Введение.

Несмотря на постоянное увеличение скорости и пропускной способности интерфейсов передачи данных, до сих пор в некоторых областях промышленности востребованы интерфейсы, разработанные еще в 80-е годы XX века. Связано это прежде всего с тем, что к некоторым промышленным объектам и устройствам предъявляются требования по доступности и непрерывной работе в течение десятков лет после ввода в эксплуатацию.

Примерами таких шин являются: ISA (Industry Standard Architecture) и VME (Versa Module Eurocard).

Шина VME, стандартизированная в 1981 году, служит ярким примером востребованности технологий, разработанных в предыдущие годы. Основное назначение данной шины - использование в сложных системах, таких как промышленные контроллеры, системы обработки данных и встраиваемые решения. Шина VME по-прежнему используется в специализированных областях, таких как аэрокосмическая и оборонная промышленность, где требуется высокая надежность и производительность. VME дала основу для развития и появления новых современных стандартов последовательных шин, таких как VITA 46 (VPX) и VITA 65 (OpenVPX), параллельно оставаясь востребованной на рынке.

На рис. 1 представлен объем рынка вычислительных модулей, с интерфейсом VME, не уступает более современным последовательным интерфейсам стандарта VPX [1].

Рис. 1. Объем рынка вычислительных модулей и систем с шинами VME, VPX (млн $).
Рис. 1. Объем рынка вычислительных модулей и систем с шинами VME, VPX (млн $).

Далее рассмотрим шину ISA и примеры выпускаемых модулей, базирующихся на данном интерконнекте.

Шина ISA была введена в 1981 году вместе с персональными компьютерами IBM PC. Это была одна из первых стандартных шин, обеспечивающих связь между центральным процессором и периферийными компонентами, такими как сетевые, графические карты и другие устройства ввода-вывода. ISA имела 16-битную архитектуру (с возможностью передачи данных по 8 бит) и обеспечивала максимальную тактовую частоту 8 МГц.

Шина ISA оставалась популярной в течение 1980-х и 1990-х годов, однако с ростом производительности компьютеров и требованиями к быстродействию постепенно была вытеснена более современными стандартами, такими как PCI. В свою очередь современные компьютеры полагаются на более быструю и эффективную шину – PCIe (PCI Express).

Несмотря на устаревание, шина ISA все еще встречаются в некоторых нишевых и специализированных приложениях, таких как встраиваемые системы и промышленные контроллеры, где необходима обратная совместимость с существующим оборудованием. где критически важны надежность и отказоустойчивость.

Стандарты на базе шины ISA.

Шина ISA служила основой для нескольких специализированных стандартов и форм-факторов, адаптированных для различных приложений и нужд. Далее рассмотрим три таких стандарта: PC/104, MicroPC и ETX.

PC/104.

Стандарт PC/104 (104 — число контактов в 16-разрядной шине ISA), предложен фирмой Ampro в 1987 года как шина расширения для своих одноплатных компьютеров [2]]. Изделия PC/104 выпускают несколько десятков компаний, объединенных в консорциум PC/104, занимающийся популяризацией данного стандарта c 1992 г.

Платы в стандарте PC/104 имеют размер 90 × 96 мм и позволяют создавать малогабаритные встраиваемые системы, совместимые с IBM PC. Платы PC/104 соединяются друг с другом в виде этажерки (рис. 2) или могут использоваться как высокоинтегрированные компоненты, вставляемые в более крупные платы, предназначенные специально для конкретных приложений.

Рис. 2. Объединение плат PC/104 в виде этажерки.
Рис. 2. Объединение плат PC/104 в виде этажерки.

Стандарт PC/104 эволюционирует и по сей день, постепенно заменяя низкоскоростные параллельных шины на современные последовательные. Развитие стандарта наглядно представлено на рисунке 3. Сейчас существуют 5 спецификаций стандарта: PC/104, PC/104‑plus, PCI-104, PCI/104‑Express, PCIe/104 [2].

Рис. 3 Спецификации стандарта PC/104.
Рис. 3 Спецификации стандарта PC/104.

Это часто приводит к довольно сложным сочетаниям и комбинациям в экосистеме (рис. 4)

Рис. 4. Совместное использование PCIe/104 и PCI-104.
Рис. 4. Совместное использование PCIe/104 и PCI-104.

.На рисунке 5 представлен модуль МЦП303 производства НПК «Атроник». Модуль, помимо шины ISA, оснащен следующими Legacy интерфейсами: PCI, LPT, PS/2, IDE, RS-232/485.

Рис. 5. Модуль центрального процессора МЦП303 формата PC/104-plus.
Рис. 5. Модуль центрального процессора МЦП303 формата PC/104-plus.

На протяжении почти 30-лет, PC/104 демонстрирует все признаки того, что по-прежнему остается важнейшим компонентом на рынке встраиваемых систем и расширяет свое присутствие в новых приложениях.

