PCI Express подводит итоги в области встраиваемых приложений последнего поколения

Автор – Колин МакКрэкен, Ampro Computers

Новый стандарт EPIC Express предлагает уникальную мезонинную архитектуру для модулей PCI Express, повышающую эффективность приложений, совместимых с PC/104.

Достаточно много прошло времени с тех пор как производительность устройств ввода-вывода ПК архитектуры x86 значительно возросла за счет двукратного увеличения разрядности шины ISA – с 8 до 16 бит. Архитектура шины первого поколения перешла от CGA к VGA и даже к 10Base2 и 10BaseT Ethernet. Пропускная способность шины достигла 16 Мбит/с.

В то время в мире встраиваемых компьютерных систем появился форм-фактор PC/104 в качестве мезонинного стандарта ввода-вывода, реализовав головокружительную скорость передачи данных 16-разрядной шины во встраиваемых приложениях с малыми конструктивными параметрами. Простота интерфейса оказалась привлекательной для создания множества новых модулей ввода-вывода, от аналого-цифровых преобразователей до сетевых интерфейсов, плоскопанельных ЖК-мониторов и PCMCIA-устройств, что немало способствовало широкому применению продуктов PC/104 в медицинских, транспортных и промышленных системах.

Применительно к настольным ПК, пропускная способность шины. в конечном итоге, оказалась недостаточной для объемов передаваемой информации. Решением стала шина PCI. В отличие от ISA, PCI продемонстрировала способность передавать гигабит данных в секунду благодаря скорости передачи 32 бита за цикл и тактовой частоте 33 МГц.

Второе поколение систем ввода-вывода: PC/104-Plus

Рынок встраиваемых компьютерных систем столкнулся с необходимостью миграции системных шин, связанной с тенденцией постоянного роста производительности машин. В связи с этим появился стандарт PC/104-Plus, принесший архитектуру шины второго поколения в формат мезонинных плат. Расширение шины PCI стало дополнением к шине PC/104 (ISA), и вся пропускная способность умещалась в форм-фактором 3,6” X 3,8”; при этом сохранилась совместимость с предшествующими моделями.

Твердотельные накопители, надежность которых востребована многими приложениями, продемонстрировали рост производительности в виде 32-разрядных модулей PC Card, в то время как 10/100 Ethernet, графические устройства на базе шины PCI и технология беспроводных сетей 802.11 начали завоевание рынка PC/104.

PC/104 сталкивается со сменой парадигмы

Шина PCI Express, ранее известная как архитектура ввода-вывода третьего поколения (3GIO), является полноправным наследником объединительной системной платы настольных ПК. Краткий визит в местный магазин, торгующий компьютерами и электроникой, станет тому подтверждением. Разъем для сменной платы графического адаптера AGP уступил место разъему для подключения графического устройства PCI Express 16х. Рядом на материнской плате расположились несколько разъемов 1х.

Каждое соединение 1х позволяет добиться невероятной одновременной пропускной способности в 2,5 Гбит/с как в направлении передачи данных, так и в направлении получения, обеспечивая полнодуплексный режим связи. Даже если данные идут только в одном направлении, скорость, в два с половиной раза превышающая скорость параллельной шины PCI, доказывает несостоятельность PCI относительно перспектив увеличения пропускной способности на соединение.

Резкий рост скорости передачи данных достигается всего лишь за счет 5 сигналов: Tx+ и Tx- для передающей дифференциальной пары, Rx+ и Rx- для принимающей пары и линии синхросигналов, которая обычно не используется, однако реализована в спецификации PCI Express на случай необходимости синхронизации устройств.

На смену ISA пришла шина LPC с небольшим количеством контактов, предназначенная преимущественно для флэш-памяти BIOS. Возможно, прежде чем совсем выйти из употребления, PCI еще переживет несколько поколений микросхем, однако будущее принадлежит PCI Express.

PCI Express является новейшим примером использования технологии высокоскоростной последовательной передачи данных, предназначенной для снижения издержек и уменьшения размеров платы. Подобно Ethernet и USB портам, PCI Express использует дифференциальные парные сигналы, такие как Tx+ и Tx- для передающей пары, увеличивая пиковые и стандартную скорости передачи данных до такой степени, что устаревшие параллельные шины, отягощенные расхождением данных и синхросигналов, не выдерживают такого темпа.

Однако данные сигналы гигагерцевого диапазона требуют специфической трассировки проводников, разводки и импеданса линии передачи Z0. Такие требования не совсем совместимы с мезонинными коннекторами, изготовленными по технологии pin-in-socket (штырек-в-разъеме).

Наконец-то PC/104 нашел себе ровню! Или все-таки нет?

Мезонинный модуль ввода-вывода получает план развития

Только после того, как выяснилось, что тысячи системных интеграторов и производителей, использующих готовые технологии PCI/104, ожидает неопределенное будущее, включая полную перепланировку на уровне плат, группа из пяти лидеров в области производства одноплатных компьютеров проложила мост в будущее.

EPIC Express повышает пропускную способность ввода-вывода

Будучи размером всего лишь 4,528" х 6,496", платы EPIC Express обеспечивают большую полосу пропускания на крошечной площади. Как правило, встраиваемые приложения не могут позволить себе роскошь большого пространства. EPIC Express описывает интерфейс расширения размера PC/104 с четырьмя соединениями 1х и двумя соединениями 4х. (Рис. 1)

Данная спецификация заменяет разъем PCI/104, 32-разрядную шину PCI с тактовой частотой 33 Мгц, на разъем высокой плотности меньшего размера с поверхностным монтажом, увеличивая пропускную способность модуля ввода-вывода в 10-30 раз. Проблема ограниченности пропускной способности PC/104–Plus в 1 Гбит/с на PCI была решена.

