Модули PC/104: надежные, компактные, масштабируемые

По сути, система формата PC/104 представляет собой модульную, повышенной надежности версию персонального компьютера (ПК). Модули PC/104 не требуют для подключения несущей платы (backplane), они сопрягаются с помощью шин ISA, PCI, и PCI Express (PCIe). Благодаря особенностям размещения разъемов и наличию несимметричных угловых отверстий для их крепления, модули данного формата позволяют создать компактную и высоконадежную систему.

Стандарт PC/104 использует широкий рынок персональных компьютеров (ПК) и изменяется вместе с ним, следуя за развитием поддерживаемых шин. Это сокращает время вывода новых систем на рынок, а также сводит к минимуму затраты на их разработку, поскольку полностью стандартизованные шины, вплоть до используемых разъемов и расположения выводов, обеспечивают взаимозаменяемость и функциональную совместимость модулей. Это означает, что разработчики системы могут выбирать из широкого спектра совместимых специализированных модулей формата PC/104 от различных производителей, чтобы адаптировать создаваемую систему под свои требования.

Рис. 1. Сборка компьютера формата PC/104

Преимущества стандарта PC/104

Наращиваемость

Конструкция и расположение разъемов шин ISA, PCI и PCIe позволяют соединять модули PC/104, как строительные блоки. Например, система PC/104 может включать в себя процессорный модуль (одноплатный компьютер), модуль питания и периферийные модули, например сетевые, а также сбора и хранения данных. Модули в системе жестко соединены с помощью стоек (рис. 1).

Прочность

PC/104 является по своей сути прочным. Жесткое резьбовое соединение через угловые монтажные отверстия в печатной плате обеспечивает минимальные колебания модуля при вибрации и ударах. Большинство модулей изготавливаются с расчетом на диапазон рабочих температур –40…+85 °C.

Компактность

Модули PC/104 имеют небольшой размер (96?90 мм), но предлагают весьма мощные возможности компьютерной обработки и сбора данных. Некоторые применения могут потребовать только один процессорный модуль PC/104 и источник питания. Сложные системы могут использовать процессорный модуль (одноплатный компьютер) и несколько специализированных периферийных модулей, таких как GPS-приемники, коммутаторы Ethernet, видеоконтроллеры и модули сбора данных.

Совместимость

Модули PC/104 изначально разработаны для совместной работы. Инженеры могут адаптировать свою систему под конкретные требования с использованием нескольких таких модулей от различных производителей.

Совместимость с ПК

Компьютеры PC/104 полностью совместимы с ПК, что снижает затраты на разработку и сокращает время выхода на рынок.

Шинная эволюция стандарта PC/104

Стандарт PC/104 включает в себя несколько различных спецификаций модулей, классификация которых основана на поддерживаемых ими шинах (рис. 2 и 3) [1]:

• PC/104 поддерживает только ISA.
• PC/104-Plus поддерживает ISA и PCI.
• PCI-104 поддерживает только PCI.
• PCI/104-Express поддерживает PCI и PCIe.
• PCIe/104 поддерживает только PCIe.
  

  Рис. 2. Стандарт PC/104, конфигурации шин

Первая спецификация PC/104 была принята в 1992 г. только что созданным консорциумом PC/104. Именно она определила форм-фактор всех модулей стандарта PC/104 и дала ему название по числу контактов в разъеме ISA, используемому в первом виде модуля стандарта PC/104.

Рис. 3. Разъемы (слева на право): ISA, PCI, PCIe для модулей PC/104

С появлением шины PCI консорциум в 2003 г. принял две следующие спецификации: PC/104-Plus и PCI-104.

Последние спецификации PCI/104-Express и PCIe/104 были приняты в 2008 г., когда получила широкое применение шина PCIe.

