SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Разберемся в малом форм-факторе

В статье сравниваются разные виды плат малого форм-фактора. Сделав выбор в пользу компьютеров на модуле, автор объясняет, почему CoM наиболее соответствуют современным задачам и каковы особенности четырех форм-факторов CoM, являющихся фактическими стандартами. А также подсказывает, как выбрать подходящий модуль для собственного проекта.

Представительство компании Congatec AG, г. Москва

congatec.png


Миниатюрный форм-фактор не новое изобретение в области встраиваемых систем, но необходимость в уменьшении системного размера, веса и питания повысила требования к нему, что воплотилось в ряде конструкторских решений. Почти два десятилетия назад плата PC/104 с ее небольшими размерами (3,55 × 3,78″) коренным образом изменила модульные промышленные компьютеры. Однако за минувшие годы концепция модулей малого форм-фактора, или SFF (Small form factor – англ.), привела к появлению трудноуправляемой группы разнотипных платформ и так называемых стандартов.

В целом платы SFF можно разделить на три группы:

- одноплатные компьютеры, SBC (single-board computer – англ.), вся функциональность которых умещается на одной плате без возможности дальнейшего расширения;

- модули этажерочного типа (к ним де-факто относится семейство PC/104), позволяющие сформировать устройства разного уровня – начиная от «простого» SBC и заканчивая крупными, сложенными из стандартизированных модулей магистральными системами с произвольными опциями расширения;

- компьютеры на модуле (CoM), основные вычислительные функции которых сосредоточены в стандартизированном модуле, соединенном со стандартной или изготовленной на заказ платой.

Одноплатные компьютеры обеспечивают высочайший уровень вертикальной интеграции плат и имеют самую низкую себестоимость, что особенно заметно при их большом количестве.

Если стандартный SBC не соответствует техническим требованиям, необходимо создавать плату на заказ. Ее разработка занимает достаточно много времени и требует труда немалого числа высококвалифицированных специалистов из-за сложности сегодняшних сверхбыстрых и миниатюрных микросхем – некоторые с шагом координатной сетки печатной платы 0,600, 0,500 или даже 0,400 миллиметра. В дополнение к «железу» необходимо создать драйвера BIOS (базовая система ввода/вывода) и O/S (для подсистемы ввода/вывода). Сегодня же в условиях острой конкуренции компании стремятся оптимизировать научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую работу, сосредоточив усилия на самых главных видах деятельности, для того чтобы первыми добраться до рынка.

Компьютерные модули, собирающиеся по типу этажерки (или бутерброда), а именно в формате PC/104, выгодны, потому что какая бы функциональность ни требовалась, устройство всегда готово к продаже. Разработка «железа» получается простой и достаточно быстрой, поскольку нужно только спроектировать решение, купить модули и собрать их «в стопку». А каковы же здесь недостатки? Системы, построенные на основе модулей формата PC/104, прекрасно подходят для определенных приложений, когда необходимо простое и устойчивое решение, а требования к вычислительной мощности, быстродействию графики и теплоотводу не столь высоки. Однако разъемы и система требуют капитальных затрат, а большая часть экосистемы ориентирована на шину ISA.

Поскольку технология за прошедшие два десятилетия отошла от шин ISA и параллельных шин, когда-то универсальный мир PC/104 раздробился на множество вариаций и обновлений. Сейчас существуют PC/104, PC/104‑plus, PCI/104, PCI/104‑Express, PCIe/104 и SUMIT-ISM. Это часто приводит к довольно сложным сочетаниям и комбинациям в экосистеме. То, что некогда казалось идеальным преимуществом, становится тяжким бременем, когда дело доходит до разработки нового продукта. Многие традиционные продукты и компоненты выработали свой ресурс, а заменить их трудно. Охлаждение также может обернуться грандиозной задачей из-за низких конструктивных требований по теплоотводу.

Современное поколение ЦП, включающее процессоры Atom Intel и AMD G‑серии, сегодня предпочтительный и зачастую единственный выбор для среднечастотных безвентиляторных устройств. Кроме того, во многих применениях общая площадь стопки плат PC/104 вызывает затруднения при компоновке. Когда-то ведущий форм-фактор в отрасли PC/104 больше не является законодателем мод.

Благодаря открытому международному стандарту SMARC компьютеры на модуле (CoM) предлагают широкий диапазон производительности и размеров, но только четыре форм-фактора являются настоящими, фактическими стандартами, которые поддерживаются контролирующими органами и основными дистрибьюторами. Перечислим их (рис. 1): это ETX; его удачное внешнее обновление, известное как XTX; COM Express, который сегодня является безусловным лидером рынка высокоскоростных систем, и относительно новый Qseven – форм-фактор для низкого энергопотребления, мобильных и ультрамобильных приложений CoM.

