СУХТП лекции. Курс лекций Разработчик Афонин Ю. Д. Екатеринбург, 2007 2 Содержание
 Скачать 2.79 Mb.
|
|
3.6 Магистраль PCI Express Итак, для чего понадобилось изобретать новую шину? Ведь, как известно, настольные компьютеры успешно используют периферийную шину второго поколения, PCI, для организации обмена данными с периферийными устройствами. Нашла применение эта шина и в мобильных компьютерах (Cardbus, Mini-PCI), и в серверах (PCI64, PCI-X). Тем не менее, возможности параллельной шины PCI на сегодня уже исчерпаны. Во-первых, шина PCI является параллельной, а значит, ее теоретический предел составляет около 1 ГГц. Самый быстрый на сегодня вариант шины PCI, PCI-X/533, обеспечивает пропускную способность до 4.2 Гб/с, но ценой высоких затрат на разводку печатной платы. В то же время предельная частота работы медного соединения составляет 12 ГГц, но приблизиться к нему при использовании параллельной шины невозможно. Но повышать пропускную способность периферийной шины необходимо. Когда создавалась шина PCI, процессор и память соединялись на гораздо меньшей скорости, чем сейчас. Тогда речь шла о нескольких сотнях Мб/с, а сейчас счет пошел на гигабайты в секунду. Причем с каждым годом пропускная способность шин возрастает. Появляются новые, более быстродействующие проводные и беспроводные интерфейсы: например, гигабитный Ethernet больше не является уделом мощных серверов и рабочих станций, повсеместно распространены FireWire (400 Мбит/с) и USB 2.0 (480 Мбит/с), и даже винчестеры завтра будут подключаться на скорости 150 Мб/с. Сравните это с пропускной способностью нынешней настольной PCI - всего 61 133 Мб/с. Увеличить ее разрядность и/или частоту без многократного усложнения и удорожания процесса производства просто невозможно. Кроме того, шина PCI не удовлетворяет возросшим требованиям к гибкости, надежности, масштабируемости, функциональности, она применима только для соединения ограниченного класса устройств, ее нельзя эффективно настраивать, тестировать, контролировать, перераспределять потоки данных, управлять потреблением энергии... В общем, слишком много недостатков, чтобы продолжать ее совершенствовать. Шина PCI Express (прежние названия - 3GIO, Arapahoe) является последовательной, но с возможностью наращивать количество независимых линий для гибкого управления пропускной способностью. Например, для подключения не слишком производительных устройств вроде модемов и звуковых карт будет использоваться одна линия (PCI Express x1), а для требовательных к пропускной способности шины 3D-видеокарт - 16-разрядный вариант x16. PCI Express использует дифференциальные сигналы с низким уровнем напряжения, что упрощает ее разводку, снижает потребление и выделение энергии, улучшает помехозащищенность, уменьшает уровень наводок, упрощает сопряжение с будущими низковольтными устройствами. Новая шина не требует отдельных линий для синхронизации, управления, питания и т.д., так как использует кодирование 8b/10b, передает команды, данные, адреса, управляющие сигналы в пакетах. Кроме физического уровня, концепция PCI Express предполагает использование канального (организация очереди пакетов и их проверки по контрольным суммам) и транспортного уровней (виртуальные каналы, архитектура Load-Store, управление потоком, обмен данными по кадрам, общее плоское 64-разрядное адресное пространство). Это позволит существенно расширить сферу применения шины, отделить логический уровень от физического, гибко балансировать между ценой и производительностью. Шина PCI Express будет использоваться не только как периферийная шина для дополнительных контроллеров, но и как канал для соединения чипов. 