Одним из важных решений консорциума PC/104 является то, что все варианты спецификаций поддерживаются, ни один из видов модулей не считается устаревшим. Благодаря этому достигается длительное время жизни модулей, возможность модификации ранее выпущенных систем и применение модулей, которые давно зарекомендовали себя на рынке, во вновь разрабатываемых системах.

Как подтверждение этого факта, компания Advantech в 2016 г. выпустила PCM-3365 — одноплатный компьютер формата PC/104-Plus с устанавливаемыми процессорами Intel Atom E3825/E3845 и Celeron N2930. Спецификация PC/104-Plus полностью соблюдена, и модуль поддерживает шины PCI и ISA. [2]

На рис. 4 приведен пример объединения в систему модулей различных спецификаций стандарта PC/104.

Рис. 4. Пример совместного применения модулей разных спецификаций

Спецификации PCI/104-Express и PCIe/104

Спецификации PCI/104-Express и PCIe/104 дополнили стандарт PC/104 высокоскоростной шиной PCIe. Консорциум PC/104 выбрал PCIe из-за широкого применения этого интерфейса в ПК, его высокой производительности, масштабируемости и растущей доступности как компонентов для PCIe, так и компонентов, поддерживающих PCIe по всему миру. Шина PCIe обеспечивает высокую производительность физического интерфейса, сохраняя при этом совместимость программного обеспечения с существующей инфраструктурой PCI. Существуют три поколения шины PCIe, каждое поддерживает свою скорость. В 2013 г. консорциум PC/104 выпустил версию 2.1 спецификаций PCI/104-Express и PCIe/104, в которых утвердил применение второго и третьего поколения шины PCIe.

Скорости передачи данных в зависимости от поколения шины PCIe:

• первое поколение — 2,5 Гбит/с;
• второе поколение — 5 Гбит/с;
• третье поколение — 8 Гбит/с.

Спецификации PCI/104-Express и PCIe/104 позволяют очень гибко использовать разъем PCIe. В зависимости от назначения модуля, можно выбирать между максимальным набором интерфейсов и устанавливать разъем PCIe с тремя группами контактов (Bank), или установить разъем с одной группой контактов (OneBank) и использовать освободившуюся площадь печатной платы для установки необходимых компонентов. Варианты модулей PCI/104-Express и PCIe/104 показаны на рис. 5.

Рис. 5. PCI/104-Express и PCIe/104 с полным разъемом PCIe и в варианте OneBank

Спецификации PCI/104-Express и PCIe/104 определяют две версии разъема PCIe. Тип 1 содержит интерфейс PCIe ?16, контакты которого размещены в Bank 2 и Bank 3. В Типе 2 интерфейс PCIe ?16 заменен на два PCIe ?4, два USB 3.0, два SATA, LPC и контакты батареи часов точного времени (RTC). Тип 1, Тип 2 и версия OneBank совместимы в части Bank 1 (табл.).

Тип 1 PCIe ?16 обеспечивает максимальную гибкость и расширяемость для текущих и будущих проектов, которые требуют большую полосу пропускания интерфейса. Это может быть, например, применение PCIe ?16 в видеокартах нового поколения, в 1- и 10-Гбит Ethernet-коммутаторах, или использование PCI Express коммутатора-разветвителя для подключения различных интерфейсов с меньшей пропускной способностью. Спецификация позволяет PCIe ?16 быть сконфигурированным как два PCIe ?8 или два PCIe ?4.

Наиболее простой вариант применения модулей PC/104, в которых используется только ISA-шина, с модулями PCI/104-Express и PCIe/104, показан на рис. 4. Здесь мостом между модулями PC/104 и PCI/104-Express служат модули PC/104-Plus. Это могут быть как модули, используемые в данной системе, так и просто интерфейсные модули, имеющие единственную функцию моста между шинами ISA и PCI (как в примере). Так же необходимо поступить и при добавлении к этой системе модулей PCIe/104 с единственным разъемом PCIe, применив дополнительные модули PCI/104-Express в качестве моста.