Офисные компьютеры
"Полупромышленные" промышленные компьютеры
В мире действительно промышленных ММС
Новый аппаратный стандарт CompactPCI
Номенклатура CompactPCI
VME и CompactPCI
Что говорит история?
Станет ли могильщиком VMEbus-стандарт CompactPCI?
Бизнес-позиционирование

PCI - уникальное явление на современном компьютерном рынке; продолжается его экспансия на все новые и новые приложения, в частности и в область встраиваемых промышленных магистрально-модульных систем (ММС), уж никоим образом не предназначенных для реализации настольных офисных компьютеров. Об основных особенностях локальной шины PCI, о роли PCI в разработке высокопроизводительных одноплатных VME/VXI/MultibusII RISC/СISC-компьютеров российским специалистам уже достаточно хорошо известно. Данная статья посвящена развитию PCI-технологии для создания модульных встраиваемых приложений повышенной надежности. Здесь будет затронута история возникновения и основные особенности новой разрешающей промышленной технологии на основе шины PCI - CompactPCI. Под "разрешающей" технологией следует понимать некую технологическую основу, которая, обрастая мышцами "сопутствующих" технологий в виде процессоров, сетей, ввода/вывода, графики, механических спецификаций и т. д., становится центром кристаллизации компьютерного бизнеса большого числа независимых компаний. Несмотря на свой "младенческий" возраст, CompactPCI превратился в одну из ключевых разрешающих технологий на рынке высокопроизводительных встраиваемых ММС широкого назначения.

Как известно, начало разработке спецификации PCI было положено в 1991 году специалистами компании Intel. Основная цель: стандартизация интерфейса высокопроизводительных микроэлектронных компонентов процессорного ядра для семейства i486 и перспективных микропроцессоров. К таким компонентам относятся: микросхемы графических акселераторов SVGA, контроллеры дисковых подсистем EIDE, SCSI, элементы управления памятью, сетевые контроллеры Ethernet, ATM, AnyLAN, FDDI и т. д. Идею PCI в рамках организации PCI SIG (PCI Spesial Interest Group) поддержали все крупнейшие производители средств вычислительной техники: Motorola, HP, DEC, Sun, Apple.

Речь, в сущности, шла о решении проблемы ускоренной, относительно безболезненной разработки новых и новых поколений офисной техники на основе быстро меняющейся номенклатуры микропроцессоров. Стандартизация (с "запасом") локального интерфейса микроэлектронных компонентов - один из ключевых факторов быстрой смены поколений компьютеров. Если учесть, что "жизненный цикл" ключевых процессоров для офисного рынка - процессоров компании Intel - составляет 16-18 месяцев, можно понять, насколько актуальна задача стандартизации локального интерфейса периферийных микроэлектронных компонентов.

Офисные компьютеры

В области офисных приложений новые модели компьютеров плодятся как микробы в чашке Петри. Микропроцессоры, в среднем, обеспечены приемлемой "средой обитания". Пользователи получили новое, с точки зрения производительности, качество работы компьютеров при быстро снижающихся ценах. Производители вспомогательных микроэлектронных компонентов дружно перешли на PCI, расширив сбыт и продлив время жизни собственных серийных кристаллов компьютерной периферии. Разработчики программного обеспечения также получили "место для драки", существенно расширив переносимость своих продуктов за счет, по сути, максимального сближения аппаратной архитектуры компьютеров различных производителей, даже если они используют различные CPU. Та же Windows NT сегодня работает на рабочих станциях PowerPC компании Motorola, на любых компьютерах Pentium/Pentium Pro, на рабочих станциях Alpha. Роль PCI в этом процессе весьма велика. Быстрые процессоры, высокая скорость работы периферии, конфигурирование Plug-and-Play ввода/вывода, независимость от типа микропроцессора и другие плюсы PCI - неплохая база для совершенствования программного обеспечения.

PCI стал неотъемлемой частью любого современного ПК и подавляющего большинства рабочих станций как локальный интерфейс подсистемы ввода/вывода для наплатных расширений активной материнской платы. Обычно современная настольная персональная машина имеет 3-4 разъема для подключения стандартизованных PCI-плат. В мире персональных компьютеров шина PCI вполне способна, за счет многих факторов, стать одним из основных ингредиентов того лекарства, которое избавит персоналки, при всем моем уважении к любителям антиквариата, от "старческого маразма": MS-DOS & ISA. Ну посудите сами: семейка Pentium-процессоров, и ISA-шина как основная подсистема ввода/вывода, сродни российскому рублю в кармане. Вроде бы и деньги есть, а купить толком ничего нельзя. Или как двигатель от "Мерседеса" в "Запорожце".

"Полупромышленные" промышленные компьютеры

Архитектура управляющей машины на основе "классической" активной материнской платы малопригодна для промышленных управляющих систем, работающих в условиях повышенных требований к скорости восстановления, термо-, вибро-, ударопрочности. Прежде всего по причине неприемлемо длительного параметра MTTR (Mean-Time-To-Repair) - среднего времени восстановления системы, или, иначе говоря, из-за низкой надежности. Попробуйте быстро заменить материнскую плату с установленными платами ввода/вывода в своей настольной персоналке. В общем случае неприемлемыми являются и параметры ударо- и вибростойкости, термо-, влаго-, пылеустойчивости и т. д.