62 В частности, она заменит нынешнюю AGP, будет использована для коммутации компонентов чипсета (как настольного, так и серверного). Фактически она позиционируется как альтернатива HyperTransport - шине, разработанной AMD и уже применяемой другими производителями чипсетов - NVIDIA, SIS, ALi. Самое замечательное свойство новой шины заключается в том, что она на программном уровне полностью совместима с PCI. Сохранится схема адресации и доступа к устройствам, присущая предыдущей шине, только будут добавлены новые возможности, расширены диапазоны адресов, увеличены наборы команд и т.д. Механические свойства новых соединений тоже не изменятся - планируется использовать похожие слоты, разъемы, не потребуются другие корпусы, блоки питания, шасси. На тех же платах установят слоты и PCI, и PCI Express. Более широкие слоты (x4, x8, x16) будут допускать установку "узких" карт расширения (x1, x4, x8). Для ноутбуков разработаны слоты Mini PCI Express и PCI Express Card, есть решения и для монтируемых в стойку серверов. Общий срок жизни новой шины оценивается приблизительно в 10 лет, после чего неизбежна новая революция - переход на оптические технологии коммутации микросхем. 63 4 Промышленные компьютеры 4.1 Понятие о промышленных компьютерах серии Micro PC В настоящее время тенденции развития систем автоматизированного управления в основном сводятся к созданию структур распределенного управления. В таких системах головной компьютер соединен локальной сетью того или иного вида с периферийными компьютерами, максимально приближенными к объекту управления или встраиваемыми непосредственно в него. И если головной компьютер может отвечать требованиям, предъявляемым к обычным компьютерам, то периферийные компьютеры должны соответствовать жестким промышленным стандартам и иметь ряд специфических характеристик и функциональных возможностей. Среди них можно выделить следующие: • модульный принцип организации; • широкий температурный диапазон; • малые размеры; • низкое энергопотребление; • возможность работы в замкнутых и герметичных объемах со слабой вентиляцией или без нее; • разнообразие вариантов монтажа; • устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, электромагнитным воздействиям; • высокая надежность; • развитые и разнообразные средства коммуникаций. Одной из характерных особенностей рынка персональных компьютеров как в мире, так и в России является подача компьютера как "товара народного потребления". Этот подход заставляет покупателя непрерывно следовать за компьютерной модой, выбрасывая на помойку вполне работоспособные изделия и заменяя их на "более быстрые", "более емкие" и т.д. В результате пользователь оказывается втянут в постоянную гонку за новым программным и 64 аппаратным обеспечением, - "как, вы еще не поставили Windows98? А вот у вашего соседа..." В результате поколения компьютеров сменяют друг друга с головокружительной быстротой, а гарантийный срок работы машины становится сопоставим с интервалом ее морального старения. Подобный подход - реальность, которая на практике определяет облик домашней или офисной вычислительной машины. Но, насколько суета и спешка характерны для офисных приложений и индустрии развлечений, настолько же консервативна и осторожна промышленность. В самом деле, запуск и наладка серьезной технологической линии может потребовать около года, и при этом не может быть речи о том, чтобы через два-три года заменять все оборудование только потому, что какая-то фирма выпустила новую программу-оболочку для домохозяек, для которой не хватает ресурсов уже установленных компьютеров. Этот консерватизм, естественно, не мешает гибкой переналадке оборудования при смене выпускаемой продукции, но одно дело - набор данных для управления процессом и совсем иное - замена всей линии. Поэтому не стоит удивляться тому, что в промышленных компьютерах и сегодня успешно используется процессор 80386, который нередко считают уже "безвременно усопшим", "снятым с производства" и так далее. Во многих случаях вычислительной способности компьютеров на базе 80386 оказывается более чем достаточно для решения реальных производственных задач. Из выше сказанного, кстати, вовсе не следует, что