PC / 104 - PC/104

PC / 104 (или PC104 ) представляет собой семейство встраиваемых компьютерных стандартов , которые определяют как формфакторов и компьютерные шины от консорциума PC / 104 . Его название происходит от 104 контактов на межплатном разъеме ( ISA ) в исходной спецификации PC / 104 и было сохранено в последующих версиях, несмотря на изменения в разъемах. PC / 104 предназначен для специализированных сред, где требуется небольшая прочная компьютерная система. Стандарт является модульным и позволяет потребителям складывать вместе платы различных производителей COTS для создания индивидуализированной встраиваемой системы.

Исходный форм-фактор PC / 104 несколько меньше материнской платы настольного ПК - 3,550 × 3,775 дюйма (90 × 96 мм). В отличие от других популярных компьютерных форм-факторов, таких как ATX , которые полагаются на материнскую плату или объединительную плату , платы PC / 104 укладываются друг на друга, как строительные блоки. Спецификация PC / 104 определяет четыре монтажных отверстия в углах каждого модуля, которые позволяют крепить платы друг к другу с помощью стоек . Стекируемые шинные разъемы и использование стоек обеспечивают более надежный монтаж, чем слотовые платы, используемые в настольных ПК. Компактный размер платы дополнительно увеличивает надежность форм-фактора, уменьшая вероятность изгиба печатной платы при ударах и вибрации.

Типичная система PC / 104 (обычно называемая «стеком») будет включать в себя плату ЦП, плату источника питания и одну или несколько периферийных плат, таких как модуль сбора данных , приемник GPS или контроллер беспроводной локальной сети . Широкий спектр периферийных плат доступен от различных поставщиков. Пользователи могут спроектировать стек, состоящий из плат различных производителей. Общая высота, вес и потребляемая мощность стека могут варьироваться в зависимости от количества используемых плат.

PC / 104 иногда называют «стекируемым ПК», поскольку большая часть архитектуры происходит от настольного ПК. Большинство плат ЦП PC / 104 совместимы с x86 и включают стандартные интерфейсы ПК, такие как последовательные порты , USB , Ethernet и VGA . Система x86 PC / 104 обычно поддерживает стандартную операционную систему ПК, такую ​​как DOS, Windows или Linux. Однако также довольно часто используется операционная система реального времени , такая как VxWorks .

История и стандартизация

Шина и форм-фактор PC / 104 были первоначально разработаны Ampro в 1987 году (возглавляемый техническим директором Риком Лербаумом), а затем стандартизированы консорциумом PC / 104 в 1992 году. Стандарт IEEE, соответствующий PC / 104, был разработан как IEEE P996.1 , но не ратифицирован. В 1997 году Консорциум PC / 104 представил новый стандарт, основанный на шине PCI . Стандарт на основе PCI Express был представлен в 2008 году.

Спецификации, связанные с PC / 104, контролируются Консорциумом PC / 104. В настоящее время консорциум состоит из 47 человек. Все спецификации, опубликованные Консорциумом, находятся в свободном доступе. Членство в Консорциуме не требуется для разработки и производства платы PC / 104.

Структура шины по форм-фактору

Спецификации, выпущенные Консорциумом PC / 104, определяют несколько структур шины (ISA, PCI, PCI Express) и форм-факторов (104, EBX, EPIC). Структура шины определяет расположение и вывод разъемов шины. Форм-фактор относится к размеру и форме платы. Можно найти одну из шин расширения PC / 104 в нескольких различных форм-факторах. Хотя большинство коммерчески доступных продуктов, использующих шинные структуры, будут соответствовать форм-факторам, перечисленным ниже, для нестандартного или проприетарного форм-фактора можно включить одну из шинных структур PC / 104 для расширения.

Обратите внимание, что термин «PC / 104» часто используется как синонимы для обозначения структуры шины или форм-фактора. Это может быть источником путаницы. Например, в описании продукта плата может быть обозначена как «PC / 104» из-за ее размера и формы, хотя на самом деле она имеет шину расширения PCI-104.

Автобусные конструкции

Спецификации Консорциума PC / 104 определяют множество компьютерных шин, все из которых являются производными от шин ISA, PCI и PCI Express настольных ПК.

