Алексей Рыбаков

 

На последней конференции WinHEC корпорация Microsoft предложила в ближайшее время полностью отказаться или жестко ограничить применение ряда устаревших технологий персональных компьютеров: шины ISA, параллельного и последовательного портов и порта клавиатуры с заменой их на PCI, USB и FireWire (IEEE 1394). Рынок настольных ПК и рабочих станций к этому практически готов. Новейшие разработки в области CompactPCI - признак готовности к подобным переменам и рынка промышленных систем.    

Краткая ретроспектива

Чтобы лучше понять внутренние побудительные мотивы или, если хотите, философские основы современных промышленных и коммуникационных CompactPCI-компьютеров и контроллеров для встраиваемых приложений, надо вернуться к истории стандарта CompactPCI, вспомнить основополагающие цели и идеи его разработки.

Рис. 1. Модуль CompactPCI формата 3U

1991 г. - начало разработки шины PCI специалистами корпорации Intel. Основная цель: стандартизация интерфейса микроэлектронных компонентов процессорного ядра семейства i486 и перспективных микропроцессоров для создания качественно новых ПК и обеспечения:

- уменьшения цены;

- увеличения производительности;

- совершенствования функциональных свойств для работы все более требовательного современного системного и прикладного ПО;

- упрощения процессов проектирования и производства.

Шину PCI в рамках PCISIG (PCI Special Interest Group) поддержали все крупнейшие производители средств вычислительной техники: Intel, Motorola, HP, Compac, DEC, Apple и др. Относительно недавно для встраиваемых систем это сделала и компания Sun, поняв, что неизбежное - неизбежно.

Рис. 2. Модуль CompactPCI формата 6U

Разговор о том, чем сегодня является шина PCI для главного сектора мировой компьютерной индустрии - рынка офисных и домашних ПК, офисных серверов и рабочих станций, - занятие бессмысленное. Сможете ли вы сегодня купить компьютер (скажем, Apple или любой РС/АТ-совместимый) без шины PCI? Внедрение шины PCI дало возможность обычному, рядовому пользователю приобрести сегодня качественно новый компьютер, значительно более производительный и функциональный, чем вчера за те же деньги.

Общеизвестно, что офисные компьютеры на основе “классической” активной системной платы практически непригодны для промышленных систем, работающих в условиях повышенных требований к надежности и скорости восстановления.

Ряд компаний-производителей, объединенных в консорциум PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturer’s Group - Международная ассоциация развития шины PCI для промышленных, военных и коммуникационных встраиваемых приложений; по состоянию на 1998 г. в нее входит более 250 фирм-участников), в феврале 1994 г. опубликовали спецификацию промышленного компьютера на основе пассивной PCI&ISA-магистрали под платы ввода-вывода офисного формата с наплатными ламельными разъемами.

Рис. 3. Корпуса для модулей формата 3U

Действительно, надежность этих компьютеров несколько выше, чем у офисных машин. Но по сравнению с компьютерами, выполненными в наиболее популярном в промышленном и военном мире конструктиве Евромеханика, их лучше именовать “полупромышленными”, не ориентированными на конечные приложения действительно высокой надежности. Ведь по существу большинство проблем, из-за которых офисная техника непригодна для промышленных приложений, характерны и для “полупромышленных” ISA&PCI-компьютеров с модулями “офисного” формата, а именно:

- неэффективная и недостаточно надежная для промышленных приложений конструкция модулей;

- крайне неудобная система организации ввода-вывода;

- ненадежная схема принудительной и естественной вентиляции;

- низкая вибростойкость;

- неудобная компоновка для быстрого восстановления/ремонта системы;

- слабые возможности для поддержки современного, PCI-ориентированного ввода-вывода.

Время от времени усилия производителей “полупромышленных” компьютеров, направленные на преодоление названных выше недостатков, приводят к появлению на рынке так называемых “частнофирменных” решений, которые совместимы (по совокупности электрических, логических и механических характеристик) только сами с собой (см. “О стандартизации”). Типичный пример - промышленные ISA-компьютеры серии FA-PAC(PC)H12RF компании CONTEC или MIC2000 компании Advantech. Практика показывает, что на американском и европейском рынках (более 90% мировых инвестиций в промышленный компьютинг) подобные решения по большому счету остаются практически невостребованными.

Рис. 4. Корпус для модулей формата 6U

Вполне логично, что в этих условиях в 1995 г. в рамках PICMG была сформирована рабочая группа из представителей ведущих американских компаний для изучения возможности использования локальной шины PCI в качестве системной широковещательной шины, действительно пригодной для создания широкого класса надежных промышленных, военных, коммуникационных и графических встраиваемых приложений.

Главными идеями и целями разработки были следующие.