MicroPC.

Стандарт MicroPC был предложен в 1990 году фирмой Octagon Systems. При этом с самого начала ставилась цель обеспечения работы вычислительной системы в жестких условиях эксплуатации [2]. Платы семейства MicroPC имеют размеры 114 × 124 мм. Они вставляются в монтажный каркас с пассивной объединительной панелью и закрепляются специальными планками. Такая 4-точечная схема крепления (рис. 6) хорошо зарекомендовала себя в системах на базе шины VME. В системах, содержащих от 1 до 3 плат MicroPC, можно обойтись без монтажного каркаса. Платы при этом могут крепиться винтами в виде этажерки, аналогично PC/104, а системная шина может объединяться специальной панелью на базе гибкого многожил��ного кабеля. Для таких случаев все процессорные платы MicroPC имеют специальные клеммные колодки для подвода питания, минуя системную шину. Модули MicroPC полностью совместимы по физическим и электрическим параметрам с шиной ISA и могут быть установлены в слоты расширения ISA персонального компьютера, например собранного на базе процессорного модуля и объединительной платы соответствующих спецификации PICMG 1.0.

Рис. 6. Четырехточечная схема крепления плат MicroPC.
Рис. 6. Четырехточечная схема крепления плат MicroPC.

На рисунке 7 представлен модуль МЦП301-02 компании НПК "Атроник", предназначенный для установки в конструктивы MicroPC.

Рис. 7. Модуль центрального процессора МЦП301-02 формата MicroPC.
Рис. 7. Модуль центрального процессора МЦП301-02 формата MicroPC.

ETX.

ETX (Embedded Technology eXtended) – форм-фактор встраиваемых компьютерных модулей представленный в 1998 году компанией Kontron и утвержденный как стандарт в 2000 году. ETX фактически стал первым стандартом в ряду стандартов форм-факторов компьютерных модулей (Сomputer on Module (CoM) или System on Module (SoM. Размер платы составляет 95×114 мм (рис. 8). Каждая плата содержит встроенное процессорное ядро, оперативную память, порты ввода-вывода (последовательные порты, USB, аудио-, видео, Ethernet, PS/2). Все сигналы ввода-вывода, а также полноценная реализация шин ISA и PCI выведены на четыре низкопрофильных разъема типа Hirose на нижней стороне платы [4].

Рис. 8 Габаритные размеры модулей ETX.
Рис. 8 Габаритные размеры модулей ETX.

На рисунке 9 представлен компьютерный модуль МЦП901 в формате ETX производства НПК «Атроник». Модуль Предназначен для создания новых и продления жизненного цикла существующих спецвычислителей, требующих поддержку полноценных шин ISA и PCI.

Рис.9. Компьютерный модуль МЦП901 стандарта ETX.
Рис.9. Компьютерный модуль МЦП901 стандарта ETX.

Стандарты PC/104, MicroPC, ETX и представляют собой различные подходы к созданию компактных, эффективных и специализированных систем, которые строятся на основе концепций, исходящих от шины ISA. Несмотря на то, что данные стандарты отличаться по структуре и назначениям, все они показывают, как шина ISA повлияла на развитие рынка встроенных и компактных вычислительных решений. Стандарты PC/104, MicroPC, ETX продолжают оставаться актуальными и востребованными, благодаря своей надежности и совместимости с многими существующими системами.

Процессоры c полноценной поддержкой шины ISA.

Ведущие производители процессоров, такие как Intel, AMD и другие, прекратили выпуск чипов с поддержкой ISA. Последним процессором от AMD с поддержкой ISA был AMD Geode LX800, выпускавшийся с 2005г по 2022г. В настоящее время единственным крупносерийным производителем является тайваньская компания DMP Electronics INC (DM&P) выпускающая процессоры семейства Vortex86 с архитектурой x86 (рис. 10).

Рис. 10 Линейка процессоров семейства Vortex86.
Рис. 10 Линейка процессоров семейства Vortex86.

DM&P была основана в 1989 году как разработчик и производитель встраиваемых промышленных контроллеров с архитектурой x86. В компании есть 3 основных подразделения по разработке микросхем процессоров, компьютеров и приборов. Подразделение по разработке микросхем было основано в феврале 2007 года и отвечает за разработку, поставку и техническую поддержку процессоров серии Vortex86.

Семейство Vortex86 представляет собой систему на кристалле, которая в высокой степени интегрирует как устаревшие, так и современные интерфейсы ввода/вывода, с поддержкой настраиваемого BIOS, низким энергопотреблением от 2 до 6 Вт, широким диапазоном рабочих температур от -40 до 85 ℃ и жизненным циклом более 10 лет. Это надежный процессор для промышленных вычислительных систем.

Рис. 11. Процессор DM&P Vortex86DX3
Рис. 11. Процессор DM&P Vortex86DX3

Архитектура процессоров Vortex86 позволяет использовать наработанный в прошлые годы стек системного и прикладного ПО, тем самым продлевая срок службы выпущенных в прошлые годы компьютерных систем.