PC / 104

Оригинальная шина PC / 104 происходит от шины ISA . Он включает в себя все сигналы, обнаруженные на шине ISA, с добавленными дополнительными контактами заземления для обеспечения целостности шины. Синхронизация сигналов и уровни напряжения идентичны шине ISA, с меньшими требованиями к току . Спецификация PC / 104 определяет две версии шины, 8-битную или 16-битную. 8-битная версия соответствует IBM XT и состоит из 64 контактов. 16-разрядная версия соответствует IBM AT и добавляет 40 дополнительных контактов, в результате чего их общее количество составляет 104 (отсюда и название «PC / 104»).

Распиновку разъема PC / 104 можно получить здесь . Сигналы, помеченные как J1 / P1, встречаются только в 8-битной версии, в то время как 16-битная версия добавляет сигналы J2 / P2.

Поскольку PC / 104 основан на шине ISA, часто бывает необходимо установить базовый адрес , IRQ и канал DMA при установке периферийной платы. Обычно это достигается с помощью перемычек или DIP-переключателей на периферийной плате. Неправильная настройка периферийного устройства может вызвать конфликт ресурсов и привести к нестабильному поведению.

PC / 104- Plus

Стандарт PC / 104- Plus добавляет поддержку шины PCI в дополнение к шине ISA стандарта PC / 104. Название происходит от его происхождения: модуль PC / 104- Plus имеет разъем PC / 104 (ISA) и разъем PCI. Стандарт определяет 120-контактный разъем для шины PCI, расположенный на стороне платы, противоположной разъему PC / 104.

Распиновку разъема PCI можно получить здесь .

Платы ЦП PC / 104- Plus обеспечивают активную связь по обеим шинам и могут взаимодействовать как с периферийными картами ISA, так и с PCI. На периферийных модулях PC / 104- Plus разъем PC / 104 является просто пассивным разъемом для объединения в стек; модуль активно обменивается данными только по шине PCI. Как следствие, периферийный модуль PC / 104- Plus нельзя использовать с платой ЦП PC / 104. Однако плата ЦП PC / 104- Plus может использоваться с периферийным модулем PC / 104.

Поскольку PC / 104- Plus основан на PCI, нет необходимости устанавливать базовый адрес, IRQ или канал DMA на периферийных платах. Однако необходимо указать номер слота PCI периферийной платы при ее установке. Обычно это устанавливается поворотным переключателем , DIP-переключателем или перемычками на периферийной плате. Каждая периферийная плата PCI в системе должна иметь уникальный номер слота PCI. Несоблюдение этого правила может вызвать неустойчивое поведение системы. Периферийное устройство, ближайшее к ЦП, должно быть установлено для первого слота, следующая плата должна быть установлена ​​для второго слота и т. Д.

PCI-104

Одноплатный компьютер PCI-104 .

Форм-фактор PCI-104 включает разъем PCI, но не разъем PC / 104, чтобы увеличить доступное пространство на плате. Несмотря на то, что разъем PCI имеет 120 контактов вместо 104, устоявшееся название было сохранено. Расположение и распиновка разъема PCI идентичны PC / 104- Plus .

Поскольку шина ISA отсутствует, плата PCI-104 несовместима с периферийным модулем PC / 104. Однако PCI-104 и PC / 104- Plus совместимы, поскольку оба используют шину PCI. Большинство плат PC / 104- Plus могут изготавливаться как PCI-104, просто не заполняя разъем PC / 104.

PCI-104 использует ту же схему выбора номера слота PCI, что и PC / 104- Plus . Каждому устройству должен быть назначен уникальный номер слота.

PCI / 104-Экспресс

Спецификация PCI / 104-Express включает шину PCI Express (PCIe) в дополнение к шине PCI предыдущего поколения. Спецификация определяет 156-контактный разъем для поверхностного монтажа для сигналов PCI Express. Новый разъем занимает то же место на плате, что и старый разъем ISA PC / 104. Помимо PCI Express, спецификации также определяют контакты на разъеме для дополнительных современных компьютерных шин, таких как USB , SATA и LPC .

