Встраиваемые компьютеры настоящего и будущего!

Автор: Кирилл Дыхов
Для журнала «Автоматизация в промышленности» www.avtprom.ru

Новейшие компьютерные технологии, подобно взрыву, подняли облако интереса профессиональных разработчиков к вопросу о том, как будет происходить развитие компьютерной техники, по какому пути идти разработчику, следует ли применять новшества уже сейчас или, может быть, есть еще время? Как оказывается, времени на «раскачку» практически не осталось.

Из года в год разработчикам встраиваемых компьютеров, наряду со специалистами по системам общего назначения, приходится совершенствовать технологии производства процессорных модулей. Основной причиной является потребность IT-рынка в постоянном повышении производительности компьютерных систем. В свою очередь, на совместном семинаре, посвященном встраиваемым технологиям, представители компаний МикроМакс и Ampro отразили особенности модернизации компьютерных плат в соответствии с последними тенденциями.

Реалии сегодняшнего дня показывают, что дальнейший рост тактовой частоты становится практически невозможным. Ранее спрогнозированные показатели (10 ГГЦ к 2007 году) оказались неверными, в связи с чем возникла задача повышения производительности процессора при помощи альтернативных технологий. Совершенствование микроархитектуры, увеличение объема кэш-памяти, применение нескольких ядер в системе – вот основные на данный момент пути решения вопросов производительности. Под совершенствованием микроархитектуры понимаются мероприятия по оптимизации набора инструкций процессора, алгоритмов прогнозирования ветвлений, а также по сокращению количества тактов на инструкцию. Что касается увеличения объема кэш-памяти 2-го уровня (L2) - в большинстве случаев это результативно только при подборе програмного обеспечения. Многоядерная процессорная архитектура уже несколько лет активно продвигается производителями процессоров и компьютерных систем, в том числе и встраиваемых. При этом одной из особенностью такого решения является высокое энергопотребление процессорных плат, что зачастую неприемлемо для встраиваемых компьютеров, а также высокая зависимость от программного обеспечения. К примеру, компания Intel поставляет двухядерные процессоры серии Pentium D 8хх, энергопотребление которых составляет 130 Вт TDP при тактовой частоте каждого ядра 3,2 ГГц, тогда как типичные характеристики, соответствующие требованиям разработчиков встраиваемых систем, должны составлять около 7 Вт. Но в начале 2006 года ожидается появление новых процессоров от Intel с более низким потреблением, а именно до 30 Вт.

Технологии в области встраиваемых компьютеров развиваются параллельно эволюции настольных систем. Производители стараются совмещать в своих разработках все передовые качества современных машин при минимизации энергозатрат и размеров плат. Идя на встречу растущим запросам, компания VIA, зарекомендовавшая себя как ведущий производитель процессоров для встраиваемых систем, представила новое семейство, базирующиеся на ядре Esther, и обладающее следующими особенностями:

• более высокие тактовые частоты
• новая процессорная шина V4
• новый корпус nanoBGA2, на 64% меньший, чем распространенный C3/Eden (21 мм²)

Таблица 1. Сравнение процессоров Intel/VIA

Как видно из таблицы 1, у производителей встраиваемых систем есть возможность выбора между высокими показателями производительности, низким энергопотреблением и другими компромиссными вариантами. Особые надежды возлагаются разработчиками на серию VIA Eden V4, процессоры которой характеризуются высокой производительностью при малом энергопотреблении.

Технологические изменения в построении процессорных плат также коснулись и архитектуры шин. Увеличение тактовой частоты требует расширения полосы пропускания памяти, а соответственно и изменения шинной архитектуры. Эти причины, в свою очередь, стали предпосылками появления теперь уже широко распространенной шины третьего поколения PCI Express.

PCI Express обладает рядом достоинств, такими, как:

• Сокращение количества сигналов/контактов в реализации шины
• Уменьшение размеров плат
• Уменьшение количества микросхем и контактов
• Пропускная способность шины в 2,5 раза выше, чем у 32-разрядной параллельной шины PCI, работающей на частоте 33 МГц
• Программное обеспечение совместимо с PCI, т.е. сохранены коммуникационные протоколы

Появление нового стандарта шины не могло не отразиться на особенностях дизайна встраиваемых систем. Создание PCI Express предопределило появление таких новых стандартов одноплатных компьютеров, как EPIC Express и COM Express. Эти форм-факторы открывают новые горизонты для разработчиков встраиваемых и промышленных систем, позволяя им реализовывать более масштабные и сложные проекты.

Рассмотрим спецификацию EPIC Express подробнее.