процессор Pentium в этих машинах не используется, речь идет о более полном использовании возможностей имеющихся вычислительных ресурсов. Одним из пионеров в области создания промышленных компьютеров является американская фирма Octagon. В России ее продукция получила популярность в основном благодаря рабочему температурному диапазону (от - 40 до +70С), который соответствует отечественным ГОСТам, предъявляемым к продукции военного назначения. А поскольку все высокие технологии в СССР 65 в той или иной мере были привязаны к оборонке, компьютеры Octagon быстро завоевали популярность. Кроме того, компьютеры Octagon поставляются с операционной системой DOS, уже зашитой в постоянной памяти компьютера. Это, впрочем, не мешает подключить винчестер и загрузить популярный Windows или более традиционную для промышленных приложений операционную систему QNX. Но основная особенность Octagon-компьютеров состоит в их архитектуре. На смену привычной материнской плате со всем-всем-всем пришла "пассивная плата" на которой размещены только слоты расширения, соединенные параллельно друг с другом и разъем для подключения блока питания. Все процессорные и интерфейсные платы выполнены в виде интерфейсных карт ISA и могут устанавливаться в произвольном порядке и составе. Это привело, с одной стороны, к снижению избыточности аппаратных средств в составе компьютера (если нет принтера, то и параллельный порт ни к чему), а с другой - к появлению самых разнообразных устройств ввода/вывода данных, средств управления необычной (для мира обычных PC) устройств, таких как, например, шаговые двигатели. В настоящее время выпускается ряд компьютеров промышленного назначения на основе шин VМЕ, Multibas, ISA. Из РС - совместимых наибольшее признание получили индустриальные компьютеры фирмы Advantech (Южная Корея) и промышленные компьютеры Micro PC фирмы Octagon Systems (USA). Эти компьютеры используют стандартную 8 или 16 битную шину ISA, работают под управлением MS DOS или Windows, поэтому все программное обеспечение, созданное для персональных компьютеров, можно применять без проблем. Наряду с процессорными платами этими фирмами выпускается большая номенклатура плат расширения и различных комплектующих, позволяющих эффективно решать большинство задач промышленной автоматизации. 66 Рассмотрим более подробно компьютеры Micro PC. Отличительной чертой этого семейства является широкий рабочий диапазон температур от -40 о С до +85 о С, малый размер плат 11.4 х 12.4 см, низкое энергопотребление, составляющее примерно 10% от необходимого стандартному РС. Способность противостоять вибрациям до 5g и ударам до 20g делает Micro PC работоспособными в таких экстремальных условиях, где выходят из строя обычные персональные компьютеры. Изделия Micro PC имеют среднее время наработки на отказ от 90 000 до 230 000 часов, что соответствует самым жестким требованиям промышленных стандартов. Компьютер строится по модульному принципу. Основой наиболее популярного конструктива служит объединительная плата, содержащая от 4 до 8 слотов шины ISA (рис. 4.1). Рисунок 4.1 – Корпус Micro PC с блоком питания 67 В эти слоты вставляются как процессорная плата, так и платы расширения. Возможно использование слотов, выполненных на основе гибкого ленточного кабеля (рис. 4.2), что позволяет ориентировать платы в пространстве произвольным образом. Рисунок 4.2 – Слоты на гибком кабеле. Процессорные платы строятся на основе процессоров, начиная от V20 до Pentium. В состав плат расширения входят различные АЦП, ЦАП, платы цифрового ввода/вывода с опторазвязкой и без, сетевые и модемные платы, платы управления движением, платы контроллеров НГМД, НЖМД, SVGA, SCSI и т.д. Используя различное сочетание плат можно собрать компьютер с возможностями от простого встраиваемого контроллера до мощного сетевого сервера. Монтажные каркасы допускают настольную и настенную установку. Блоки питания и дисководы прикрепляются к боковой поверхности каркасов. Для подключения к внешнему оборудованию поставляются различные кабели, клемные колодки, модули оптической развязки, аналоговые мультиплексоры, преобразователи. 