Спецификация PCI / 104-Express в настоящее время определяет две возможные распиновки для разъема PCIe:

1. Тип 1 предлагает четыре канала x1 PCI Express, два порта USB 2.0 и один канал x16 PCIe.
2. Тип 2 предлагает четыре канала x1 PCI Express, два порта USB 2.0, два канала PCIe x4, два порта USB 3.0, два порта SATA и LPC.

Платы ЦП и периферийные устройства могут быть спроектированы как тип 1, тип 2 или универсальный (который использует только общее подмножество сигналов между двумя типами, PCIe x1 и / или USB 2.0). Распиновка типа 2 не была представлена ​​до версии 2.0 спецификации (выпущенной в 2011 году). Продукты PCI / 104-Express, представленные до 2011 года, будут относиться к типу 1 или универсальному, но не могут быть явно обозначены как таковые. Шина типа 1 несовместима с периферийными устройствами типа 2 и наоборот. Спецификация требует, чтобы система оставалась в состоянии сброса и не загружалась в случае несоответствия типа (никакого физического повреждения не произойдет). Универсальные периферийные платы могут использоваться с распиновкой типа 1 или типа 2.

Поскольку разъем шины PCIe монтируется на поверхность, а не в сквозное отверстие, на плате также возможно использование разных выводов шины на верхней стороне платы и на нижней стороне. Например, плата ЦП может иметь нижний разъем PCIe типа 1 и верхний разъем PCIe типа 2. Такая плата ЦП будет совместима с периферийными устройствами Типа 1 и / или Универсальной снизу и совместима с периферийными устройствами Типа 2 и / или Универсальной сверху.

Подобно PC / 104- Plus , платы ЦП PCI / 104-Express будут обеспечивать активную связь как по шинам PCI, так и по шинам PCIe. Плата ЦП PC / 104-Express может использоваться с периферийными модулями PCI-104 и PC / 104- Plus . Однако периферийный модуль PCI / 104-Express будет взаимодействовать только по шине PCIe; разъем PCI - это просто проходной разъем для объединения в стек. Периферийный модуль PC / 104-Express нельзя использовать с платой ЦП PCI-104 или PC / 104- Plus (если не используется мост ISA).

PCI / 104-Express включает в себя переключение каналов, что устраняет необходимость в переключателях / перемычках выбора разъема PCI, которые можно найти на периферийных устройствах PCI-104 и PC / 104- Plus . Некоторые периферийные платы повторно заполняют каналы PCIe, что позволяет стеку иметь дополнительные периферийные платы помимо начального набора каналов PCI Express, предоставляемого платой ЦП. Повторное заполнение каналов не является требованием в спецификации и должно быть реализовано на периферийной плате с коммутатором пакетов PCI Express.

PCIe / 104

PCIe / 104 аналогичен стандарту PCI / 104-Express, но не использует устаревшую шину PCI для увеличения доступного пространства на плате (аналогично взаимосвязи между PC / 104- Plus и PCI-104). Расположение разъема PCI Express и варианты распиновки такие же, как у PCI / 104-Express (как тип 1, так и тип 2). Поскольку разъем шины PCI отсутствует, плата PCIe / 104 несовместима с системами PC / 104- Plus и PCI-104 (если не используется мостовое устройство PCIe-PCI).

Форм-факторы

Спецификации консорциума PC / 104 охватывают три форм-фактора, которые определяют размер и форму платы. Каждый форм-фактор может использовать одну из перечисленных выше шинных структур.

104 или PC / 104

Форм-фактор 104 определен как 3,550 × 3,775 дюйма (90 × 96 мм) с монтажными отверстиями по всем четырем углам платы. В технических характеристиках также допускается область 0,5 дюйма (13 мм) за краем печатной платы для разъемов ввода-вывода. Некоторые продукты PC / 104 имеют печатные платы увеличенного размера, которые доходят до области разъема ввода / вывода. Расширенные «крылья» печатной платы не рассматриваются в спецификации, как правило, не вызывают механических проблем, если общий выступ печатной платы + разъема ввода / вывода находится в пределах максимально допустимых размеров 4,550 × 4,393 дюйма (116 × 112 мм).

