Немного истории
Рост интеграции - выделение мезонинов
Стандартизация мезонинов
Современный общеупотребительный мезонин
Маркетинговые преимущества применения мезонинов
Другие преимущества мезонинов
Типы мезонинных технологий
Некоторые технические характеристики мезонинов
Программное обеспечение
Продвижение технологии
Платы-носители для IP
Количество размещаемых IP
Номенклатура IP
Новые веяния

Промышленная и военная сферы электроники весьма консервативны, поэтому взрывоподобные (в смысле нововведений, конечно) явления здесь нечасты. Но и они порой возникают - например, в области современных стандартных мезонинных технологий для организации гибкого ввода/вывода, не зависимого от компьютерной платформы.

Немного истории

Появление и использование мезонинных плат было вызвано всеобщим переходом электроники с ламповой техники на транзисторы и микросхемы. Значительно меньше стали размеры новых элементов, их вес и энергопотребление. При этом оказалось возможным располагать платы гораздо ближе друг к другу. И если в процессе конструирования аппаратуры не все элементы умещались на, основной плате, то на нее устанавливали параллель, еще одну, небольшую. Такие дополнительные - "мезонинные" - платы стали часто использоваться в качестве расширения основных. Так они используются и до сих пор, как в единичном, так и в массовом производстве.

Рост интеграции - выделение мезонинов

За последние годы значительно выросли возможности по интеграции конечной целевой системы. Если в середине 80-х для построения SCSI-интерфейса, например, приходилось конструировать полноформатную плату, то для сегодняшнего уровня микроэлектроники это и слишком дорого и даже неприлично. Когда нельзя реализовать подобную функцию на одном кристалле, то надо попытаться использовать хотя бы мезонинную плату. Промышленная электроника превратила случайное появление мезонинных "нашлепок" в технологию функционально законченных модулей, находящихся по своему уровню между обычными платами и отдельными радиоэлектронными элементами. Выделение нового уровня модульности опиралось, в первую очередь, на их стандартизацию, вначале, естественно, внутрифирменную.

Стандартизация мезонинов

Сейчас работа по стандартизации мезонинов обычно начинается в VITA (международной ассоциации VME/

VXI/FUTUREbus+), обладающей правом законодательной инициативы по цепочке VITA-IEEE-ANSI-ISO. Стандартизация мезонина - это фиксация габаритов, присоединительных разъемов и, конечно, дисциплины обмена по шине - внутреннего интерфейса, в данном случае между основной и мезонинной платами. Особенно важна открытость стандарта, то есть доступные всем спецификации, не отягощенные всякими патентными веригами. С технической точки зрения это означает еще и то, что мезонинная плата может работать на разных платах-носителях. Именно эти два момента, то есть стандартизация интерфейса между мезонинной платой и основной платой-носителем, а также независимость первых от вторых, как раз и стали важнейшими шагами в создании современной технологии мезонинных модулей.

Современный общеупотребительный мезонин

Современный мезонинный модуль имеет очень небольшие габариты (скажем, 45х99 мм) и два разъема. Один разъем выходит на стандартизованную локальную шину платы-носителя. А атрибуты второго разъема определяются функциональной принадлежностью модуля. На одном таком модуле можно разместить многоканальный АЦП, на другом - многоканальный интерфейс RS232/422/485. Это уже вполне современное решение, ведь сейчас на типичном мезонинном модуле размером с кредитную карточку можно разместить более 40 каналов цифрового ввода/вывода, тогда как 5-6 лет назад такое количество умещалось, например, только на европлате формата 6U (233х160 мм).

Маркетинговые преимущества применения мезонинов

Открытые стандарты в последнее время получили очень широкое распространение. При большом числе конкурирующих производителей это становится очень выгодно для разработчика конечной системы, поскольку он не связан накрепко только с одним производителем, и выгодно конечному пользователю, получающему повышенную защищенность своих инвестиций. Что касается мезонинов, то разработчику при этом предоставляется мощный инструмент для построения сложных управляющих систем. Он позволяет не разрабатывать платы целиком (да и не сделаешь этого на все случаи жизни), а просто купив или разработав плату-носитель мезонинных модулей (в любом стандарте) и ряд стандартных же мезонинных плат, получить аппаратуру необходимых возможностей, и к тому же относительно недорогую. Система собирается очень быстро. Сокращается время разработки и вхождения на рынок - Time to market. Значит, удлиняется доходоприносящее время присутствия изделия на рынке.