Рис. 1

EPIC Express предлагает два варианта конструктивно-совместимых разъемов. Односекционный разъем имеет четыре соединения 1х, обладающих в 10 раз большей пропускной способностью в каждом направлении, по сравнению с параллельной шиной PCI 32/33. Последнее поколение наборов микросхем, представленное на рынке, поддерживает четыре соединения 1х, следовательно, такой стек является хорошим выбором для новых одноплатных компьютеров и модулей ввода-вывода.

Каждый интерфейс 4х добавляет полосу пропускания в 10 раз шире, чем у шины PCI 32/33. В общей сложности 6 соединений в конфигурации с тройным разъемом эквивалентны 12 соединениям 1х или пропускной способности шины PCI 32/33, увеличенной в 30 раз. В настоящее время рынок модулей ввода-вывода PC/104 располагает высокопроизводительным интерфейсом ввода-вывода наивысшей производительности. (Рис. 2)

PCI Express не является традиционной многоточечной шиной, в случае с которой различные устройства ждут своей очереди, чтобы воспользоваться шиной. Дифференциальный парный сигнал не может быть каскадирован от устройства к устройству. Каждое соединение имеет независимый маршрут доступа к набору микросхем. Это бросает вызов мезонинной архитектуре типа PC/104.

Рис. 2

Создатели EPIC Express решили настоящую проблему при помощи хитроумной каскадной схемы. Каждый модуль ввода-вывода стэка PC/104 пользуется теми соединениями PCI Express, которые ему необходимы, будь то одно- или многорядное соединение (Рис. 3). Затем модуль сдвигает или упорядочивает остальные соединения так, чтобы следующий модуль на стэке получил доступ к соединениям, необходимым ему на соответствующих контактах разъема (Рис. 4).

Рис. 3

Рис. 4

EPIC Express сохраняет преемственность

Поскольку разработчики EPIC Express создавали его, не забывая про существующие системы, сотни предшествующих стандартных модулей ввода-вывода PC/104 не придется модернизировать. То же касается и тысяч встраиваемых систем, применяемых в технологии PC/104.

Описание стандарта EPIC Express содержит привычные разъемы PC/104 и шину ISA, поэтому одноплатные компьютеры с шиной ISA обладают стандартной возможностью подключения. Стандартные модули ввода-вывода PC/104 просто подключаются к одноплатному компьютеру. В одноплатных компьютерах EPIC Express, не оснащенных разъемом PC/104, при помощи специальной платы можно создать мост PCI Express - PCI, затем PCI – ISA, и в результате модули PC/104 можно устанавливать сверху стойки. Крепежные отверстия или разводка кабелей ввода-вывода модулей расширения в рамках встраиваемых систем изменениям не подвергались.

Бум в области стандартов и приложений

EPIC Express является огромным скачком вперед для PC/104. Посредством единой архитектуры он объединяет рынок стандартных мезонинных встраиваемых компьютеров. Помимо прочего, данное решение было выполнено без принесения в жертву важных стандартов, создавших рынок: PC/104 (шина ISA), PC/104-Plus (шины PCI и ISA) и PCI-104 (шина PCI).

Технология PC/104, включая родственные стандарты одноплатных компьютеров EBX и EPIC, хорошо зарекомендовала себя на рынках медицинских, военных, транспортных, промышленных, инструментальных и коммерческих приложений. EPIC Express значительно увеличивает пропускную способность устройств ввода-вывода в данных приложениях, не сказываясь на работе уже существующих компоновок схем. EPIC Express также прокладывает дорогу новому классу приложений, которые могут использовать мезонинные модули ввода-вывода стандарта PC/104.

При увеличении пропускной способности в 10-30 раз платы и мезонинные модули EPIC Express вполне подходят для появляющихся на рынке встраиваемых приложений, нуждающихся в поддержке Gigabit Ethernet, RAID-массивов, беспроводных соединений 802.11g, заказных схем для шифрования на базе FPGA, программируемой пользователем, контроллеров устройств ввода-вывода или заказных высокоскоростных схем.

Программируемая пользователем FPGA на модуле EPIC Express может рассматриваться в качестве механизма, освобождающего ЦП для решения других задач. Посредством соединений PCI Express одноплатный компьютер может быстро передавать данные в обоих направлениях; сложные алгоритмы и уравнения могут быть синтезированы и запрограммированы в логическое устройство FPGA, а результаты вновь поступят в одноплатный компьютер. Высококачественное распознавание изображений, как статических, так и движущихся, нашедшее свое применение в сфере национальной безопасности, является одним из примеров приложения, которое может быть реализовано скорее при помощи PCI Express с пользовательским модулем ввода-вывода, нежели путем разработки решения на заказ.

Системы, нуждающиеся в объединении высокоскоростных схем с низкоскоростными разработками, такие как система сбора данных (АЦП) и несколько последовательных портов, в настоящее время в состоянии эффективно использовать стандартные технологии с целью сокращения периода времени от момента разработки изделия до выхода оного на рынок.

EPIC Express вдохнул новую жизнь в мезонинную архитектуру PC/104 посредством повышения производительности приложений при одновременном использовании имеющихся инвестиций в разработку механических конструкций, рассчитанных на долгий срок. Благодаря наличию решения соединений «point-to-point» с помощью пар дифференциальных сигналов, EPIC Express является очередным шагом на пути старой традиции адаптации технологии изготовления материнских плат для использования в одноплатных компьютерах, модулях ввода-вывода и использовании в ограниченном пространстве. Ожидается, что первые одноплатные компьютеры и модули будут доступны в 2006 году.

© 2006 RTC Group, Inc., 905 Calle Amanecer, Suite 250, San Clemente, CA 92673