Некоторые компании-производители (IBM, GESPAC, I-Bus, Texas Microsystems, Xycom и др.), объединенные в консорциум PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturer's Group), предложили и в феврале 1994 года опубликовали спецификацию промышленного компьютера на основе пассивной PCI-магистрали с использованием одноплатных компьютеров/контроллеров, имеющих, по сути, стандартный офисный (desktop) механический формат, и устанавливаемых в специальное гнездо PCI&ISA (в сущности, стандартизации был подвергнут только формат одноплатного контроллера). Он поддерживает работу объектного ввода/вывода как через PCI-интерфейс, так и через ISA. Как правило, все компоненты вычислительного ядра (CPU, DRAM, сеть, графика и т. д.) содержатся сразу на плате контроллера-компьютера. Такой компьютер обычно имеет пассивную магистраль для установки одновременно 4-12 плат ISA и 4 плат PCI офисного формата в соответствии с PCI rev.2.0. Безусловно, можно было специфицировать такой компьютер и без ISA-расширений, но нельзя не учитывать наличия большого парка готовых ISA-плат, имеющих хождение на рынке. Действительно, параметры надежности этих промышленных компьютеров выше, чем у настольных. Хотя по сравнению с компьютерами, выполненными в наиболее популярном для промышленного мира формфакторе (механическом конструктиве) - "Евромеханике" - или, скажем, в сверхжестком SEM-E-формфакторе, их лучше именовать "полупромышленными", не ориентированными на конечные промышленные приложения, требующие действительно высокой надежности. Их идеальное место в системе управления - качественный человеко-машинный интерфейс/MMI с оператором, сетевая/архивная станция и/или система ввода/вывода в некритичных приложениях.

В мире действительно промышленных ММС

Одновременно PCI становится стандартом де-факто при создании высокопроизводительных одноплатных компьютеров/контроллеров для традиционных управляющих архитектур, предназначенных для работы в условиях, требующих высокой надежности (большого соотношения MTBF/наработка на отказ от 100 000 часов), короткого MTTR, механической компактности и большой канальности ввода/вывода. Это касается прежде всего самого популярного международного стандарта промышленных/военных ММС для систем реального времени - VMEbus, как, впрочем, и VXI/Мultibus-II, ряда "частнофирменных" стандартов. Сегодня промышленный одноплатный VME-компьютер на процессорах PowerPC, Pentium(Pro), Alpha без локального PCI-интерфейса представить себе практически невозможно. Просто экономически чрезвычайно невыгодно его создавать без применения PCI. Как нельзя его представить и без средств гибкого локального расширения ввода/вывода - мезонинного интерфейса PMC/IEEE 1386 на основе шины PCI.

PCI активно внедрился в новейшие разработки на основе сигнальных/DSP VME-процессоров с поддержкой PMC-ввода/вывода. Уже серийными стали разработки ROTS&MOТS/Rugged&Military Of The Shelf/ (готовые к использованию модули военного исполнения) вариантов одноплатных VME64/PCI - компьютеров с кондукционным охлаждением для военных и иных спецсистем. Внедрение PCI чрезвычайно облегчило проектирование VME-компьютеров на основе любого универсального RISC-процессора и коммуникационных "бестселлеров" типа МРС860 компании Motorola. Компания Tundra Semiconductor Corporation, больше известная как Newbridge Microsystems, выпустила ряд мостовых PCI-VME64 кристаллов, в частности Tundra Universe CA91CO42-33CE, которые позволяют любой PCI-компьютер без особых проблем выполнить в стандарте VME. Достаточно взглянуть на структурную схему современной VME/Pentium-одноплатки, чтобы понять: в сущности, архитектурно она отличается от "стандартной" РС/АТ-машины только механическим форматом и наличием мостового кристалла PCI-VME64. Общая идеология PowerPC и Alpha VME SBC - аналогична.

Очень существенно PCI повышает характеристики VMEbus-системы для мощного телекоммуникационного ввода/вывода. Кристаллы QSpan компании Tundra обеспечивают прямой выход самых популярных в мире коммуникационных процессоров МС68360, МРС860 и CISC real-time процессоров МС68040/68060/68070 на шину PCI.

В общем, и в мире мощных промышленных широковещательных шин стандарт PCI стал "своим". Он принес с собой много полезного с точки зрения скорости разработки, производительности, ценовой эффективности, стандартизации аппаратного и программного обеспечения, гибкости стандартных мезонинных расширений и т. д. Но принес и свои "болезни". В частности, ориентированный на блочные передачи (именно здесь PCI подтверждает свои преимущества) PCI не является "идеальной" средой для систем реального времени, где очень важны скорости единичных передач и скорость/гибкость/эффективность обработки прерываний от большого числа малорегистровых источников объектного ввода/вывода. В этом случае трафик на PCI снижается в несколько раз. Это, прямо скажем, не самые мелкие проблемы, с которыми приходится сталкиваться разработчикам приложений реального времени (весьма большой класс приложений в промышленной и военной сфере) при использовании интерфейса RISC/CPU+PCI+VME64. Особенно в критичных к времени реакции приложениях. Эти проблемы пытаются решать, как правило, за счет высокой производительности процессоров и оптимизации системного и прикладного программного обеспечения.