Другие преимущества мезонинов

Помимо быстроты компоновки системы, мезонинные модули позволяют легко оптимизировать систему в отношении критериев стоимости, производительности, габаритов, функциональности, а также сделать ее более надежной и дешевой в эксплуатации. Хорошо известно, что в процессе эксплуатации систем управления "вылетают" обычно входные/выходные каналы. Если их расположить на мезонине, то в этом случае менять можно уже не всю плату, например VME или ISA, а всего лишь гораздо более дешевый мезонинный модуль, установленный на этих платах. И ЗИП можно формировать из мезонинных модулей, а не из полноформатных плат ввода/вывода стандартных интерфейсов.

Созданные по заказу промышленной электроники, такие стандартные мезонины сейчас широко применяются и в авиационно-космических приложениях, где они очень удобны для создания стендового оборудования и тренажеров, и в ядерной физике, скажем, в ЦЕРН.

Типы мезонинных технологий

Открытых мезонинных технологий сейчас около десяти. К ним относится тип Igle компании Force, тип M-Modul и другие. Реально же, технологий по-настоящему популярных, прошедших формальную международную стандартизацию, давно ставших стандартами де-факто, всего две. Это MODPACK (основная фирма-разработчик PEP Modular Computer/Западная Германия) и Industry Pack (далее по тексту - IP) очень известной американской компании Grееn Spring Computer. Оба этих названия стали просто нарицательными для мезонинных плат. Это направление для организации ввода-вывода поддержала Motorola (впрочем, как и множество других известных фирм США, Европы и Японии), выпустив свою знаменитую серию MVME162 - одноплатных интеллектуальных Real-Time компьютеров-контроллеров. Мезонинные модули, и MODPACK, и IP уже используются и российскими компаниями, специализирующимися, как правило, в создании промышленных и специальных систем управления реального времени. На проводившемся в мае "VERA+" форуме специалистами НИИСИ РАН была представлена их новая разработка - VMEbus/ISAbus PC/AT-совместимая промышленная плата с мезонинами MODPACK.

Некоторые технические характеристики мезонинов

Ввиду схожести общей идеологии, далее ограничимся рассмотрением особенностей мезонинных модулей IP. Разъемы в IP малогабаритные, золоченые, жесткие, что очень важно для специальных применений, допускающие большое количество циклов установки, пылезащищенные. Модули IP сохраняют работоспособность при температуре от -40 до +85 градусов. Скорость протокола IP - до 64 Мбайт/с при тактовой частоте в 32 MГц. Данные могут быть как 16-ти, так и 32-разрядными. Специфицированы два уровня прерываний с программируемыми векторами и поддержка двух каналов прямого доступа в основную память платы-носителя (DMA). Для внешних устройств IP ассоциируется с некоторой областью памяти объемом до 8 Мбайт. Встроенный EEPROM поддерживает возможности автоконфигурирования и идентификации. Возможны габаритные размеры двух типов: 45х99 мм и 90х99 мм. Как правило, мезонинные модули имеют очень большое количество часов наработки на отказ, очень надежны. Некоторые компании предоставляют гарантии до пяти лет на сложные IP и пожизненную - на относительно простые.

Программное обеспечение

Обычно, вместе с мезонинными платами продаются и драйверы для тех операционных систем, под управлением которых решаются задачи на основных платах-носителях. Это касается в основном стандартных операционных систем реального времени OS9, pSOS+, VMExec, VxWorks, LynxOS и др.