- Использование широкодоступных недорогих полупроводниковых PCI-компонентов, имеющихся на рынке в огромных количествах.

- 100-процентная логическая и электрическая совместимость с PCI v2.1 консорциума PCISIG, со всеми вытекающими из этого последствиями с точки зрения потенциала производительности, возможности plug and play конфигурирования ввода-вывода, архитектуры шины и т. п.

- Обеспечение максимально эффективной среды обитания как современных микропроцессоров Intel Pentium/MMX/ PRO/II, AMD K6/K7, PowerPC 603/604/ 750, SPARC, Alpha, DSP и перспективных процессоров общего назначения, так и новейших однокристальных коммуникационных микроконтроллеров типа Motorola MC860/861, MC 68360 и т. п.

- Эффективное использование современных стандартных многозадачных ОС класса Windows NT во встроенных (!) приложениях реального времени, в том числе и широкого спектра классических ОС реального времени: VxWorks, OS9, QNX, OSE, LynxOS, pSOS+ и др.

- 100-процентная совместимость с системным и прикладным ПО, функционирующим на офисных ПК и рабочих станциях, использующих локальную шину PCI.

- Использование самого популярного стандартного промышленного евроконструктива 3U (100х160 мм) и 6U (233х160 мм) c высоконадежными, экранированными штырьковыми соединителями МЭК 1076-4-101 и жесткой вибростойкой схемой четырехточечного крепления модулей в каркасе с удобным фронтальным доступом к модулям системы. Примеры модулей CompactPCI форматов 3U (компания Inova Computers), 6U (Motorola) и 19-дюймовых еврокаркасов форматов 3U, 6U приведены на рис. 1- 4 соответственно.

- Организации системы ввода-вывода как через передние панели модулей, так и через заднюю стенку каркаса с использованием стандартизованных тыльных разъемов.

- Поддержка не менее 8 слотов расширения на пассивной объединительной PCI-магистрали, т. е. как минимум удвоенного, по сравнению с “офисной” версией PCI-шины, числа слотов расширения (полноформатная 64-разрядная пассивная CompactPCI-магистраль приведена на рис. 5).

Рис. 5. Объединительная пассивная плата с разъемами CompactPCI

- Эффективное конвекционное и/или кондукционное охлаждение модулей.

- Возможность использования ключевых стандартных мезонинных технологий гибкого, платформно-независимого ввода-вывода (УСО): IndustryPack, PMC и PC-MIP (любопытным инженерам и менеджерам рекомендую просмотреть сайты международной некоммерческой ассоциации www.groupipc.com и крупнейшего поставщика подобных компонентов www.sbs-greenspring.com).

- Обеспечение максимально простой интеграции со стандартными шинами типа VMEbus.

- Возможность “горячей замены” модулей без выключения питания системы.

- Создание открытого стандарта, который должен быть с самого начала поддержан большим числом независимых компаний-производителей.

- Создание высоконадежного промышленного стандарта, обеспечивающего хороший показатель цена/производительность/надежность для конечных прикладных промышленных и коммуникационных систем, по сравнению с устаревшими технологиями промышленных РС на основе шины ISA.

Год (!) работы опытнейших специалистов крупных независимых компаний ушел на поиск успешного решения. 1 ноября 1995 г. была представлена спецификация версии 1.0 нового промышленного стандарта, получившего название CompactPCI.

Время доказало реальную жизнеспособность этого стандарта. Достаточно сказать, что на рынок CompactPCI-компонентов для ОЕМ и системных интеграторов вышли крупнейшие американские и европейские компании - производители открытых встраиваемых технологий: Motorola (на базе Pentium/MMX/PRO/II и PowerPC 750), Sun (SPARC), Force (Pentium, SPARC), DEC, VMIC, PEP Modular Computers, SBS Green Spring Modular I/O, National Instruments, Themis и многие другие. На ганноверской выставке 1998 г. даже тайваньские производители промышленных компьютеров, традиционно занимающие на международном рынке нишу простейших промышленных решений, объявили о начале собственных разработок в стандарте CompactPCI. Ну что еще здесь можно добавить+

Очень важно подчеркнуть, что по большому счету CompactPCI-технология - не просто попытка совершенствования имеющихся на промышленном рынке РС/АТ-подобных решений, но и не является попыткой создания менее функционального стандарта традиционных высокопроизводительных магистрально-модульных систем промышленного, военного и коммуникационного назначения типа VMEbus.

Стандарт CompactPCI - это новейшая, самостоятельная промышленная открытая технология, сочетающая в себе все лучшие черты современных PCI-ориентированных ПК и рабочих станций c лучшими современными достижениями в области высоконадежного, унифицированного промышленного механического дизайна.

