компьютер построен на базе 133-ме
гагерцового процессора AMD SC520 и оснащен
интерфейсом Ethernet со скоростью передачи
данных 10/100 Мбит/с. Размер ОЗУ типа DRAM
составляет 32 Мбайт, таков же объем бортовой
Flash-памяти. Несмотря на чрезвычайно ма
лые размеры, встраиваемый компьютер
DIMM-PC/520-IE имеет полный набор базо
вых коммуникационных возможностей насто
ящего ПК: интерфейс флоппи-дисковода, ка
нал IDE, один параллельный и два последова
тельных порта, а также интерфейс клавиатуры
PS/2. Помимо версии DIMM-PC/520-IE суще
ствует еще и модификация DIMM-PC/520-IU,
у которой вместо контроллера локальной се
ти есть интерфейс USB 1.1, а также недорогая
модель DIMM-PC/520-I, у которой нет ни то
го, ни другого.

Чуть шире в плечах и чуть умнее.
Миниатюрные
компьютеры-модули X-Board

Мир встраиваемых систем не есть нечто ста
тичное. Он постоянно развивается, и притом
весьма быстрыми темпами. Появляются но
вые приложения и новые рыночные требования, в ответ с некоторым опозданием возни
кают новые стандарты и новые форм-факто
ры. В определенный момент образовалась
брешь между функционально нагруженными
модулями ETX и E₂Brain, с одной стороны,
и малютками DIMM-PC — с другой. Конст
руктив X-Board, разработанный компанией
Kontron Embedded Modules, заполнил данный
пробел (рис. 4). Концептуально X-Board есть
не что иное, как попытка убить двух зайцев
одним выстрелом, то есть получить сразу
и очень малые размеры, и большое число ин
терфейсов. С высоты сегодняшнего дня вид
но, что эта попытка вполне удалась.

Изделия DIMM-PC строятся на базе недо
рогих x86-процессоров малой производитель
ности (от 386 до AMD SC520) и требуют до
полнительного модуля, если нужна поддерж
ка графики. Средством расширения для таких
продуктов служит только шина ISA. В случае
DIMM-PC малые размеры— это самоцель, оп
равдывающая любые жертвы, но дающая хо
рошие плоды в тех приложениях, где свобод
ного пространства крайне мало, а вот произ
водительность иширота коммуникационных
возможностей не имеют большого значения.
Противоположностью DIMM-PC являются од
ноплатные компьютеры формата ETX, кото
рые обладают богатейшей мультимедийной
функциональностью, оснащаются быстрыми
ЦП, работающими на частотах до 1 ГГц, и име
ют все мыслимые интерфейсы, какие только
может иметь система на базе архитектуры x86.

Являя собой великолепный пример «золо
той середины», модули X-Board, чьи размеры
составляют всего 68;49 мм (на 9 мм шире, чем
DIMM-PC), оснащаются экономичными про
цессорами с архитектурами как x86, так и RISC.
При этом набор интерфейсов, контроллеров
и других функциональных блоков у данных
продуктов более чем достойный: здесь есть
и USB, и Ethernet, и последовательные порты,
и звук, и видео, и DRAM, и даже Flash-память.
Изделия X-Board позиционируются холдин
гом Kontron как современные, прогрессивные
решения, поскольку они лишены порта PS/2,
интерфейса флоппи-дисковода, параллельно
го порта и шины ISA. Принесение морально
устаревших интерфейсов в жертву прогрессу
позволило помимо всего прочего использо
вать при создании модулей DIMM-PC не толь
ко традиционные ЦП с системой команд x86,
но и RISC-процессоры.

Изделия X-Board великолепно проявляют
себя в тех ситуациях, когда необходимо эко
номить электроэнергию, хватает низкой или
средней производительности и необходимо
использовать модули как можно меньших раз
меров. На данный момент в линейке X-Board компании Kontron Embedded Modules пред
ставлены x86-совместимые процессоры Geode
SC1100 фирмы National Semiconductor и чипы
Intel XScale 255. На очереди другие RISC-архи
тектуры: ARM и MIPS. Модули X-board отлич
но подходят для применения во встраиваемых
системах самых разных типов и могут, кроме
того, послужить толчком к отказу от устарев
ших интерфейсных технологий.

Стандартный набор характеристик X-Board
включает шины расширения PCI и LPC, три
порта USB, четыре последовательных порта
(уровень TTL), контроллер сети 10/100 Ethernet,
аудиоконтроллер AC97, интерфейсы жидко
кристаллических и электронно-лучевых дис
плеев, ТВ-выход, бортовое ОЗУ типа DRAM
ифлэш-память. Благодаря наличию последней
модули X-Board могут работать как автоном
ные встраиваемые компьютеры. Все X-Board
довольствуются пассивным охлаждением.

Для установки модуля X-Board на специа
лизированную базовую плату используются
стандартные разъемы SO-DIMM. Базовая пла
та обеспечивает ввод-вывод и несет физичес
кие интерфейсы встраиваемого компьютера.
Дополнительные подсистемы и прикладные
функции оформляются как периферийные ус
тройства на шинах PCI и LPC.

Среди изделий формата X-Board, предлага
емых компанией Kontron Embedded Modules,
есть продукт с процессором Intel XSсale PXA
255 (тактовая частота — 200 или 400 МГц). Мо
дуль называется X-Board, располагает
от 16 до 64 Мбайт оперативной памяти, от 8 до
32 Мбайт флэш-памяти, поддерживает жид
кокристаллические дисплеи и работает под опе
рационными системами WindowsCE и Linux.

Считается, что у X-Board есть неплохие шан
сы присоединиться к PISA, DIMM-PC, ETX, MOPS,E₂Brain и JFLEX и стать еще одним открытым промышленным стандартом авторства Kontron Embedded Modules.

Окончание следует.