Ris.1.png

Рис. 1. Эволюция компьютеров на модуле от форм-фактора ETX до Qseven

Вместе эти четыре форм-фактора вобрали в себя все типичные преимущества компьютеров на модуле. В то время как решения большинства компаний не отвечают квалификационным требованиям в области новейших компьютерных технологий с их сверхтонкими штырьковыми выводами и очень чувствительными к электромагнитной совместимости высокоскоростными сигналами, компьютеры на модуле предлагают наиболее действенные средства, помогающие справиться с самыми трудными проектами. Эти устройства поступают полностью укомплектованными и гарантируют короткий период разработки. Разделение на две части – общую (CoM) и специализированную (основная плата) – облегчает масштабирование и обновление опций, а кроме того, обеспечивает «сшитую как по мерке» платформу, когда дело доходит до размера и размещения беспроводного соединителя ввода/вывода. Перейти на новейшую компьютерную технологию с меньшим энергопотреблением и большей вычислительной мощностью так же просто, как заменить компьютерный модуль. Из-за природы CoM модули этого формата обнаруживаются почти в безграничном количестве приложений. Выпуская компьютеры на модуле, OEM-производители могут быть уверены в завтрашнем дне благодаря множеству поставщиков, масштабируемости производительности, платформе, отвечающей последним требованиям, и сокращенному времени выхода на рынок. Все эти преимущества приводят к более конкурентоспособному конечному продукту на рынке для OEM.


Особенности четырех форм-факторов CoM

ETX

Embedded Technology eXtended, или ETX, представленный в 1998 году, стал первым фактическим стандартом в ряду CoM-форм-факторов. Он сохранил прежнюю систему ввода/вывода, поддерживает PS/2 и размер платы 3,7 × 4,5″ (95 × 114 мм). Утвержденным стандартом ETX стал в 2000 году. Из-за своего максимально возможного TDP (требования по теплоотводу) в 40 ватт применяется главным образом в промышленных сегментах рынка вычислений и автоматизации. Из других отраслей, где используются большие установленные системы на базе компьютерных модулей форм-фактора ETX, можно назвать медицину, транспорт и игры. Вместе с форматом PC/104 ETX – старший признанный стандарт среди малых форм-факторов с неограниченной поддержкой ISA. В настоящее время модули ETX используются главным образом в устаревших проектах, где необходимо поддерживать шину ISA, которой более двадцати лет. В связи с тем что чипсет 855 от Intel был снят с производства, сегодня модули форм-фактора ETX оснащены главным образом процессорами Geode, VIA или Atom, а новейшие модули ETF снабжены процессорами AMD G‑серии, которые предлагают полную графику и увеличение производительности ЦПУ.


XTX

Форм-фактор XTX, появившийся в 2005 году, является обновлением ETX и полностью с ним совместим. Отличается собственной поддержкой SATA (четыре порта) и четырьмя маршрутами PCIe, заменяющими шину ISA на четвертом соединителе. Это повышает производительность ввода/вывода до 2 Гб в секунду за маршрут, включая актуальные высокоскоростные интерфейсы на материнской плате. Если необходима совместимость с ETX, но не требуется поддержка шины ISA, то XTX – самый подходящий вариант. ХТХ является низкозатратным обновлением линейки от форм-фактора ETX до современных технологичных высокопроизводительных платформ вне 855 чипсета, так же как и шлюз к питанию двухъядерного процессора. Модули ETX находят применение в таких областях, как вычислительная обработка данных в промышленности, автоматизация, медицина, транспорт и игры.


