ISA и другие устаревшие интерфейсы в современных встроенных системах

23 mins назад

Введение.

Несмотря на постоянное увеличение скорости и пропускной способности интерфейсов передачи данных, до сих пор в некоторых областях промышленности востребованы интерфейсы, разработанные еще в 80-е годы XX века. Связано это прежде всего с тем, что к некоторым промышленные объекты и устройствам предъявляются требования по доступности и непрерывной работе в течение десятков лет после ввода в эксплуатацию.

Примерами таких шин являются: ISA (Industry Standard Architecture) и VME (Versa Module Eurocard).

Шина VME, стандартизированная в 1981 году, служит ярким примером востребованности технологий, разработанных в предыдущие годы. Основное назначение данной шины — использование в сложных системах, таких как промышленные контроллеры, системы обработки данных и встраиваемые решения. Шина VME по-прежнему используется в специализированных областях, таких как аэрокосмическая и оборонная промышленность, где требуется высокая надежность и производительность. VME дала основу для развития и появления новых современных стандартов последовательных шин, таких как VITA 46 (VPX) и VITA 65 (OpenVPX), параллельно оставаясь востребованной на рынке.

На рис. 1 представлен объем рынка вычислительных модулей, с интерфейсом VME, не уступает более современным последовательным интерфейсам стандарта VPX [1].

ISA и другие устаревшие интерфейсы в современных встроенных системах — Рис. 1. Объем рынка вычислительных модулей и систем с шинами VME, VPX (млн $).

Далее рассмотрим шину ISA и примеры выпускаемых модулей, базирующихся на данном интерконнекте.

Шина ISA была введена в 1981 году вместе с персональными компьютерами IBM PC. Это была одна из первых стандартных шины, обеспечивающих связь между центральным процессором и периферийными компонентами, такими как сетевые, графические карты и другие устройства ввода-вывода. ISA имела 16-битную архитектуру (с возможностью передачи данных по 8 бит) и обеспечивала максимальную тактовую частоту 8 МГц.

Шина ISA оставалась популярной в течение 1980-х и 1990-х годов, однако с ростом производительности компьютеров и требованиями к быстродействию постепенно была вытеснена более современными стандартами, такими как PCI. В свою очередь современные компьютеры полагаются на более быструю и эффективную шину – PCIe (PCI Express).

Несмотря на устаревание, шина ISA все еще встречаются в некоторых нишевых и специализированных приложениях, таких как встраиваемые системы и промышленные контроллеры, где необходима обратная совместимость с существующим оборудованием. где критически важны надежность и отказоустойчивость.

Стандарты на базе шины ISA.

Шина ISA служила основой для нескольких специализированных стандартов и форм-факторов, адаптированных для различных приложений и нужд. Далее рассмотрим три таких стандарта: PC/104, MicroPC и ETX.

PC/104.

Стандарт PC/104 (104 — число контактов в 16-разрядной шине ISA), предложен фирмой Ampro в 1987 года как шина расширения для своих одноплатных компьютеров [2]]. Изделия PC/104 выпускают несколько десятков компаний, объединенных в консорциум PC/104, занимающийся популяризацией данного стандарта c 1992 г.

Платы в стандарте PC/104 имеют размер 90 × 96 мм и позволяют создавать малогабаритные встраиваемые системы, совместимые с IBM PC. Платы PC/104 соединяются друг с другом в виде этажерки (рис. 2) или могут использоваться как высокоинтегрированные компоненты, вставляемые в более крупные платы, предназначенные специально для конкретных приложений.

Рис. 2. Объединение плат PC/104 в виде этажерки.

Стандарт PC/104 эволюционирует и по сей день, постепенно заменяя низкоскоростные параллельных шины на современные последовательные. Развитие стандарта наглядно представлено на рисунке 3. Сейчас существуют 5 спецификаций стандарта: PC/104, PC/104‑plus, PCI-104, PCI/104‑Express, PCIe/104 [2].

Это часто приводит к довольно сложным сочетаниям и комбинациям в экосистеме (рис. 4)

Рис. 4. Совместное использование PCIe/104 и PCI-104.

.На рисунке 5 представлен модуль МЦП303 производства НПК «Атроник». Модуль, помимо шины ISA, поддерживает оснащен следующими Legacy интерфейсами: PCI, LPT, PS/2, IDE, RS-232/485.