Cущественные изменения в ближайшем будущем претерпят и другие популярные архитектуры для встраиваемых промышленных приложений. Из наиболее заметных - стандарт РС-104. Производители этого класса аппаратуры уже выдвинули предложение о переводе его системной шины на стандарт PCI. Являясь, по сути, проекцией РС/АТ-архитектуры с 8/16-разрядной низкопроизводительной ISA-шиной, стандарт РС-104 делает практически бессмысленным применение новых поколений микропроцессоров, в частности Pentium, для построения основного host-процессора в своем традиционном применении. Учитывая, что i386/486-семейство (основное семейство для РС-104) фактически перестает существовать, - задача перевода РС-104 в PCI стала весьма актуальной. Общее давление домашнего/офисного рынка ПК на сектор "промышленных" РС/АТ приводит к "вымыванию" ISAbus как архитектурного класса с соответствующим окончанием SW/HW-поддержки ключевых производителей. Сегодня в офисных и встраиваемых Pentium/PowerPC-системах шина ISA используется, в основном, как дешевый компонент для поддержки низкопроизводительного ввода/вывода: FDD, СОМ1&2, LP, клавиатуры... Но посмотрите на активность Intel и K? в отношении USB-архитектуры! USB - уже реальная альтернатива ISA как подсистемы пользовательского ввода/вывода в ПК. Доказанная эффективность последовательных коммуникаций перед шинными/широковещательными приводит к очень быстрому росту разработок на базе уже де-факто стандартных интерфейсов SPI и I2C. Существует точка зрения, обычно декларируемая производителями встраиваемых "промышленных" ISA-компьютеров: мол, даже если ISA уйдет с общекомпьютерного офисного/домашнего рынка, то все равно ISA будет неплохо жить во встраиваемых промышленных приложениях. Трудно с этим согласиться. Теоретически можно спрыгнуть с быстро плывущего корабля (общая тенденция развития бытовых/офисных ПК и рабочих станций) посреди океана (общекомпьютерный офисный SW/HW рынок) и продержаться на воде еще некоторое время. Но совершенно точно можно сказать, что пока плаваешь, уже пора молиться за упокой. На языке бизнеса - пора думать об эффективности долгосрочных (это непреложное требование промышленных и военных проектов для класса встраиваемых приложений) инвестиций в определенный класс технологий.

В этом смысле, думается, многие производители "промышленных" РС/АТ с исключительно ISA-поддержкой объявят о той или иной версии своей причастности к PCI-архитектуре. У них просто нет другого шанса выжить.

Новый аппаратный стандарт CompactPCI

В начале 1995 года по инициативе компании Ziatech была сформирована рабочая группа из представителей компаний Ziatech, DEC, AMP, Prolog, GESPAC, IBM, Texas Microsystems и некоторых других, целью которой стало изучение возможности использования PCI в качестве системной широковещательной шины, действительно пригодной для создания широкого класса надежных промышленных и военных встраиваемых приложений. Основополагающие принципы разработки:

  • использование стандартных PCI-полупроводниковых компонентов;
  • использование стандартного промышленного евроконструктива 3U (100х160 мм)/6U (233х160 мм) как наиболее популярного в мире встраиваемого формфактора;
  • поддержка не менее 6 слотов расширения;
  • обеспечение эффективного конвекционного охлаждения, а в перспективе и кондукционного;
  • обеспечение возможности использования ключевых мезонинных технологий гибкого ввода/вывода: IndustryPack и PMC;
  • обеспечение максимально простой интеграции со стандартными промышленными шинами типа VMEbus;
  • обеспечение возможности "горячей замены" модулей ввода/вывода;
  • создание открытого стандарта, с самого начала поддержанного группой независимых компаний-производителей совместимых компонентов.
  • Задача весьма непростая. Необходимость поиска технологического и маркетингового баланса при генерации нового стандарта требует очень серьезных усилий, а результат при этом не гарантируется. Специалисты консорциума предложили исключительно заманчивый с технической и маркетинговой точки зрения вариант решения. Принцип кооперации и открытости очень хорошо зарекомендовал себя при разработке и стандартизации популярнейшего стандарта VMEbus. В этом смысле не случайно, что многие компании-разработчики являются и членами Международной ассоциации VITA, чей кооперационный потенциал способствовал бурному успеху VMEbus (VMIC, IBM, DEC, Force, AMP и др.). Почти год опытнейшие специалисты независимых компаний занимались поиском возможного решения. 1 ноября 1995 года была представлена Спецификация версии 1.0 нового стандарта, получившего название "CompactPCI".

    На чем, по мнению разработчиков, основывается логика его потенциального успеха?

  • CompactPCI полностью совместим со спецификацией PCI v2.хх.
  • Тип шины мультиплексируемая синхронная
    Разрядность 32 или 64 бит
    Тип процессора процессорно-независимая
    Число слотов 4
    Расширение мосты PCI-to-PCI
    Макс. пропускная способность 132 (32bit) или 264 (64bit) Мбайт/сек (33 MГц)
    Средняя пропускная способность 64 Мбайт/с
    Арбитраж простой одноуровневый
    Логика преимущественно CMOS, 5/3.3V

