Концепция ОМАС и контроллеры на базе PC

Концепция открытой модульной архитектуры контроллеров - OMAC (Open Modular Architecture Controls) была выдвинута фирмой General Motors летом 1994 г. в документе, содержащем требования к контроллерам, использующимся в автомобильной промышленности.

Смысл OMAC-требований к контроллерам вкратце можно сформулировать в терминах, основные из которых представлены в названии архитектуры:

- Open (открытая) архитектура, обеспечивающая интеграцию широко распространенного на рынке аппаратного и программного обеспечения;

- Modular (модульная) архитектура, позволяющая использовать компоненты в режиме Plug & Play (устройства, не требующие настройки со стороны пользователя. Дословно Plug and Play переводится как "Вставил и пользуйся".
У этих устройств унифицированные протоколы связи и поддержка стандартными драйверами Windows. При установке такого устройства производится автоматическое определение типа и марки устройства. Далее автоматически устанавливается драйвер. После установки драйвера устройство запускается. Определяются необходимые настройки для него, и разрешается пользование им);

- Scaleable (масштабируемая) архитектура, позволяющая легко и эффективно изменять конфигурацию для конкретных потребностей;

- Economical (экономичная) архитектура, обеспечивающая невысокую стоимость жизненного цикла контроллерного оборудования;

- Maintainable (легко обслуживаемая) архитектура, выдерживающая напряженные условия работы в цехах и простая в ремонте и обслуживании (минимальное время простоя).

Контроллер на базе персонального компьютера(PC):

Это направление существенно развилось в последнее время, что объясняется, в первую очередь, следующими причинами:

• повышением надежности РС;

• наличием множества модификаций персональных компьютеров в обычном и промышленном исполнении;

• использовании открытой архитектуры;

• легкости подключения любых блоков ввода/вывода (модулей усо), выпускаемых третьими фирмами;

• возможностью использования широкой номенклатуры наработанного программного обеспечения (операционных систем реального времени, баз данных, пакетов прикладных программ контроля и управления).

Контроллеры на базе PC, как правило, используют для управления небольшими замкнутыми объектами в промышленности, в специализированных системах автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах коммуникации. Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит нескольких десятков, а набор функций предусматривает сложную обработку измерительной информации с расчетом нескольких управляющих воздействий. Рациональную область применения контроллеров на базе PC можно очертить следующими условиями:

• выполняется большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени при небольшом количестве входов и выходов объекта управления (необходима большая вычислительная мощность);

• средства автоматизации работают в окружающей среде, не слишком отличающейся от условий работы офисных персональных компьютеров;

• реализуемые контроллером функции целесообразно (в силу их нестандартности) программировать не на одном из специальных технологических языков, а на обычном языке программирования высокого уровня, типа C++, PASCAL и др.;

• практически не требуется мощная аппаратная поддержка работы в критических условиях, которая обеспечивается обычными контроллерами. К функциям такой поддержки относятся: глубокая диагностика работы вычислительных устройств, меры автоматического резервирования, в том числе устранение неисправностей без остановки работы контроллера, модификация программных компонентов во время работы системы автоматизации и т.д.

На рынке контроллеров на базе PC в России успешно работают кампании: Octagon, Advantech, Analog Devices и др. Многие российские фирмы закупают компьютерные платы и модули ввода/вывода этих фирм и строят из них контроллеры.

89. Шины PC: ISA, PC-104, PCI, CompactPCI, VME.

Шина – это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Шина может представлять собой набор проводящих линий, вытравленных на печатной плате, провода припаянные к выводам разъемов, в которые вставляются печатные платы, либо плоский кабель. Компоненты компьютерной системы физически расположены на одной или нескольких печатных платах, причем их число и функции зависят от конфигурации системы, её изготовителя, а часто и от поколения микропроцессора. Основными характеристиками шин являются разрядность передаваемых данных и скорость передачи данных.

Наибольший интерес вызывают два типа шин – системный и локальный.