68 В состав серии Micro PC входят также одноплатные компьютеры, например РС-450, с конфигурацией 486DX4-100, ОЗУ до 32 Мбайт, контроллеры Ethernet, SVGA и SCSI-2 на локальной шине, три последовательных и один параллельный порт, порты жесткого и гибкого дисков, три твердотельных диска, интерфейс РС/104, рабочий диапазон температур -40 +85 о С. 4.2 Процессорная плата 5025А Как отмечалось выше эти платы строятся на основе процессоров V20 (аналог 8088), 386SX, 486SLC, Pentium. Рассмотрим более подробно плату 5025А-386-25, наиболее часто используемую в различных приложениях (рис. 4.3). Рисунок 4.3 – Процессорная плата 5025A. 69 Процессорная плата 5025А разработана для использования в системе OCTAGON MicroPC. Эта система использует малые компьютерные платы 4,5"х4,9", которые являются 100% совместимыми с IBM PC. Малые размеры, широкий температурный диапазон (-40 - +85С) и использование КМОП микросхем, потребляющих незначительную мощность, делают их идеальными для высокоточных встроенных контроллеров. Плата 5025А имеет два последовательных порта СОМ1 и СОМ2, параллельный порт LPT1, порт клавиатуры (АТ - совместимой) и громкоговорителя, часы/календарь, сторожевой таймер, до 4МВ оперативной памяти, DOS 6.22 в ПЗУ, панельку сопроцессора и три твердотельных диска. Для питания платы требуется только один источник +5В (потребляемый ток 320 мА). Вы можете запрограммировать плату, подсоединив ее к своему PC через последовательный порт или подсоединив к ней клавиатуру, дисплей и дисковод. Имеются три версии платы: 5025А, первая-которая использует 25 МГц 80С386SX , вторая-486-25, которая имеет еще в два раза более высокую производительность, и третья 486-50. Рассмотрим основные особенности платы. ROM-DOS. Плата 5025А - со "встроенной DOS" системой. Плата содержит совместимую с версией 6.22 DOS в ПЗУ. Если вы хотите использовать свою операционную систему, вы можете установить ее в панельку SSD1. Система DOS загружается и работает точно также, как в вашем настольном PC. Для работы ей требуется только 64 Кб оперативной памяти, если загрузка идет в нижнюю часть памяти, и 20 Кб - если используется память в верхних адресах. После запуска DOS оперативная память распределяется следующим образом (рис. 4.4): 70 DOS вектора DOS память Видео буфер BIOS Расширенная память 384 Кб или виртуальный диск 640 Кб 00400H 00000H A0000H FFFFFH Рисунок 4.4 – Распределение памяти. Сторожевой таймер. Сторожевой таймер используется для сброса системы, если программа неожиданно остановится. Сторож включается программным путем. Время срабатывания выбирается перемычкой, и может быть 150 мс, 600 мс или 1,2 с. Резервная батарея и опция часы/календарь. Плата 5025 имеет встроенные часы/календарь типа AT. Внешняя часовая батарея 3,6в присоединяется к плате и питает часы/календарь при выключенном источнике питания. Твердотельные диски. Микросхемы твердотельных дисков вставляются в панельки, которые обозначаются как SSD0, SSD1, SSD2. Панелька SSD0 содержит в ПЗУ BIOS и DOS 6.22. SSD1 используется для хранения прикладных программ. Для этого может использоваться микросхема FLASH EPROM (электрически стираемая ПЗУ) объемом до 512Кб. Программатор FLASH EPROM встроенный на плате, что позволяет перепрограммировать микросхему через последовательный порт. Также могут использоваться предварительно записанные стандартные EPROM (ПЗУ с УФ стиранием) объемом до 512К байт. 71 SSD2 используется преимущественно для хранения данных. Этот диск может содержать статическое ОЗУ объемом до 512Кб. Для сохранения информации при выключении питания статическое ОЗУ должно подпитываться от батареек. Для этого может использоваться внешняя часовая батарея 3,6в или переходная панелька 1213DM со встроенной батареей. Порт