  • CompactPCI использует любые широкодоступные PCI-полупроводниковые компоненты от большого числа независимых производителей. Это кристаллы графики, сетей, дисковых подсистем, мостов собственных шин различных микропроцессоров, мостов на другие популярные интерфейсы и т. д. Это означает, что любое программное обеспечение, работающее на desktop PCI-компьютерах без какой бы то ни было модернизации, будет функционировать и в CompactPCI-системе, и готовая PCI-плата ввода/вывода для настольной машины может быть прямо переведена в стандарт CompactPCI без изменения схемотехники и програмного обеспечения. Важнейшим фактором является и низкая стоимость серийных PCI-компонентов, массово используемых на офисном рынке. Правда, это вовсе не означает, что аналогичные компоненты промышленного и тем паче военного исполнения окажутся столь же дешевы.
  • CompactPCI основан на общепринятой промышленной и военной технологии создания высоконадежных встраиваемых систем: пассивной объединительной магистрали.
  • CompactPCI использует самый популярный механический формат для промышленных магистрально-модульных систем: Европлаты формата 3U (100х160 мм) и 6U (233х160 мм), полностью аналогичные формату наиболее популярных промышленных шин VME, G64/96, STD32 и др.
  • CompactPCI обеспечивает возможность организации ввода/вывода как через переднюю панель, так и через дополнительные задние разъемы, поле для которых имеется на стороне системного соединителя сверху.
  • Три последних тезиса означают, что независимым производителям механических компонентов (каркасов, стоек, вентиляционных подсистем, источников питания, промышленных UPS) практически не требуются дополнительные инвестиции в разработку новой разрешающей технологии. "Евромеханика" чрезвычайно доступна от широчайшего круга независимых производителей. Это также означает, что стандарту органически присуща возможность функционировать в условиях повышенных требований к вибро- и термостойкости за счет проверенной годами эксплуатации конструкции и компоновки плат, легко вентилируемых и легко поддающихся замене. И наконец, это означает простоту интеграции в единую систему, учитывая единую механику и наличие полупроводниковых мостов, CompactPCI-аппаратуры и широчайшего спектра оборудования в иных евромеханических стандартах.

  • CompactPCI процессорно и программно независим. С использованием шины PCI сегодня строятся вычислительные устройства на базе процессоров PowerPC, Alpha, Pentium, Pentium Pro, MPC860, MC68360, MC68040/60, DSP. В стороне пока остаются различные SPARC-реализации (в том числе и "Евромеханика"/VME), пока остающиеся на архитектуре Sbus как на системе локального расширения.
  • Может быть использована любая операционная система, как общего назначения MS DOS, Windows 3.xx/95/NT, Unix, так и реального времени OS9, VxWorks, pSOS+, LynxOS, QNX. CompactPCI обеспечивает работу по технологии Plug-and-Play.
  • CompactPCI представляет собой открытую технологию. Cпецификация стандарта является общедоступной, курируется и распространяется независимой ассоциативной организацией производителей и пользователей PICMG. Спецификация CompactPCI распространяется свободно за чрезвычайно умеренную плату. "Короткая" спецификация предоставляется бесплатно.
  • CompactPCI использует стандартный, высококачественный и высоконадежный штырьковый системный разъем, широко популярный в мире телекоммуникаций. Впервые разработанный фирмой Siemens для собственных телекоммуникационных приложений, системный разъем CompactPCI сегодня выпускается несколькими компаниями и стандартизован как МЭК 1076-4-101. Задача выбора системного соединителя чрезвычайно ответственна. Он быть высоконадежным, компактным, обеспечивать малые величины емкостей между контактами для работы быстрой шины, обладать повышенным иммунитетом к шумам, допускать большое число вставок/удалений модулей, иметь защиты от ошибочного включения, быть широко распространенным и доступным, обеспечивать возможность развития спецификации и т. д. CompactPCI использует 235-штырьковый пятирядный разъ?м (47 контактов в ряду с шагом 2 мм). Из них 124 используются для PCI 32-bit, 55 для PCI 64-bit, остальные для дальнейшего расширения и питания. Во многом именно качество выбранного системного разъема определило возможность создания системы с удвоенным, по сравнению с desktop-вариантом, количеством слотов расширения.
  • CompactPCI обеспечивает существенно большие возможности расширения, чем это предусмотрено в базовой PCI-спецификации v2.0. Действительно, стандартная PCI v2.0-спецификация предусматривает максимум 4 слота расширения без использования дополнительных мостовых соединений. CompactPCI v1.0 предусматривает возможность установки максимум 8 слотов расширения без применения специальных мостовых кристаллов PCI-PCI. С использованием мостовых схем PCI-PCI количество слотов расширения может быть увеличено.
  • CompactPCI имеет потенциальные возможности для "горячей замены" модулей в работающей системе. Это чрезвычайно важно для систем, обслуживающих процессы с непрерывным циклом. Пока такой возможности, реально, CompactPCI не обеспечивает. Это один из предметов дальнейшей работы над стандартом.
  • CompactPCI обеспечивает возможность простой интеграции с традиционными системами на базе VME, G96, STD. Технологии такого объединения являются предметом стандартизации в рамках CompactPCI, в первую очередь с VME-системами, имеющими гигантскую номенклатуру и наибольшее распространение на рынке встраиваемых приложений. Возможность и логика такой интеграции изначально, органично, "с детства" заложена как в саму философию PCI, так и в его евромеханическую версию CompactPCI тем более. Для того чтобы это понять, достаточно рассмотреть общую концепцию вычислителя с PCI-архитектурой, в соответствии с которой выполняются все PCI-разработки. В наиболее общем виде она изображена на рис. 1.
  • Некоторые типовые варианты интеграции со стандартными промышленными шинами приведены на рис. 2.

    Для интеграции с системами VME64/6U используется верхний 220-pin разъем модуля CompactPCI. 180 контактов верхнего разъема используется под разводку VME64 (в рамках PICMG впервые специфицирован компанией Force), 40 контактов резервируются для расширения. Естественно, этими вариантами интеграции дело не ограничивается. Нельзя не сказать о технологии расширения CompactPCI собственными модулями для увеличения количества доступных слотов расширения. Вариант для 3U-каркаса показан в верхней части рис. 4. Для 6U-каркасов используется верхний разъем через дополнительный мост PCI-PCI на системной плате CompactPCI. Таким методом создаются системы CompactPCI с 14 слотами расширения. Но ожидать производительности "натурального" PCI от системы расширения, работающей через мост PCI-PCI, не стоит.