Системная шина предназначена для обеспечения передачи данных между периферийными устройствами и центральным процессором, а также оперативной памятью.

Локальной шиной, как правило, называется шина, непосредственно подключенная к контактам микропроцессора, т.е. шина процессора.

Шина ISA (Industry Standart Architecture) – шина, применявшаяся с первых моделей PC и ставшая промышленным стандартом. Обладает хорошей помехоустойчивостью. Шина обеспечивает своим абонентам возможность отображения 8- или 16- битных регистров на пространство ввода-вывода и памяти. Диапазон доступных адресов памяти ограничен областью UMA (Unified Memory Architecture - унифицированная архитектура памяти).

Абоненты шины могут использовать до трех 8-битных каналов DMA
(Direct Memory Access - прямой доступ к памяти), а на 16-битной шине могут быть доступными еще три 16-битных канала.

Все перечисленные ресурсы системной шины должны быть бесконфликтно распределены между абонентами. Бесконфликтность подразумевает следующее:

- каждый абонент должен при операциях чтения управлять шиной данных (выдавать информацию) только по своим адресам или по обращению к используемому им каналу DMA.

- области адресов для чтения не должны пересекаться. "Подсматривать" не ему адресованные операции записи не возбраняется.

- назначенную линию запроса прерывания IRQx абонент должен держать на низком уровне в пассивном состоянии и переводить в высокий уровень для активации запроса.

- неиспользуемыми линиями запросов абонент управлять не имеет права, они должны быть электрически откоммутированы или подключаться к буферу, находящемуся в третьем состоянии.

- одной линией запроса может пользоваться только одно устройство. Такая нелепость (с точки зрения схемотехники ТТЛ) была допущена в первых PC и в жертву совместимости старательно тиражируется уже много лет.

PC-104 — шина расширения (которая также дала название формату плат), созданная на базе 8-разрядного варианта шины ISA. Название стандарта было получено из-за применения 104-контактного разъёма шины ISA, расположенного в нижней части платы.

Отличительной особенностью механического конструктива PC/104 является расположение контактов не на ребре платы, а перпендикулярно ей, что позволяет устанавливать платы друг на друга как бутерброды.

Такая конструкция позволяет собрать до 3-6 плат в один большой «сэндвич» и разместить его в компактном герметичном корпусе, который будет иметь большую ударопрочность. Подобный подход широко применяется в авионике, космонавтике, военной технике.

Недостатки:

· Низкоскоростная шина ISA — устарела.

· Горячей замены плат не может быть в принципе, так как разобрать собранный «сэндвич» из плат непросто.

Достоинства:

· Полная совместимость с персональными компьютерами.

· Можно использовать в качестве мезонинной платы.

· Шина ISA очень хорошо изучена, много специалистов.

· Большая скорость обычно не требуется, при необходимости можно использовать PC/104+.

· Большая ударопрочность.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus – взаимосвязь периферийных компонентов) - шина соединения периферийных компонентов. Была анонсирована компанией Intel в июне 1992 года на выставке PC Expo.

Эта шина занимает особое место в современной PC-архитектуре
(mezzanine bus), являясь мостом между локальной шиной процессора и шиной ввода-вывода ISA/EISA или MCA. Эта шина разрабатывалась в расчете на
Pentium-системы, но хорошо сочетается и с 486 процессорами, а также с не-
Intel'овскими процессорами. Шина PCI является четко стандартизованной высокопроизводительной шиной расширения ввода-вывода. PCI – мультиплексная
32-разрядная шина. Существует также 64-разрядная версия. Частота шины 20-33
МГц. Стандарт PCI 2.1 допускает и частоту 66 МГц. Теоретическая максимальная скорость 132/264 Mбайт/с для 32/64 бит при 33 МГц, и 528
Мбайт/с при 66 МГц. Слот PCI достаточен для подключения адаптера, на системной плате он может сосуществовать с любой из шин ввода- вывода.