COM Express

COM Express был представлен как стандарт консорциумом PICMG* в 2005 году. Основная цель состояла в том, чтобы создать универсальный, масштабируемый стандарт CoM, освобожденный от устаревших плат. Размеры, первоначально определенные PICMG, составляли 3,7 × 4,9″ (95 × 125 мм) для основных плат и 4,3 × × 6,1″ (110 × 155 мм) – для расширенных. По просьбе многочисленной группы производителей продукции COM Express был введен дополнительный размер 3,7 × 3,7″ (95 × 95 мм) – компактный, приблизительно такой же, как у платы PC/104 (90 × 96 мм). Кроме новой схемы соединителя и нескольких вариантов размера, плата COM Express снабжена рядом важных новых функций, включая: шесть PCIe-маршрутов, опцию PEG-порт (состоит из шестнадцати маршрутов PCIe), интерфейс SDVO, гигабитный LAN и изменения напряжения питания от 5 до 12 В. Требования по теплоотводу (TDP), прежде составляющие максимум 40 Вт (ETX/XTX), были увеличены до 137 Вт, включая самые мощные высокопроизводительные процессоры и графические чипсеты. Освобож­денный от «старья», выдвинутый корпорацией PICMG, COM Express стал популярнейшим стандартом CoM, имеющим самую богатую экосистему и получившим поддержку поставщиков. Для компьютеров на модуле сегодня обеспечен широкий выбор встроенных процессоров архитектуры х86 – от одножильного Atom низкой мощности до высокоэффективного четырехъядерного i7. Модули форм-фактора COM Express используются для мощных игровых компьютеров, высокопроизводительного медицинского оборудования и цифровых табло, для промышленных компьютеров, автоматизации, телекоммуникаций, на транспорте и в терминалах для оплаты по пластиковым картам в торговых точках.


Qseven

Самый новый из стандартов CoM. Был создан в 2008 году для поддержки маленьких устройств низкой мощности, мобильных и ультрамобильных приложений. Размер платы (рис. 2) составляет всего 2,76 × 2,76″ (70 × 70 мм), дорогой межплатный соединитель не требуется, нужен скорее недорогой, но тем не менее надежный разъем с 230 торцевыми контактами, использующийся в слоте платы MXM, который широко применяется в мобильных видеокартах. Теплоотвод ограничен 12 Вт, а указанное напряжение в 5 В позволяет мобильному устройству работать эффективно на двух литиевых элементах питания. Qseven поддерживает более современные шины ввода/вывода, включая до четырех маршрутов PCIe (никакого штепселя) с графикой, поддерживающей два порта – LVDS и SDVO (совместно с портом HDMI/дисплея). Qseven поддерживает интерфейсы CAN, SPI, LPC и SDIO, чтобы гарантировать максимальную гибкость для мобильных приложений. Qseven не является платформой лишь на базе х86, также определяется и поддерживается ARM. Очень полезная функция – общий интерфейс программирования встраиваемых приложений (EAPI) для промышленного применения, таких как сторожевой таймер, шина I²C, регулировка яркости дисплея, хранилище BIOS и чтение системных температур. Форм-фактор находит применение в карманных и ультрамобильных устройствах, компьютерных панелях, играх начального уровня, простом медицинском оборудовании, простом цифровом оборудовании, промышленных компьютерах, автоматизации, на транспорте, в мобильных приложениях для терминалов. Формат Qseven подходит для любых приложений с питанием от батареи или использующих технологию PoE, то есть с питанием через витую пару в сети Ethernet.

Ris.2.png

Рис. 2. Размер компьютера на модуле форм-фактора Qseven


Выбор форм-фактора

Подобрать для себя самый подходящий компьютерный модуль малого форм-фактора достаточно просто. Сначала проверьте свое ПО и потребности совместимости.

Если вам нужна поддержка шины ISA, выбирайте формат ETX.
Если требуется совместимость с ETX, но без шины ISA, выбирайте форм-фактор XTX.
Если запускается новый проект, то скорее всего понадобятся COM Express или Qseven – они подходят для долгого срока эксплуатации и внедрения новейших технологий.
Если вы нуждаетесь в двухъядерном (и более) процессоре, выделяющем свыше 12 Вт тепловой энергии, остановите выбор на COM Express.
Если нужен PGE-порт для поддержки внешней видеокарты, подойдет COM Express.
Если вы создаете карманный компьютер, мобильное или ультрамобильное устройство, оптимальный выбор – Qseven.
Если рассматриваете платформу не на базе х86, подойдет форм-фактор Qseven.
Если ваше оборудование будет работать от батареи или по сети Ethernet (PoE), понадобится Qseven.

Наконец, всегда имейте в виду, что, решив приобрести компьютер на модуле, вы должны работать с поставщиком, у которого отличная служба технической поддержки, полная документация и богатые инструментальные средства проектирования.

____________________
*PCI Industrial Computer Manufacturers Group. – Ассоциация производителей промышленных компьютеров с использованием шинной технологии Peripheral Computer Interconnect.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(51)_2014

Автор  – Дэн Демерс (Dan Demers),
с англ. перевел П.В. Андриевский, представитель компании 
Сongatec AG в РФ и СНГ,
тел.: (495) 684-1747,
e-mail: Pavel.Andrievskiy@congatec.com,
www.congatec.com/ru.html