    Номенклатура CompactPCI

    Стандарт CompactPCI еще очень молод. Поэтому его специфическая для стандарта номенклатура сегодня очень невелика. Само собой, что первыми стали доступны самые основные элементы: специфическая механика (в отношении "общей" евромеханики для OEM или системных интеграторов ограничений нет - она выпускается сотнями компаний) и средства построения вычислительного ядра системы.

    Процессорные модули. Имеющиеся на рынке host-процессоры CompactPCI форматов 3U и 6U построены на базе PowerPC, Pentium и Pentium Pro. Декларируются разработки на базе МС683хх и МРС860. Номенклатура пока крайне мала. Коммерчески доступны только чуть более 10 базовых моделей плат от малого числа поставщиков. Они интегрируют CPU, DRAM, FLASH, SVGA, последовательные и параллельные порты, контроллеры дисков, клавиатуры и т. д., одним словом, являются одноплатными компьютерами. Структурные схемы и внешний вид типичных "простейших" host-процессоров формата 3U CompactPCI показаны на рис. 3-6.

    Контроллер CompactPCI полностью совместим со спецификацией PREP/CHRP для PowerPC и позволяет использовать широкий спектр программного обеспечения на этой платформе, начиная от широкого класса операционных систем реального времени и заканчивая NT и AIX. Контроллеры на базе Pentium, Pentium Pro обеспечивают работу всего спектра программного обеспечения, функционирующего на платформе IBM PC/AT.

    Особых комментариев эти рисунки не требуют. Кроме одного - данные процессоры полностью повторяют PCI-архитектуру настольных компьютеров, но в жестком промышленном формате. Типовыми отличительными признаками, с точки зрения архитектуры, могут являться повышенные объемы Eprom & Flash, отсутствие дисковых контроллеров и графического интерфейса, поскольку во встраиваемых приложениях они нужны не всегда.

    Ввод/вывод. На заре любого стандарта первыми на рынке появляются его механические компоненты и центральные вычислители. Однако действительно ключевым фактором, влияющим на коммерческий успех стандарта, являются его возможности по обеспечению функций ввода/вывода для максимально широкого круга конечных приложений. До осени 1996 года можно было утверждать: единственное, что может делать компьютер в стандарте CompactPCI, - это выполнять функции конторской настольной машины, включенной в офисную сеть.

    Ситуация резко изменилась осенью 1996 года после трех ключевых событий:

    1. Компания Green Spring Computers - лидер в области разработки и производства гибких мезонинных технологий ввода/вывода IndustryPack - выпустила свою знаменитую плату-носитель PCI-40 в формате 6U CompactPCI, названную сPCI-200, и в формате 3U под названием cPCI-100. Эта работа была выполнена по заявке и в кооперации с двумя крупнейшими фирмами, Force и ProLog, поддерживающими CompactPCI. К ним вскоре присоединилась и Zialtech. Выпуск носителей cPCI-200/100 означает, что OEM-компаниям и системным интеграторам открыт доступ к огромной номенклатуре объектного ввода/вывода от большого числа базовых поставщиков. А это практически любой ввод/вывод: аналоговый, цифровой, графический, телекоммуникационный NxRS232/422/485, промышленные (Profibus, LonWorks, CANbus), локальные (FastEthernet, Arcnet), глобальные (ISDN E1/T1, SS7, X25) сети, авиационные интерфейсы типа MIL1553B/ARINC/H009, управление двигателями/приводами, реле, таймеры, аудиоDSP, синтезаторы речи и т. д.

    2. Компания Creative Electronic System (CES, Швейцария) - весьма авторитетная в области создания систем реального времени высшей производительности (ядерная физика/авиация/космос) - выпустила первый универсальный модуль-носитель двух PMC-мезонинов (стандартные низкопрофильные промышленные мезонины на основе шины PCI). Для ОЕМ- и системных интеграторов открылся доступ к широкой, чрезвычайно гибко компонуемой номенклатуре PMC/IEEE1386/ - мезонинных модулей для наплатных, высокопроизводительных расширений: сети FastEthernet, AnyLAN, ATM, FDDI, RMN, быстрый аналоговый и цифровой ввод/вывод, DSP+аналоговый ввод/вывод, графические процессоры, авиационные сети, SCI-интерфейс, телекоммуникационные NxRS232/422/485 интерфейсы, ISDN E1/T1 и т. д. Кроме функций ввода/вывода такие носители имеют порт для сопряжения с VME64-оборудованием.

    Благодаря тому что разработчики хорошо продумали именно концепцию стандарта, современные мезонинные технологии гибкого ввода/вывода были адаптированы очень быстро. С помощью мезонинных технологий IP и PMC можно перекрыть очень большой спектр конечных приложений. Но все же пока не весь. Особо сложные модульные компоненты, как-то: сверхбыстрые АЦП/ЦАП (от 10 МГц) c большими буферами (до 1 Гбайт) с каналами для DSP, многопроцессорные DSP-подсистемы с локальными функциями ввода/вывода, управляемые фильтры, высокоточные (более 16 бит) преобразователи, коммуникационные процессоры - пока в CompactPCI недоступны. Именно высокотехнологичный ввод/вывод способен "сцементировать" стандарт и закрепить его начальный успех на рынке, особенно для систем с длительным жизненным циклом. Но нет сомнений в том, что названные разработки появятся в течение 1-2 ближайших лет.