громкоговорителя и клавиатуры. На плате расположен 10- штырьковый разъем, к которому может быть подключена с помощью кабеля переходная плата PSK-1, на которой расположен стандартный разъем для подключения любой АТ-совместимой клавиатуры и клеммы для подключения громкоговорителя. Установка платы. Вы можете установить плату прямо в корзину MicroPC или использовать автономно, закрепив четырьмя винтами через имеющиеся крепежные отверстия и подав питание +5В на соответствующие клеммы. Последовательные порты СОМ1 и СОМ2. Порты СОМ1 и СОМ2 программируются на скорости обмена от 150 бод до 115 кбод. Оба порта имеют интерфейс RS232. Напряжения, необходимые для этого, генерируются прямо на плате. СОМ2 также может переключаться перемычкой на стандарт RS422 и RS485 для многопользовательских применений. Параллельный порт LPT1. Параллельный порт принтера может использоваться для поддержки ряда устройств: 1. PC совместимый принтер; 2. 17 цифровых линий ввода/вывода; 3. матричная клавиатура; 4. строчный дисплей. Этот порт имеет 20-штырьковый разъем. Если он используется только как линии ввода/вывода, к нему с помощью кабеля подключается клемная колодка, которая соединяется проводами с оборудованием. Если подсоединяется ЖКИ - дисплей, используется плата интерфейса LCD-IFB, а для 72 вакуумно-флуоресцентного дисплея используется плата интерфейса DP-IFB. Обе платы интерфейсов имеют разъем для подключения матричной клавиатуры. SETUP. На плате 5025 установочная информация хранится в ПЗУ с электрическим стиранием. Поэтому информация сохраняется независимо от напряжения питания и батареи. Пользователь также может хранить свою информацию в этой микросхеме, так как около 1792 байт остаются свободными. Математический сопроцессор. Вы можете установить в панельку сопроцессор Cyrix SX83C87-25 или Intel BOX387SX-25 для увеличения производительности системы. Аппаратный сброс. Вы можете сбросить систему выключением и включением питания; используя имеющуюся на плате кнопку "сброс"; подав команду RESET. Это позволяет получить более полный сброс, чем метод (CTRL) (ALT) (DEL). Системные параметры платы 5025А определяются программой SETUP. Она работает с параметрами конфигурации, сохраняемыми в электрически стираемом ПЗУ. Изменения параметров происходят при запуске программы SETUP. Эта программа встроена в ROM-DOS и имеется на диске утилит 5025А. Для изменения параметров необходимо запустить SETUP. Система будет показывать на дисплее установленные параметры и возможные варианты. Выберите нужный вам вариант, нажимая на клавишу ПРОБЕЛ, затем нажмите ENTER. Можно устанавливать следующие параметры: • скорость передачи СОМ1 от 1200 до 115200 бод (бит/сек). (Может появиться сообщение: для использования порта СОМ1 как консоли (удаленного терминала) на скорости больше 9600 бод вы должны установить перемычку W3(3-4) загрузки BIOS; 73 • тест памяти при включении Enabled/Disabled. Вы можете запретить прохождение теста памяти при включении питания (выбрав Disabled) для ускорения загрузки системы; • тип микросхемы памяти в панельке SSD1. При установке новой микросхемы в SSD1 драйвер не будет видеть ее, пока она не будет запрограммирована; • тип микросхемы памяти в панельке SSD2; • вариант загрузки системы; 1. Загрузка с диска BIOS с использованием ROM-DOS 2. Загрузка с SSD1 с использованием ROM-DOS 3. Загрузка с гибкого или жесткого диска 4. Загрузка с SSD1 с использованием пользовательской DOS; • число гибких дисков 0 , 1 , 2; • защита записи 0C000H - 0C7FF YES/NO. Эти адреса обычно используются для видео BIOS; • защита записи 0C800H-0CFFFH YES/NO. Эти адреса обычно используются для драйверов жесткого диска, сетевых плат и т.