Данный форм-фактор одноплатных компьютеров поддерживается пятью ключевыми лидерами индустрии встраиваемых систем, включая компанию Ampro Computers. Особенностями архитектуры нового стандарта являются:

• Замена устаревшей шины PCI на PCI Express
• Сохранение разъема PC/104 в качестве опции для поддержки имеющихся систем ввода-вывода
• Оригинальные габаритные размеры 115x165 мм
• Поддерживается до 6 устройств PCI Express
• Нет необходимости в разработке объединительной платы
• Сохранены размеры и расположение монтажных отверстий EPIC
• Сохранены зоны разъемов EPIC

EPIC Express имеет следующие характеристики модулей ввода/вывода:

• Форм-фактор и монтажные отверстия PC/104
• Все механические спецификации, места расположения разъемов, «запрещенные» области и ограничения по высоте соответствуют стандарту PC/104
• Разъем PCI заменен на разъем PCI Express
• Разъем PC/104 сохранен для передачи сигналов на платы PC/104 наверху стойки
• Напрямую совместим с платами PC/104, расположенными наверху стойки (сверху всех плат PCI Express)
• Поддерживает платы PC104-Plus посредством дополнительной платы-моста PCI Express – PCI

Несколько слов о формате COM Express. COM Express - новое поколение стандарта «компьютер-на-модуле», идущего на смену ETX. Стандарт представлен в виде трех форм-факторах: базового, расширенного и добавочно-расширенного. При этом существует 15 взаимно-незаменяемых модулей, с поддержками различных интерфейсов, что делает стандарт более универсальным. COM Express привнес в технологию «компьютер-на-модуле» следующие новшества:

• Множество конфигураций соединений PCI Express
• SATA
• Gigabit Ethernet
• «Режим просыпания»
• Цифровое видео
• ExpressCard
• LPC

К особенностям стандарта COM Express нужно отнести факт отсутствия «старых» интерфейсов, таких, как последовательные порты, FDD, параллельный порт, клавиатура PS/2, мышь PS/2, шина ISA, а также несовместимость с ETX, идентичность COM Express и ETX Express.

Несмотря на различные особенности настольных и встраиваемых систем, требования IT рынка остаются неизменными для всех. Рост производительности, уменьшение габаритов, стремление к мировой стандартизации, естественные требования современности - снижение энергозатрат, а также использование экологически безопасных материалов – будут основными ориентирами в мире компьютерных технологий еще долгое время.

Реализация новых технологий

В последнее время встраиваемые технологии находят свое применение не только в промышленных, но и бытовых условиях, где технические особенности одноплатных компьютеров становятся необходимыми при их эксплуатации. Работа в широком температурном диапазоне, ограниченное энергопотребление, компактные размеры, защищенность от загрязнения дают разработчикам дополнительный повод к проектированию промышленных и бытовых защищенных систем с использованием встраиваемых форм-факторов.

Несколько лет назад маркетологи и инженеры компании МикроМакс задались вопросом создания универсального компьютера, который бы смог работать в жестких условиях эксплуатации. Спустя некоторое время был спроектирован компьютер М-Мах 600 на базе одноплатного компьютера CoreModule 600 компании Ampro. Аппарат вобрал в себя практически все качества, позволяющие ему иметь статус «универсального компьютера». Это:

• Размеры в стандартной комплектации 152х152х140 мм (ШхВхГ)
• Защита в рабочем состоянии до IP66
• Расширенный температурный рабочий диапазон от –40 до +60°С
• Виброустойчивость в исполнении с расширенным температурным диапазоном 10 G 100...1000 Гц
• Ударопрочность 50 G (10 мсек)
• Питание +10...+30 В постоянного тока c защитой от подачи напряжения обратной полярности

На сегодняшний день уже существует серия компьютеров М-Мах, состоящая из М-Мах 600, М-Мах 700 и M-Max 600 Longhorn. Компьютеры M-Max нашли свое применение в различных отраслях промышленности, от медицинской до авиационной, а также стали незаменимыми помощниками в бытовых условиях эксплуатации. В дальнейшем планируется оснащение компьютеров интерфейсами PCI Express и другими технологическими усовершенствованиями, позволяющими идти в ногу со временем.

Ampro Computers, Inc. – ведущий мировой производитель модульных встраиваемых компьютерных решений, лидер в области бескорпусных проходных мезонинных встраиваемых систем. Компания Ampro – основоположник стандартов РС/104, РС/104-Plus и EBX, является одним из основателей Консорциума производителей оборудования стандарта PC/104 (PC/104 Consortium).

МикроМакс – производитель промышленных компьютеров, поставщик компонентов и систем для промышленной автоматизации, телекоммуникационных приложений, систем связи и специальной техники.