Размеры были первоначально определены в спецификации PC / 104, и в результате форм-фактор до сих пор обычно упоминается как «PC / 104». В спецификациях PCI / 104-Express и PCIe / 104 введено название «104», чтобы отличить форм-фактор от устаревшей шины PC / 104.

EBX и EBX Express

EBX ( Embedded Board eXpandable ) - это форм-фактор одноплатного компьютера, 5,75 × 8 дюймов (146 × 203 мм). Форм-фактор EBX применяется к плате ЦП , но поддерживает периферийные платы форм-фактора PC / 104 для расширения. Исходные спецификации EBX допускали использование шин PC / 104, PC / 104- Plus и PCI-104. EBX Express добавляет шины PCI-104 / Express и PCIe / 104.

EPIC и EPIC Express

EPIC (Embedded Platform for Industrial Computing) - это форм-фактор одноплатного компьютера, который, как и EBX, поддерживает периферийные платы PC / 104, но меньше EBX и составляет 165 × 114 мм. Это позволяет реализовать соединения ввода / вывода либо как штыревые заголовки, либо как разъемы в стиле ПК («в реальном мире»). Стандарт предоставляет определенные зоны ввода-вывода для реализации таких функций, как Ethernet, последовательные порты, цифровой и аналоговый ввод-вывод, видео, беспроводная связь и различные интерфейсы для конкретных приложений. EPIC Express добавляет возможности расширения PCI Express .

Пределы стекирования

Как правило, каждый стек PC / 104 будет содержать плату ЦП, плату блока питания и одну или несколько периферийных плат. Максимальное количество плат, поддерживаемых стеком PC / 104, будет зависеть от того, какие шины используются периферийными платами.

1. Шина ISA - нет строгих ограничений на количество плат ISA, которые могут сосуществовать в одной системе. Однако существует ограниченное количество базовых адресов, IRQ и каналов DMA, которые могут стать ограничивающим фактором. Платы ISA можно укладывать стопкой по обе стороны от платы ЦП.
2. Шина PCI - Спецификации PC / 104- Plus и PCI-104 допускают четыре «слота» PCI. Это накладывает жесткое ограничение - четыре периферийных платы PCI на систему. Все периферийные модули PCI должны последовательно подключаться к одной стороне контроллера из-за требований к сигнализации шины PCI.
3. PCI Express - общее количество периферийных плат PCI Express будет зависеть от количества каналов PCIe, обеспечиваемых платой ЦП. Например, если на плате ЦП предусмотрено четыре канала x1 PCIe, можно установить максимум четыре периферийных платы x1 PCIe. Если одна или несколько периферийных плат обеспечивают повторное заполнение канала PCIe, могут быть установлены дополнительные модули. Ссылки PCIe на верхней стороне платы ЦП независимы от ссылок на нижней стороне. Установка периферийного устройства PCIe под платой ЦП не потребует использования одной из верхних боковых ссылок. Количество и ширина доступных каналов PCIe может варьироваться между верхним и нижним разъемами на плате ЦП.
4. USB и SATA - Спецификация PCI / 104-Express и PCIe / 104 предоставляет сигналы для USB и SATA, которые могут использоваться периферийными платами в стеке. Периферийные устройства, использующие USB и SATA, будут ограничены количеством каналов, предоставляемых платой ЦП. Периферийные USB-устройства могут обеспечивать повторное заполнение каналов за счет включения встроенного USB-концентратора .

Независимо от используемых шин максимальное количество плат в стеке PC / 104 может быть ограничено из-за ограничений по размеру, весу и мощности для целевого приложения.

Механическое столкновение между платами

При штабелировании плат PC / 104 возникает проблема механического столкновения между соседними платами.