д. • перемещение BIOS в расширенную память YES/NO. Вы можете разрешить системе переместить BIOS (нормально расположенный по адресам 0Е000Н-0F000H) в расширенную память (EXTENDED MEMORY) в системах с объемом памяти 1МВ или больше. Это позволит высвободить больший объем базовой оперативной памяти. • число принтеров Auto check ✓ 0 ✓ 1 ✓ 2 ✓ 3 Если вы выбрали Auto check, система автоматически проверит порт LPT1 на наличие принтера путем записи в него проверочного байта при загрузке или сбросе. Если вы используете другое устройство вместо 74 принтера и не хотите, чтобы в него записывались данные при загрузке, выберите другую установку. Нажмите ENTER для сохранения изменений или нажмите ESC для выхода без сохранения изменений. Изменения вступят в силу только после перезагрузки системы. При запуске системы с использованием ROM BIOS диск SSD0 инициализируется как диск С, виртуальный диск - как диск D, SSD2 - как диск F, SSD1 не инициализируется пока в него не записана информация. Если в него записана какая либо программа, он инициализируется как диск E. Для организации автоматического запуска программы пользователя при включении питания вы должны в дополнение к прикладной программе также переслать файлы поддержки, такие как COMMAND.COM, CONFIG.SYS, AUTOEXEC.BAT и другие. COMMAND.COM требуется для загрузки платы 5025А с SSD1 с использованием ROM-DOS, AUTOEXEC.BAT для возможности автоматического запуска ваших программ, CONFIG.SYS описывает различные драйверы устройств вашей системы. Для пересылки файлов отформатируйте гибкий диск на вашем PС и скопируйте на него с диска утилит 5025А следующие файлы: COMMAND.COM CONFIG.SYS AUTOEXEC.BAT MEMDRIVE.SYS ФАЙЛЫ вашей программы. и с помощью программы DISKSAVE запрограммируйте SSD1. Как только вы сохранили свои программы и файлы в SSD1, вы можете загрузиться с диска SSD1 и сделать вашу программу самозапускающейся. Для этого: 1.Проверьте, установлена ли перемычка W3(3-4) на плате 5025А. 2.Установите связь между вашим РС и 5025А. 3.Убедитесь, что имя вашей программы указано в файле AUTOEXEC.BAT на SSD1. 75 4.Запустите SETUP и выберите "Boot from SSD1 using ROM-DOS". 5.Наберите: RESET. Плата сбросится и перезагрузится с диска SSD1. Последовательные порты платы 5025А. Плата 5025 имеет два последовательных порта. Эти порты поддерживают 5-,6-,7- или 8 бит данных, 1-,1.5- или 2 стоп-бита и скорость обмена до 115200 бод. Порт СОМ1 является консолью и предназначен для связи вашего РС и Micro PC. Если вам это не требуется, можете использовать СОМ1 как пользовательский порт, поддерживающий RS232. Для этого есть два способа: 1.Удалите перемычку W3(1-2) и используйте загрузку с SSD1 или гибкого/жесткого диска. 2.Добавьте в систему видеоплату. СОМ2 как RS422/485 порт. СОМ2 переключается перемычкой W5 как RS232 и RS422/485. Если W5(1-2) установлена, порт работает как RS485. Вы можете соединить в одну сеть до 32 устройств, общая длина связи может достигать 1,2 км. Но только один передатчик может быть активен в каждый момент времени. Для соединения порта RS485 с внешними устройствами служит клеммный блок Р3. Соединение может быть двухпроводным (полудуплекс) или четырехпроводным (полный дуплекс). При двухпроводном соединении нужно соединенные вместе клеммы Т+R+ и Т-R- соединить с соответствующими клеммами остальных устройств. При таком соединении все устройства равноправны. 2 3 1 4 76 При четырехпроводном соединении нужно клеммы Т+,Т- ведущего устройства ( Host компьтера) соединить с клеммами R+,R- ведомых устройств (периферийные компьютеры) соответственно, а клеммы R+,R- - с клеммами Т+,Т- ведомых устройств. Host компь- ютер Периферийные компьютеры 1 2 3 Передатчик и приемник не являются оптически развязанными, поэтому избегайте земляных петель. Вы должны соединять только сигналы линий RS485, но не источников питания и не земель источников питания. Для включения и выключения передатчика программным путем: запишите "1" в порт 20СН (разрешение передачи) запишите "0" в порт 20СН (запрет передачи). Блок перемычек W1 устанавливает или снимает нагрузку сети. Она должна быть установлена у последнего приемника в сети, чтобы не было отражений и не возникало искажений сигнала. |