На одной шине PCI может быть не более четырех устройств (слотов).
Мост шины PCI (PCI Bridge) - это аппаратные средства подключения шины PCI к другим шинам. Host Bridge - главный мост - используется для подключения PCI к системной шине (шине процессора или процессоров). Peer-to-Peer Bridge - одноранговый мост - используется для соединения двух шин PCI. Две и более шины PCI применяются в мощных серверных платформах - дополнительные шины
PCI позволяют увеличить количество подключаемых устройств.

Автоконфигурирование устройств (выбор адресов, запросов прерывания) поддерживается средствами BIOS и ориентировано на технологию Plug and Play.
Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода-вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым контроллером при обращении процессора к регистрам контроллера шины PCI, расположенным в его пространстве ввода-вывода.

Шина PCI все обмены трактует как пакетные: каждый кадр начинается фазой адреса, за которой может следовать одна или несколько фаз данных.
Количество фаз данных в пакете неопределенно, но ограничено таймером, определяющим максимальное время, в течении которого устройство может пользоваться шиной. Каждое устройство имеет собственный таймер, значение для которого задается при конфигурировании устройств шины.

В каждом обмене участвуют два устройства - инициатор обмена
(Initiator) и целевое устройство (Target). Арбитражем запросов на использование шины занимается специальный функциональный узел, входящий в состав чипсета системной платы. Для согласования быстродействия устройств- участников обмена предусмотрены два сигнала готовности IRDY# и TRDY#. Для адреса и данных на шине используются общие мультиплексированные линии AD.
Четыре мультиплексированных линии C/BE[3:0] используются для кодирования команд в фазе адреса и разрешения байт в фазе данных.

Шина имеет версии с питанием 5 В, 3.3 В. Также существует универсальная версия (с переключением линий +V I/O c 5 В на 3.3 В).

Шина PCI являлась до последнего времени второй (после ISA) по популярности применения. В современных системах происходит отказ от шин
ISA, и шина PCI выходит на главные позиции. Некоторые фирмы для этой шины выпускают карты-прототипы, но, конечно же, доукомплектовать их периферийным адаптером или устройством собственной разработки гораздо сложнее, чем карту
ISA. Здесь сказываются и более сложные протоколы, и более высокие частоты
(8 МГц у шины ISA против 33 или 66 МГц у шины PCI). Также шина PCI обладает плохой помехоустойчивостью, поэтому для построения измерительных систем и промышленных компьютеров используется все еще относительно редко.

CompactPCI — системная шина, широко используемая в промышленной автоматике. Электрически шина отличается от PCI стандарта 2.2 тем, что позволяет подключить большее число устройств. Но в целом совместима и обычно использует тот же набор микросхем. Физически разъём выполнен по-другому и позволяет использовать «горячее подключение» плат — то есть устанавливать и извлекать плату, не прерывая работоспособности компьютера. Основной конкурент — шины VME, VME32, VME64. Широкое применение сдерживается высокой ценой изделий по сравнению с VME.

Характеристики:

· Разрядность — 32/64

· Адрес/Данные — мультиплексируемые

· Тип шины — синхронная шина 33 МГц или 66 МГц. Частота шины зависит от того, способны ли все устройства, включая системное (мастер) работать на данной частоте. Если хотя бы одно из устройств не работает на частоте 66 МГц - мастер выбирает частоту 33 МГц.

· Конструктив — Евромеханика 3U,6U

· Максимальное количество модулей в крейте — 8/16

· Пропускная способность в 32-разрядном варианте — 132 Мбайт/с. Соответственно максимальная пропускная способность на 64 разрядной шине при частоте 66 МГц составляет 528Мбайт/с. Но данную пропускную способность не просто получить. При проектировании устройства необходимо решить проблему "конфликта" устройств при доступе к шине, а также знать, будет ли системная плата принимать все данные или будет часть игнорировать, для того чтобы, например, обработать более высокоприоритетные от Ethernet 100 Мбит или 1Гбит.

· практика показывает, что изделия сделанные в стандарте 3U 6U не надёжны при эксплуатации в движении на машинах. Оборудование даёт сбои при тряске или ударах (что является нормой при езде). Также следует обратить внимание, на то что не все устройства работоспособны при низких температурах.