Продвижение технологии

За последние 4 года активность по разработке модулей IP резко возрасла. Можно сравнить каталоги фирм двухлетней давности и нынешние: номенклатура выросла в несколько раз. Чтобы успешнее продвигать эту технологию на рынок, наиболее активные западные компании создали международный консорциум. В него вошли пользователи, разработчики, производители аппаратуры и программного обеспечения. Кроме этой структуры, IP поддерживает и развивает рабочая группа в рамках международной организации VITA. Эта группа выпустила в текущем году первый номер американо-европейского журнала "Mezzanin".

Платы-носители для IP

Платы-носители IP существуют практически для всех популярных магистрально-модульных интерфейсов: VMEbus (3U/6U), VXI, ISA, EISA, G64/G96, NUbus. Плата-носитель IP может быть интеллектуальной (например, иметь встроенный процессор типа PowerPC, МС68040, TMS 320С40, ADSP-21020, MC68360 и др). Типичный пример очень "умной" платы - знаменитый одноплатный Real-Time компьютер-контроллер MVME162 фирмы Motorola, построенный на микропроцессоре MC68040. (О нем писалось в весеннем номере журнала "Открытые системы" за 1994 год). Простые платы-носители не имеют собственных процессоров и, как правило, используются для простого наращивания каналов ввода/вывода. Управление вводом/выводом осуществляет основной хост-процессор. Это самая привычная и простая схема организации ввода/вывода. Вообще говоря, учитывая открытый характер спецификации IP, можно разработать любую плату-носитель IP, с любым процессором. При этом можно создать контроллер, наиболее полно соответствующий классу решаемых задач.

Количество размещаемых IP

Типичная плата-носитель VME формата 6U содержит 4 IP. Полноформатная плата ISA может нести на себе до 4-х модулей IP. ISA-плата половинной глубины несет 3 модуля IP. Плата NUbus для Macintosh - 2 IP. Плата VXI типоразмера 'C" - до 12 модулей IP. Чтобы ориентировочно оценить, что могут дать 4 модуля IP, укажем только на возможность собрать из них 192-канальную систему цифрового ввода-вывода на плате VMEbus формата 6U (233x160 mm), которая, кроме IP, содержит все атрибуты мощного одноплатного компьютера: CPU, DRAM, Flash EPROM, Ethernet, SCSI, VME64-интерфейс, 2хRS232, RTClock, набор встроенных таймеров. Это очень сильно. Самостоятельно разработанная плата-носитель может иметь любое количество IP (известны недорогие платы-носители с шестью портами для IP) и любые размеры - все определяется рамками решаемой задачи.

Номенклатура IP

Общее число типов модулей IP от самых различных поставщиков на сегодняшний день - более 240. Описать подробно все типы модулей практически невозможно. Представим лишь основные.

ЦАП и АЦП. Это наиболее представленный в номенклатуре IP раздел. С числом каналов от 4 до 16, с разрядностью от 8 до 16. С гальванической развязкой и без. С временем преобразования от сотни миллисекунд до единиц микросекунд. С входами/выходами по току и напряжению.

Цифровой ввод/вывод. Также характеризуется множеством типов, различающихся по току, напряжению, выполненных с оптоизоляцией и без, с числом каналов от 8 до 48. С защитами и без, с различной дисциплиной генерации прерываний в основной хост.

Последовательный ввод/вывод. Поддерживается большое количество интерфейсов: RS-232, RS-422, RS-485, оптоволокно. Одно- и многоканальные модули, с синхронными и асинхронными протоколами, с поддержкой высокоуровневых байт - и биториентированных протоколов. Интеллектуальные и нет. Со скоростями от 50 бод в секунду до 10 мегабод. Например, используя такие IP, относительно несложно построить 320-канальную RS 422/485 коммуникационную систему с синхронными протоколами обмена в очень компактных габаритах с любыми алгоритмами обработки информации. До появления технологии IP это сделать было весьма и весьма непросто.

Память. На IP бывает всех сортов - типа FLASH (объем 2-8 Mбайт), статическая с питанием от батарей и другие. Выпускаются платы IP с колодками, куда можно вставить микросхемы памяти любого из перечисленных видов, а также их смешанную комбинацию. Поддержка PCMCI-интерфейса типов I, II, III.