Самый современный процессор данного семейства - Vortex86DX3 (рис. 11) поддерживает следующие версии операционных систем:

- Windows: Windows CE6.0, Windows Embedded 2009, Windows XP, Windows 7

- Linux: CentOS_6.0, Tiny Core Linux 9, Ubuntu_8.04 – 12.04, Debian_4.0 – 10.0.

Кра��кие технические характеристики выпускаемых процессоров Vortex представлены в таблице 1.

Таблица 1

 Название

Vortex86DX3

Vortex86DX2

Vortex86DX

Частота

1000 МГц

800 МГц

800 МГц

Кол-во ядер

2

1

1

Техпроцесс

40 нм

90 нм

90 нм

FPU

Да

Да

Да

L1 кэш

16КБ C/D кэш

16КБ C/D кэш

16КБ C/D кэш

L2 кэш

256 КБ

256 КБ

256 КБ

BIOS Flash

8 МБ

2 МБ

2 МБ

Шина DRAM

32-бит DDR3 2 ГБ макс.

32-бит DDR2 2 ГБ макс.

16-бит DDR2 1 ГБ макс.

GPU

2D Engine, CRT/LCD,

2D Engine, CRT/LCD, UMA

Нет

UMA, Dual Display

HD-Audio

Да

Да

Нет

Сторожевой таймер

2

2

2

PCI шина

PCIe x 2

PCIe x 2

Да

ISA шина

Да

Да

Да

LPC шина

нет

нет

Да

USB

USB 2.0 Host x 4

USB 2.0 Host x 4

USB 2.0 Host x 4

USB 1.1 Client x 1

USB 1.1 Client x 1

USB 1.1 Client x 1

Последовательный порт

9 макс.

9 макс.

5 макс.

GPIO

88-бит макс.

88-бит макс.

40-бит макс.

Ethernet (10/100 Мбит/с)

1

1

1

SD/MMC

2

2

2

SATA/IDE

IDE + SATA

IDE + SATA

IDE

Параллельный порт

1

1

1

CAN

0

0

0

I2C

2

2

2

SPI

2

2

1

АЦП

11-бит x 8 каналов.

Нет

Нет

Габариты

31 x 31 мм

31 x 31 мм

27 x 27 м

Рабочий темп. диапазон

-40 ~ +85°C

-40 ~ +85°C

-40 ~ +85°C

Процессоры Vortex86 являются отличными примерами того, как устаревшая ISA-архитектура продолжает находить применение в специфических нишах. Они демонстрируют, как новые технологии могут сосуществовать с наследием более старых стандартов, обеспечивая функциональность даже в условиях ограничений по производительности и энергоэффективности.

Производители встраиваемых систем с поддержкой шины ISA.

 Подтверждением востребованности встраиваемых систем на базе шины ISA (и других Legacy-интерфейсов) является наличие модулей в номенклатуре ведущих мировых производителей из Америки (RTD, Diamond Systems, Tri-M), Европы (Kontron), Азии (Adlink, Advantech, Arbor, Icop).

Встраиваемые процессорные и периферийные модули с шиной ISA востребованы также в РФ и выпускаются отечественными производителями представленными в таблице 2.

Таблица 2

 

PC/104

MicroPC

ETX

АО «НПК «Атроник»

v

v

v

ПАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука»

 

v

 

ЗАО «НПФ «Доломант»

v

v

v

ООО «КАСКОД-ЭЛЕКТРО»

v

 

 

АО «Элкус»

v

v

 

Заключение.

Шины ISA занимает свое место в истории вычислительных технологий став основой для множества технологий, которые мы имеем сегодня. Она сыграла ключевую роль в развитии стандартов расширения для персональных компьютеров, обеспечив универсальность и возможность модернизации.

Несмотря на то, что ISA уступила место более современным интерфейсам в приложениях на общем рынке, она сохраняет свою востребованность в специализированных отраслях, таких как: железнодорожный и морской транспорт, авионика, техника специального назначения

Литература.

  1. Brian Arbuckle. VITA‑standard market update [Электронный ресурс] // Embedded Market Research. — 2023. URL: https://img1.wsimg.com/blobby/go/c3b245e2–9f67–4585–8ba4-f8410b2aff39/downloads/ac58 376c-35f2–4587-a55f‑cc5cd24abea1/M01%20-%20Arbuckle.pdf?ver=1 731 962 822 526

  2. Сорокин С.А. Micro PC и PC/104: два подхода // CTA. — 1996. № 1. — С.16–20.

  3. PC/104 Specifications [Электронный ресурс]. URL: https://pc104.org/

  4. Медведев А.В. Компьютерные модули: преимущества и популярные стандарты // CONTROL ENGINEERING Россия. – 2022. - №3. – С.14-20.