    3. Force, вторая в мире по объему продаж после Motorola компания-производитель COTS/ROTS VME-модульных компонентов, главный участник международных консорциумов PICMG и VITA, выпустила базовую платформу Pentura VMES-8700 для телекоммуникационных и иных высокопроизводительных приложений. Она представляет собой гибридную VME64+CompactPCI встраиваемую платформу, которая, соединяя в себе лучшие промышленные технологии, обеспечивает работу максимально широкого спектра аппаратного (VME, CompactPCI, PMC, IP) и программного обеспечения. Подобные работы ведут и другие компании-производители базовых средств, в частности DEC, на платформе Alpha.

    Пожалуй, нет другого исторического примера, демонстрирующего, что некая новая разрешающая технология столь же быстро "нарастила мускулы" в организации ввода/вывода. В этом смысле CompactPCI сегодня уступает разве что VME- и VXI-системам.

    VME и CompactPCI

    Публикация материалов о CompactPCI в западной профессиональной периодике проходит под девизом: "CompactPCI. The Future of industrial computing". Некоторые "горячие" российские "аналитики", насмотревшись на эту фразу и вряд ли внимательно проанализировав последующие материалы, провозглашают: "Ребята, всем конец! Бросаем все - переходим на CompactPCI! Он похоронит всех своих конкурентов!" Аналитической западной периодике этот дух, как ни странно, вовсе не свойственен. Однако не представляется праздным вопрос: заберет ли вообще некую долю рынка (и какую именно) на каком-либо "игровом поле" стандарт CompactPCI у классических промышленных шин? И, в частности, у наиболее сильного игрока в области промышленных/военных, высокопроизводительных встраиваемых приложений - VMEbus? "Аналитики", слепо повторяющие чужие маркетинговые идеи, называют CompactPCI "могильщиком классических встраиваемых шин". Однозначного ответа сегодня нет и, видимо, быть не может.

    Что говорит история?

    "Могильщиков" VMEbus в истории промышленных/военных встраиваемых компьютерных приложений было уже несколько. Первый и главный из них - Multibus-II. 1984-87 годы стали временем жарких баталий в прессе: "Кому жить - VME или Multibus-II (M-II)?" Сторонники M-II находили в версии стандарта VMEbus того времени столько недостатков, что было непонятно, как эта техника вообще работает. Многие претензии оказывались справедливы. Результаты многолетней баталии к 1996 году: объемы сбыта модульных компонентов M-II сегодня не превышают 200 млн. долл. И неуклонно снижаются; ключевая фирма (Intel) фактически прекратила поддержку. Объемы сбыта VMEbus-модульных компонентов приближаются к 1,5 млрд. долл. и растут при поддержке ведущих в индустрии компаний Motorola, HP, DEC, Harris, Force, Tompson, Philips.

    Такая ситуация создалась в силу объективных причин, среди которых лучшие характеристики VMEbus для встраиваемых приложений реального времени, меньшие габариты и более низкие цены на готовые системы. Главное, что чрезвычайно важно для встраиваемых приложений - эффективная работа VME-процессоров с большим числом источников прерываний от модулей объектного ввода/вывода с регистровой архитектурой на фоне масштабируемого мощного трафика самой шины. M-II по своему характеру - шина передачи сообщений, и осуществлять массивные однократные пересылки, свойственные большинству приложений реального времени, в M-II оказалось просто дороже. M-II продолжает жить прежде всего в телекоммуникациях, где его свойства проявляются лучшим образом. Но остановившееся развитие

    M-II и способность современного VME к разнообразным скоростным блочным передачам, в том числе и к синхронным, говорит о том, что "срок жизни" M-II ограничивается ближайшими 2-3 годами. Cинхронный характер шины, технология передачи сообщений, поддержка Intel - все это не спасло M-II. VMEbus достаточно интенсивно развивается, и кто сегодня может однозначно сказать, какая она, эта шина VME: синхронная или асинхронная, мультиплексированная или нет? Ответ: она и та и другая, в зависимости от требований конечной задачи!

    Второй "могильщик" - стандарт FUTUREbus+. Действительно, великолепный стандарт (я не знаю с инженерной точки зрения более совершенного), обеспечивающий прекрасные скоростные характеристики (до 3,2 Гбайт/с), чрезвычайно эффективные механизмы обработки прерываний и организации многопроцессорной работы, использующий самую современную электронную низковольтовую технологию шинных драйверов, и т. д. Но коммерчески стандарт умирает, не прорвавшись на широкую дорогу, несмотря на начальные разработки крупнейших мировых компаний, несмотря на громкие рукоплескания действительно серьезных аналитиков и специалистов: ABB Automation, Force, HP, Philips, AT&T, ITT, Intel, Data General, Motorola, Sun, DEC. Главный виновник - все та же VMEbus.

    История показывает, что для победы на рынке встраиваемых приложений недостаточно синхронного характера шины (главное, что ставилось в заслугу M-II) и огромного запаса производительности вкупе с техническим совершенством (Futurebus+). Важнейшим является баланс цена/производительность/функциональность/энергопотребление для возможно большего числа конечных приложений.

    Станет ли могильщиком VMEbus-стандарт CompactPCI?

    Скорость. В декабре 1996 года на международной конференции по встраиваемым приложениям реального времени в Санта-Кларе была продемонстрирована система VME64, которая на 21-слотной магистрали показала скорость 320 Мбайт/с, при блочной "2-е" (синхронная передача по двум фронтам) передаче 64-битных слов с использованием стандартных TTL(F)-драйверов. Такт работы шины составлял 30 МГц. Дополнительная стоимость пассивных компонентов для магистрали, позволяющих осуществлять такие передачи, не превышает 20 долл. Система полностью совместима с VMEbus-оборудованием предыдущего поколения. В 3U-формате это аналогично скорости в 160 Мбайт/с. И это скорость передачи на 21-слотной магистрали! Комитет VSO/ANSI считает, что это не предельная тактовая частота работы - современные разработки VMEbus не уступают и даже превосходят скорости работы CompactPCI. Но следует отметить: разработки VME64 cо скоростью работы по магистрали 320 и более Мбайт/с пока не являются широкодоступными серийными изделиями.