Между архитектурой современных настольных PCI-компьютеров и большинством сопоставимых CompactPCI-решений можно с уверенностью поставить знак равенства. Для этого достаточно просто взглянуть на архитектуру несложного одноплатного промышленного CompactPCI-компьютера компании Motorola MCP5000 (рис. 6). Архитектуры, как правило, отличаются только наличием дополнительных наплатных таймеров, flash-дисков и средств защиты от “зависаний”.    

Рис. 6. Блок-схема промышленного компьютера MCP5000 компании Motorola

Смена поколений. Вопросы стоимости

Современный промышленный CompactPCI-дизайн ориентирован прежде всего на “вымывание” тех устаревших промышленных встраиваемых технологий, основой которых является “старушка” шина ISA. В сущности, общая эволюция настольных ПК и рабочих станций отражается и на эволюции промышленного дизайна.

Именно шина ISA сегодня, по мнению Microsoft и Intel, является одним из самых застарелых барьеров на пути эффективного использования современного ПО типа Windows NT, который должен быть как можно быстрее устранен. Другими словами, сохранение на рынке ISA-архитектуры как средства пользовательского расширения функций ввода-вывода серьезно противоречит технологическим и финансовым интересам крупнейших компьютерных компаний. Уже с 1 января 1999 г. компания Microsoft не будет признавать совместимой и соотвественно сертифицировать ISA-продукцию для аудиоприложений. Архитектура ISA как средство расширения в принципе отсутствует в новой модели ПК компаний Microsoft и Intel. В этих условиях серьезно обсуждать перспективы ISA-архитектуры и надежность долговременных инвестиций в нее и тем более в промышленный компьютинг - занятие бесперспективное. Давайте не будем тратить на это драгоценное время.

А между тем аппаратная среда новейших CompactPCI-решений обеспечивает адекватную поддержку современного программного обеспечения.

Время смены поколений действительно пришло. Пришло, в конце концов, по очень простой причине: на малогабаритной платформе 3U CompactPCI при приблизительно равных требованиях к конфигурации получаются вычислительные сетевые/графические/дисковые узлы, по самым скромным оценкам, в 50 раз более эффективные с точки зрения отношения цена/производительность, чем на основе классической ISA-шины.

Иными словами, современный промышленный CompactPCI-дизайн, обеспечивая принципиально сравнимые абсолютные цены конечных решений вычислительного/сетевого/графического и дискового ядра в схожих конфигурациях, по сравнению с чисто ISA-решениями для любого температурного диапазона (такими, как классический вариант стандарта PC-104 или “частнофирменные” ISA-вариации типа microPC), дает выигрыш в относительной цене как минимум в несколько десятков раз. Не говоря уже о выигрыше в компактности, удобстве эксплуатации и промышленной надежности наряду с уверенностью вложения инвестиций в апробированный крупными производителями серийной продукции (Motorola, Force, Sun и т. д.) новейший промышленный стандарт.

Ситуация, грубо говоря, схожа с той, когда в автомагазине вам предлагают выбрать “Мерседес” или “Запорожец” примерно за одни и те же деньги! Конфуз ситуации в том, что в автомагазине вам этого реально никогда не предложат! Могут еще и побить, если вы это предложите сами.

Еще больший конфуз в том, что на компьютерном рынке это действительно возможно! И именно благодаря новейшим достижениям в области современного промышленного PCI-дизайна!

Современный бизнес требует постоянного улучшения функциональных свойств конечных информационных систем. Понятно, что добиваться лучших результатов можно только при использовании совершенного базового аппаратного и программного обеспечения.

С автором статьи - генеральным менеджером АО RTSoft - можно связаться по телефону: (095) 465-6702 или поE-mail: rybakov@rtsoft.msk.ru.

О стандартизации

В России вопросы стандартизации и совместимости промышленных компьютерных платформ, к сожалению, сегодня являются предметом маркетинговых спекуляций. Непонятно, за кого принимают отечественных специалистов! Элементарный здравый смысл подсказывает, что стандартной платформой можно назвать ту, которая, обладая точно специфицированными электрическими, логическими и механическими свойствами, с одной стороны, поддерживается в серийном (!) производстве большим числом крупных (класса IBM, Motorola, Intel, Siemens, DEC, HP, Force, Sun, VERO+) независимых фирм-производителей (уж никак не менее 20). С другой стороны, ту, в которой максимально соблюдается чрезвычайно простой принцип: любая плата любого производителя может быть прямо, без адаптации, включена в механический конструктив от любого производителя или, что не совсем одно и то же, механический конструктив любого производителя может принять без необходимости его адаптации любую плату любого производителя, действующего в рамках коллегиально оговоренной спецификации. Наличие подтверждающего статуса МЭК, ANSI, IEEE, ГОСТ и/или крупного международного консорциума типа VITA, PCISIG, PICMG, PCMCIA и т. п. очень желательно.