Рис. 5. Модуль центрального процессора МЦП303 формата PC/104-plus.

На протяжении почти 30-лет, PC/104 демонстрирует все признаки того, что по-прежнему остается важнейшим компонентом на рынке встраиваемых систем и расширяет свое присутствие в новых приложениях.

MicroPC.

Стандарт MicroPC был предложен в 1990 году фирмой Octagon Systems. При этом с самого начала ставилась цель обеспечения работы вычислительной системы в жестких условиях эксплуатации [2]. Платы семейства MicroPC имеют размеры 114 × 124 мм. Они вставляются в монтажный каркас с пассивной объединительной панелью и закрепляются специальными планками. Такая 4-точечная схема крепления (рис. 6) хорошо зарекомендовала себя в системах на базе шины VME. В системах, содержащих от 1 до 3 плат MicroPC, можно обойтись без монтажного каркаса. Платы при этом могут крепиться винтами в виде этажерки, аналогично PC/104, а системная шина может объединяться специальной панелью на базе гибкого многожильного кабеля. Для таких случаев все процессорные платы MicroPC имеют специальные клеммные колодки для подвода питания, минуя системную шину. Модули MicroPC полностью совместимы по физическим и электрическим параметрам с шиной ISA и могут быть установлены в слоты расширения ISA персонального компьютера, например собранного на базе процессорного модуля и объединительной платы соответствующих спецификации PICMG 1.0.

На рисунке 7 представлен модуль МЦП301-02 компании НПК «Атроник», предназначенный для установки в конструктивы MicroPC.

Рис. 7. Модуль центрального процессора МЦП301-02 формата MicroPC.

ETX.

ETX (Embedded Technology eXtended) – форм-фактор встраиваемых компьютерных модулей представленный в 1998 году компанией Kontron и утвержденный как стандарт в 2000 году. ETX фактически стал первым стандартом в ряду стандартов форм-факторов компьютерных модулей (Сomputer on Module (CoM) или System on Module (SoM. Размер платы составляет 95×114 мм (рис. 8). Каждая плата содержит встроенное процессорное ядро, оперативную память, порты ввода-вывода (последовательные порты, USB, аудио-, видео, Ethernet, PS/2). Все сигналы ввода-вывода, а также полноценная реализация шин ISA и PCI выведены на четыре низкопрофильных разъема типа Hirose на нижней стороне платы [4].

На рисунке 9 представлен компьютерный модуль МЦП901 в формате ETX производства НПК «Атроник». Модуль Предназначен для создания новых и продления жизненного цикла существующих спецвычислителей, требующих поддержку полноценных шин ISA и PCI.

Рис.9. Компьютерный модуль МЦП901 стандарта ETX.

Стандарты PC/104, MicroPC, ETX и представляют собой различные подходы к созданию компактных, эффективных и специализированных систем, которые строятся на основе концепций, исходящих от шины ISA. Несмотря на то, что данные стандарты отличаться по структуре и назначениям, все они показывают, как шина ISA повлияла на развитие рынка встроенных и компактных вычислительных решений. Стандарты PC/104, MicroPC, ETX продолжают оставаться актуальными и востребованными, благодаря своей надежности и совместимости с многими существующими системами.

Процессоры c полноценной поддержкой шины ISA.

Ведущие производители процессоров, такие как Intel, AMD и другие, прекратили выпуск чипов с поддержкой ISA. Последним процессором от AMD с поддержкой ISA был AMD Geode LX800, выпускавшийся с 2005г по 2022г. В настоящее время единственным крупносерийным производителем является тайваньская компания DMP Electronics INC (DM&P) выпускающая процессоры семейства Vortex86 с архитектурой x86 (рис. 10). .

Рис. 10 Линейка процессоров семейства Vortex86.

DM&P была основана в 1989 году как разработчик и производитель встраиваемых промышленных контроллеров с архитектурой x86. В компании есть 3 основных подразделения по разработке микросхем процессоров, компьютеров и приборов. Подразделение по разработке микросхем было основано в феврале 2007 года и отвечает за разработку, поставку и техническую поддержку процессоров серии Vortex86.