    Следует отметить также, что VME и CompactPCI, как системные широковещательные шины, одинаково плохо смотрятся на фоне требуемых для современных перспективных микропроцессоров скоростей собственных шин микропроцессоров. Например, при реализации интерфейса процессор-память. Скажем, для процессора PowerPC 604ev эта скорость превышает 450 Мбайт/с, для Alpha она будет еще выше. Скорость работы удваивается, в среднем, через два года (последствия закона Мура).

    Многопроцессорность. VME и CompactPCI используют схему централизованного арбитража для обеспечения работы многопроцессорных конфигураций. Учитывая значительно большую гибкость логики арбитража и большее число линий запросов шины от задатчиков на VMEbus, можно сказать, что в многопроцессорных приложениях - CompactPCI для VMEbus слабый конкурент. Как по количеству устанавливаемых в каркас процессорных модулей, так и по гибкости их взаимодействия. Это не вина CompactPCI - просто для стандартного интерфейса периферийных микросхем этого по определению не требовалось при разработке.

    Количество слотов расширения. VME - 21 слот без применения мостовых соединений. CompactPCI - 8 слотов. При схожих скоростях работы с регистровым объектным вводом/выводом.

    Стоимость. Стоимости аналогичных по производительности и функциональности SBC в VME и CompactPCI одноплатных компьютеров очень близки, особенно варианты ROTS/MOTS. Высокопроизводительные SBC в этих стандартах имеют одну и ту же внутреннюю PCI-схемотехнику. Они различаются, в основном, только на стоимость микросхемы моста PCI-VME - т. е. на 100-200 долл. Но VME-процессор может управлять 21 слотом расширения, а CompactPCI - 8. Платы-носители мезонинного ввода/вывода - основной элемент организации ввода/вывода широкого назначения - для VME 6U стоят 510 долл., а для CompactPCI 6U - 1095. Евромеханические элементы систем, построенные на базе обоих стандартов, имеют в среднем аналогичные цены.

    Plug-and-Play. Новейшие процессоры VME64 поддерживают Plug-and-Play автоконфигурирование.

    Hot Swapping. Компоненты поддержки режима горячей замены модулей для VME разработаны и коммерчески доступны на базе подстандарта LiveInsertions-переходников. Такой возможности в CompactPCI пока нет. Правда, такие функции нужны далеко не всегда - только для особо надежных систем, поддерживающих, скажем, управление непрерывным производством, или в ответственных телекоммуникационных серверах.

    На сегодня можно сказать, что свои лучшие свойства, по отношению к VMEbus, CompactPCI проявляет в высокопроизводительных однопроцессорных конфигурациях с "небольшим" или "средним" количеством каналов ввода/вывода, которые поддерживают блочные протоколы обмена. Это встраиваемые сетевые/коммуникационные приложения, мультимедиа/MMI и т. п. Понятия "небольшое" и "среднее" количество каналов ввода/вывода определяется количеством доступных слотов расширения. Скажем, сегодня число двоичных каналов ввода/вывода на европлате формата 6U достигает 250. А сколько их будет завтра?

    Думаю, что уже началась основная конкурентная борьба VME и CompactPCI. В сложных VME-системах CompactPCI в состоянии вытеснить основное VME-вычислительное ядро - он более эффективен для работы с графикой и сетями, особенно при использовании на host-процессорах стандартных COTS-операционных систем типа Windows NT.

    Деньги. Объемы продаж VME и CompactPCI пока не поддаются сравнению. Слишком велика разница. Объем продаж оборудования CompactPCI в 1996 году не превысил 2 млн. долл. (VMЕ - более 1,2 млрд. долл.). Но положительная динамика роста предложений техники в этом стандарте весьма заметна. Объемы пилотных проектов в 1997 году в США на базе CompactPCI оцениваются уже в 150-200 млн. долл. Специалисты экспертной группы аналитической корпорация VDC/США считают, что рыночными лидерами в шинных архитектурах для встраиваемых приложений средней и высокой производительности к 2000 году будут PCI, CompactPCI и VME64 на фоне падения сбыта ISA и M-II. По крайней мере нынешние тенденции их прогноз подтверждают. Наиболее яркое свидетельство - выход на рынок с CompactPCI крупных производителей промышленных ММС: Force, PEP Modular Computers, CES, DEC. Вероятно, в стороне не останутся Motorola и Intel.

    Окружение. При сопоставлении VME и CompactPCI как разрешающих технологий следует учитывать, что сегодня никто не рассматривает достоинства или недостатки той или иной технологии в отрыве от сопутствующих ей "родственных" стандартов. Развитость инфраструктуры VME вместе с ее расширениями типа VSB, VXI, RAСEway, Autobahn, VICbus и т. д. делает VME очень сильным бегуном на длинные рыночные дистанции в военной сфере, телекоммуникациях и промышленности. Это подтверждают последние два года развития VMEbus-индустрии, когда VME начала значительно более активно внедряться в военные приложения высокоразвитых стран, прежде всего США, особенно после официального благословения армейского истеблишмента в ориентации на открытые промышленные стандарты, хорошо зарекомендовавшие себя на общепромышленном рынке. Объем производства VMEbus для военных приложений оценивается в 1996 году в 29% от всего объема сбыта, превысив объемы сбыта всех других секторов: телекоммуникации - 25%, промышленные системы 20%. А это чрезвычайно консервативный и большой для встраиваемых приложений рынок. Быстро в него не вливаются и быстро с него не уходят. Слишком велика ответственность.