Зато это оборудование отлично подходит для создания измерительных или управляющих компьютеров, стендов, частей станков.

VMEbus (англ. VersaModule Eurocard bus, иногда VME) — стандарт на компьютерную шину, первоначально разработанный для семейства микропроцессоров Motorola 68000, и в дальнейшем нашедший применение для множества других приложений. Шина VME была стандартизирована МЭКкак ANSI/IEEE 1014—1987.

Для того, чтобы обеспечить возможность применения шин различной разрядности, была предусмотрена возможность применения двух различных типов разъёмов: P1 и P2. Разъём типа P1 содержит три ряда по 32 контакта, и позволяет использовать младшие 24 разряда адреса и 16-разрядную шину данных, а также все управляющие сигналы. Разъём типа P2 содержит на один ряд контактов больше; этот дополнительный ряд содержит оставшиеся 8 линий адреса и 16 линий данных.

Логически все устройства шины VME делятся на три типа:

· ведущий;

· ведомый;

· арбитр.

Ведущий — инициирует циклы на шине. Ведомый — осуществляет операции по команде ведущего. Арбитр — осуществляет контроль над занятостью шины.

Для управления шиной используется набор из девяти линий, известный как arbitration bus. Всю передачу информации по шине контролирует арбитр шины, расположенный на плате, установленной в слот номер 1 шасси, такая плата называется arbiter module. В общем случае для передачи информации по шине каждая плата должна запросить доступ к шине, установив одну из линий bus request in на arbitration bus в активное состояние (лог. 0) для того, чтобы арбитр мог определить её номер слота. Когда арбитр освобождает шину, он сканирует линии bus request in, и проверяет, находятся какие-либо из них в активном состоянии. Если это так, то арбитр устанавливает линию bus busy в активное состояние, указывая таким образом всем устройствам на шине, что шина занята, и разрешает доступ к шине одному устройству путём установки линии bus grant out в активное состояние.

После этого устройство получает доступ к шине. Для того, чтобы записать данные, устройство выставляет адрес и данные на шину, и устанавливает в активное состояние линии address strobe и две линии data strobe, для указания того, что данные готовы, а также устанавливает линию write в активное состояние. Для указания разрядности данных, пересылаемых в данном цикле, используется две линии data strobe, с помощью которых кодируется размер данных: 8, 16 или 32 бита (или 64 для VME64). Ведомое устройство, прочитавшее адрес с шины и опознавшее его как свой, читает данные и устанавливает линию data transfer acknowledge по завершении (в случае ошибки устанавливается линия bus error). Чтение данных происходит аналогичным образом, но ведущее устройство устанавливает на шине только адрес и устанавливает линию read в активное состояние. Другое устройство устанавливает на шине данные и data strobe в активное состояние. Подобный способ обмена называется асинхронным, означая то, что на шине не существует сигнала общей синхронизации (который есть на синхронных шинах, таких, как PCI).

Шина VME имеет семь линий запроса на прерывание (именно столько их было у 68000). При приходе запроса на прерывание по одной из этих линий арбитр шины записывает уровень прерывания на шину адреса, чтобы указать, какое прерывание надо обработать. Часто отмечают, что чрезмерное количество уровней прерываний является одним из немногих примеров избыточности в архитектуре 68000, однако для шины VME это не является большим недостатком.

Характеристики:

· Разрядность шины — 32/64

· Адрес/Данные — раздельные (VME32), мультиплексируемые (VME64)

· Тип шины — Асинхронная

· Конструктив — Евромеханика 3U, 6U, 9U

· Максимальное количество модулей в крейте — 21 штука

· Пропускная способность в 32-разрядном варианте — 40 Мбайт/с (VME32), 80 Мбайт/с (VME64)

В режиме блочных передач (когда на 1-у передачу адреса идёт несколько передач данных) скорость может достигать 320 Мбайт/с (VME64).