Дисковые контроллеры. Поддерживают в основном SCSI и SCSI-2.

Графические модули. Это, как правило, SVGA-контроллеры с поддержкой стандартной клавиатуры и мыши. Поддерживают стандартные мониторы и различные плоские панели: LCD, EL, TFT и т. п. Например, когда контроллер MVME-162 необходимо дополнить графикой, можно установить графический IP, подсоединить желаемый монитор и запустить X Window или графический пакет реального времени MGR в среде одной из операционных систем реального времени.

Модули обработки изображения. Это платы, которые собирают информацию от различных сканирующих устройств, например, от видеокамеры.

Дополнительные процессоры. Они бывают, в основном, коммуникационными или организующими человеко-машинный интерфейс оператора. Коммуникационные процессоры вместе с собственно обменом выполняют прямо на проходе и некоторую обработку информации. Алгоритм может быть столь нетривиальным, что для его работы в реальном масштабе времени может потребоваться довольно мощный процессор, и даже не один. Новейшее изделие в этом ряду - 486 РС/АТ-совместимая машина на IP, где расположены, кроме 486 процессора, еще и контроллеры SVGA, Ethernet, SCSI, IDE CDROM, IDE HDD. Поставив такой IP на real-time контроллер MVME 162, оператор получает возможность работать в привычной среде персоналок прямо на фоне работы в реальном времени.

Сигнальные процессоры. На IP используются, если надо повысить скорость выполнения вычислений с плавающей точкой. Выполняются на базе DSP TMS320Сx0, MC5600x и другие.

Сетевые контроллеры. Обслуживают сети X25, Ethernet, ARCNET, FDDI, ISDN, промышленные сети нижнего уровня - Bitbus, CANbus, Profibus, Interbus-S, авиационно-космические интерфейсы MIL1553B (BC/RT/MT), ARINC 429, H009 и другие.

Контроллеры двигателей. Работают с двигателями постоянного и переменного тока, 2- и 3-координатными, с интеллектом и без, со встроенными функциями PID-управления.

Интерфейсы датчиков перемещения. Как правило, обслуживают известные, популярные модели датчиков. Используются, например, для управления большими телескопами.

Общепромышленный ввод/вывод. Объединяет платы, собирающие данные от устройств типа датчиков давления, силы, температуры и тому подобные. На одном IP размещается до 16 каналов с разрядностью 10-16 бит. К этому разделу относят и платы, выполняющие функции цифрового ввода/вывода, но не обычного, а с повышенными нагрузочными характеристиками. Например, 40 каналов, рассчитанных на ток силой до 1 ампера. Сюда же относят реализации интерфейса IEEE-488 (GPIB, КОП), I2C и другие.

Счетчики, таймеры. Различной разрядности, канальности и скорости работы. Применяются как времязадающие элементы системы, генераторы последовательностей, измерители длительности импульсов, измерители частоты, периода.

Новые веяния

К новейшим технологиям мезонинных модулей, принятых в промышленности, относятся прежде всего мезонины, использующие локальную шину PCI. Они получили название РМС (PCI+MEZZANIN CARD=PMC). Имеют жесткое промышленное исполнение. Используются, в основном, как стандартное расширение самых современных промышленных одноплатных VMEbus-компьютеров, построенных на базе семейств новейших RISC-процессоров: Power PC, ALPHA, MIPS R4600 и другие. Это очень органичное решение, так как внутренняя архитектура современных одноплатных компьютеров в стандарте VMEbus строится на основе локальной шины PCI. Получается сбалансированная система: RISC CPU - PCI - VMEbus. Эту технологию поддержали DEC, Motorola, Force, VI и другие компании. Про номенклатуру модулей PMC можно сказать, что она еще пока невелика (впрочем, как и вообще номенклатура PCI) и содержит только самые высокопроизводительные интерфейсы. Например, оптоволоконные каналы, сеть ATM (на 155 Мбод), Fast Ethernet (100 Мбод), спаренный MIL1553, FDDI. Но технология РМС набирает обороты, и новейший стандарт уже зарегистрирован в VITA и IEEE.