    На сегодня такой инфраструктуры сопутствующих стандартов CompactPCI не имеет, что автоматически снижает его потенцию на рынке многоканальных, многопроцессорных и "особо живучих" систем. Но мало кто сомневается, что в перспективе апробированные в VME/M-II идеологические решения (например, по разделению ввода/вывода между различными процессорами и др.) найдут себе применение в CompactPCI, который впитал многие лучшие черты VMEbus: многомодульность, механический евроконструктив, простоту интеграции стандартных систем ввода/вывода (IP, PMC, MODPACKs), надежность. Он также соединил в себе лучшие черты технологий desktop-машин: недорогая и быстрая микроэлектронная база, совместимость с широчайшим спектром программного обеспечения. Его недостатки, скажем, по отношению к VME оборачиваются его достоинствами в определенных, лучших для него приложениях.

    Бизнес-позиционирование

    Все, что было сказано, представляет техническую, "инженерную" сторону дела. Заканчивая статью, не могу не затронуть другой, не менее, а может быть и более важной стороны вопроса. Долгое время промышленные/военные и офисные системы, по большому счету, "играли по разным правилам". Ключевым фактором промышленных систем, особенно встраиваемых, является здоровый консерватизм, ориентация на компоненты и технологии (процессоры, механика, магистральные стандарты, софтвер), гарантирующие создание конечных систем с длительным жизненным циклом, схожим с жизненным циклом объекта управления: прокатного стана, энерготурбины или командного пункта стратегических ракет. Офисные системы не столь критичны к смене поколений техники, конечные проекты в этой области значительно быстрее реализуются, подготовка прикладного ПО здесь много проще: подчас она сводится к простой инсталляции и относительно небольшой адаптации. Офисный рынок компьютерных SW/HW-компонентов уже давно начал жить по правилам, максимально понятным домохозяйкам. И это великолепно! Для домохозяек. Специалисты, применяющие в своих промышленных/военных системах технологии, скопированные с офисного рынка, - технологии, живущие по его, офисного рынка, законам, пройдя весь путь разработки, закончив комплект КД, проведя все типы испытаний и, скажем, сдав военную приемку, вдруг с удивлением обнаруживают, что заложенные в проект модели компьютеров или контроллеров сняты с производства. Стандартная ситуация. Люди ругаются, а сделать ничего не могут. По России "подвисших" над пропастью, по причине организационной близорукости конкретных менеджеров, систем сегодня довольно много. Даже в столь серьезном и консервативном стандарте, как VMEbus, время жизни конкретного модуля РС/АТ не превышает двух лет. Тогда как только для окончательной реализации с учетом КД многих серьезных систем требуется гораздо больший срок. Для сравнения: модель одноплатного VME-контроллера MVME147 компании Motorola выпускается уже 11 лет.

    В этом смысле CompactPCI является точным идеологическим сколком с офисного рынка и будет во многом следовать в его фарватере, наследуя его неизлечимую болезнь для конечного пользователя и разработчика конечных промышленных приложений - "сверхбыструю" смену поколений компьютерных ядер, поскольку основная архитектура здесь - архитектура Wintel, ориентированная, прежде всего, на дом и офис. Впрочем, это проблемы действительно только конечного пользователя и поставщика комплексных решений, а не производителей базовых компонентов и, тем паче, рыночных торговцев. Скажем, торговый дистрибьютор вряд ли будет считать это проблемой, он назовет это динамизмом или чем-то в этом роде. Для чисто "торговой" деятельности CompactPCI действительно очень привлекателен. Особенно при использовании программного обеспечения на основе операционных систем компании Microsoft. В этом смысле CompactPCI имеет все шансы стать популярным, особенно в России/СНГ, где немало интеграторов с трудом чувствуют разницу между VxWorks и MS-DOS, Unix и Windows 95.

    В этом смысле маловероятно, что CompactPCI станет хорошим лекарством от рыночной "головной боли". Впрочем, от мощнейшего влияния современных офисных технологий на рынок встраиваемых систем уже не уйти. Время, когда только промышленнность и "война" задавали основной тон в развитии новых компьютерных технологий, безвозвратно прошло. Системные аналитики и администраторы промышленных и военных проектов обязаны хорошо представлять себе рыночные законы позиционирования той или иной разрешающей технологии, проецировать это позиционирование на технические возможности того или иного класса техники и соответственно рассчитывать гарантии инвестиций при создании той или иной системы управления. Для тех читателей, кто не испытал на себе удовольствия смены поколения "офиса" в промышленных приложениях, скажу: считайте все сказанное в последнем разделе бредом консерватора, мечтающего притормозить технический прогресс.

    Тем не менее на вопрос, имеет ли CompactPCI шансы стать новым бестселлером на рынке встраиваемых приложений, сегодня можно с абсолютной уверенностью ответить: да. Благодаря открытости стандарта, мощной поддержке большого числа независимых производителей/продавцов и его ориентации на широкий класс встраиваемых приложений стандарт, безусловно, может ждать хорошее будущее. Свои сильные стороны он проявит прежде всего в однопроцессорных, малой и средней канальности системах, ориентированных на приложения мягкого реального времени с масштабируемой производительностью. Это очень широкий спектр приложений.


    Приносим извинения за отсутствие рисунков.

    Поделитесь материалом с коллегами и друзьями