Семейство Vortex86 представляет собой систему на кристалле, которая в высокой степени интегрирует как устаревшие, так и современные входы/выходы, с поддержкой настраиваемого BIOS, низким энергопотреблением от 2 до 6 Вт, широким диапазоном рабочих температур от -40 до 85 ℃ и жизненным циклом более 10 лет. Это идеальный и надежный процессор для промышленных вычислительных систем

Архитектура процессоров Vortex86 позволяет использовать наработанный в прошлые годы стек системного и прикладного ПО, тем самым продлевая срок службы выпущенных в прошлые годы компьютерных систем.

Самый современный процессор данного семейства — Vortex86DX3 (рис. 11) поддерживает следующие версии операционных систем.

— Windows: Windows CE6.0, Windows Embedded 2009, Windows XP, Windows .

— Linux: CentOS_6.0, Tiny Core Linux 9, Ubuntu_8.04 – 12.04, Debian_4.0 – 10.0.

Краткие технические характеристики выпускаемых процессоров Vortex представлены в таблице 1.

Таблица 1

Название	Vortex86DX3	Vortex86DX2	Vortex86DX
Частота	1000 МГц	800 МГц	800 МГц
Кол-во ядер	2	1	1
Техпроцесс	40 нм	90 нм	90 нм
FPU	Да	Да	Да
L1 кэш	16КБ C/D кэш	16КБ C/D кэш	16КБ C/D кэш
L2 кэш	256 КБ	256 КБ	256 КБ
BIOS Flash	8 МБ	2 МБ	2 МБ
Шина DRAM	32-бит DDR3 2 ГБ макс.	32-бит DDR2 2 ГБ макс.	16-бит DDR2 1 ГБ макс.
GPU	2D Engine, CRT/LCD,	2D Engine, CRT/LCD, UMA	Нет
GPU	UMA, Dual Display	2D Engine, CRT/LCD, UMA	Нет
HD-Audio	Да	Да	Нет
Сторожевой таймер	2	2	2
PCI шина	PCIe x 2	PCIe x 2	Да
ISA шина	Да	Да	Да
LPC шина	нет	нет	Да
USB	USB 2.0 Host x 4	USB 2.0 Host x 4	USB 2.0 Host x 4
USB	USB 1.1 Client x 1	USB 1.1 Client x 1	USB 1.1 Client x 1
Последовательный порт	9 макс.	9 макс.	5 макс.
GPIO	88-бит макс.	88-бит макс.	40-бит макс.
Ethernet (10/100 Мбит/с)	1	1	1
SD/MMC	2	2	2
SATA/IDE	IDE + SATA	IDE + SATA	IDE
Параллельный порт	1	1	1
CAN	0	0	0
I2C	2	2	2
SPI	2	2	1
АЦП	11-бит x 8 каналов.	Нет	Нет
Габариты	31 x 31 мм	31 x 31 мм	27 x 27 м
Рабочий темп. диапазон	-40 ~ +85°C	-40 ~ +85°C	-40 ~ +85°C

Процессоры Vortex86 являются отличными примерами того, как устаревшая ISA-архитектура продолжает находить применение в специфических нишах. Они демонстрируют, как новые технологии могут сосуществовать с наследием более старых стандартов, обеспечивая функциональность даже в условиях ограничений по производительности и энергоэффективности.

Производители встраиваемых систем с поддержкой шины ISA.

Подтверждением востребованности встраиваемых систем на базе шины ISA (и других Legacy-интерфейсов) является наличие модулей в номенклатуре ведущих мировых производителей из Америки (RTD, Diamond Systems, Tri-M), Европы (Kontron), Азии (Adlink, Advantech, Arbor, Icop).

Встраиваемые процессорные и периферийные модули с шиной ISA востребованы также в РФ и выпускаются отечественными производителями представленными в таблице 2.

Таблица 2

	PC/104	MicroPC	ETX
АО «НПК «Атроник»	v	v	v
ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука»		v
ЗАО «НПФ «Доломант»	v	v	v
ООО «КАСКОД-ЭЛЕКТРО»	v
АО «Элкус»	v	v

Заключение.

Шины ISA занимает свое место в истории вычислительных технологий став основой для множества технологий, которые мы имеем сегодня. Она сыграла ключевую роль в развитии стандартов расширения для персональных компьютеров, обеспечив универсальность и возможность модернизации.

Несмотря на то, что ISA уступила место более современным интерфейсам в приложениях на общем рынке, она сохраняет свою востребованность в специализированных отраслях, таких как: железнодорожный и морской транспорт, авионика, техника специального назначения