1. Разъемы шины - при сборке системы, состоящей из нескольких структур шины, шинные разъемы могут мешать работе компонентов на соседней плате. Например, если плата PC / 104- Plus установлена ​​наверху платы PC / 104, контакты на нижней стороне разъема PCI могут попасть в компоненты на нижней плате.
2. Компоненты и разъемы, не соответствующие спецификациям - Спецификации PC / 104 ограничивают высоту компонентов и разъемов, которые могут быть размещены по обе стороны от платы. Ограниченная область по высоте предназначена для того, чтобы гарантировать, что доски не будут мешать другим соседям, уложенным сверху или снизу. Однако нередко можно найти платы, которые нарушают эти ограничения.
3. Радиаторы - стандартное расстояние между сложенными друг на друга платами PC / 104 составляет 0,600 дюйма (15,24 мм). Компоненты со значительным энергопотреблением (процессоры, графические процессоры, FPGA) часто требуют большего радиатора, который не умещается в пределах традиционного расстояния между платами. Нередко можно встретить платы ЦП PC / 104 с относительно большими радиаторами, которые не позволяют устанавливать периферийные платы над ними. Более поздние версии спецификации PCI / 104-Express и PCIe / 104 представили дополнительный более высокий разъем 0,866 дюйма (22,00 мм), совместимый с разъемом традиционной высоты.

Перечисленные выше проблемы механических помех часто можно решить с помощью распорки для шины, которая дает дополнительное пространство между платами. Однако распорки для шин увеличивают общую высоту стека и могут не подходить для приложений с ограниченным пространством. Также можно переставить платы в штабеле, чтобы устранить помехи. Другой вариант - изменить неисправные платы, чтобы устранить помехи (например, освободить разъем), но для этого может потребоваться, чтобы поставщик предоставил настроенную версию платы.

Возможные проблемы совместимости

Теоретически платы PC / 104 совместимы. Можно собрать систему с использованием плат от нескольких разных производителей, в зависимости от фундаментальных проблем совместимости структуры шины, перечисленных выше. Однако иногда возникают проблемы с совместимостью.

• Штифты для ключей  PC / 104 - в спецификации PC / 104 определены два штифта для ключей для предотвращения перекоса разъема. Эти контакты нельзя вставлять в разъем. Однако некоторые производители не используют разъемы PC / 104 с ключом. Это может вызвать проблемы при использовании плат от нескольких поставщиков. Часто можно изменить плату без ключа, обрезав проблемные штифты.
• Требуемые напряжения питания  - на шинах PC / 104 предусмотрено несколько напряжений питания (+ 5В, + 3,3В, + 12В и т. Д.). Какое напряжение фактически используется платой, остается на усмотрение производителя платы. Необходимо позаботиться о подаче всех напряжений, необходимых для плат в стеке.
• Конфликт источников питания  - некоторые платы обеспечивают питание стека (например, плата ЦП). Это может вызвать конфликт с источником питания в стеке.
• Уровни сигнализации PCI  - шина PCI может работать при уровнях сигнализации + 3,3 В или + 5 В. Некоторые платы могут ожидать одно напряжение, другие могут ожидать другое напряжение.
• Линия PCI VIO  - предполагается, что сигнал VIO на шине PCI управляется платой ЦП. Однако некоторые периферийные платы и блоки питания передают этот сигнал (в нарушение спецификации PCI).
• Шина ISA с современными наборами микросхем  - устаревшая шина ISA исключена из современных наборов микросхем. Новые платы ЦП, которые предоставляют шину ISA, часто делают это за счет использования микросхемы моста ISA (либо PCI-to-ISA, либо LPC-to-ISA). В некоторых случаях шина ISA реализована не полностью, и могут возникнуть проблемы совместимости.
• 4 Bus Masters  - спецификации PC / 104- Plus и PCI-104 изначально не допускали 4 набора пар Grant / Request на шине PCI. Это было решено в более новых версиях спецификации. Однако на более старых платах могут возникнуть проблемы с использованием DMA в позиции 3-го или 4-го слота PCI.

Разработка программного обеспечения

Большинство плат ЦП PC / 104 совместимы с x86 и могут запускать коммерчески доступное стандартное программное обеспечение для ПК без каких-либо модификаций. Стандартные интерфейсы ввода-вывода ПК системы PC / 104 (последовательные порты, USB, Ethernet, VGA и т. Д.) Обычно поддерживаются через собственные драйверы, встроенные в операционную систему. Для некоторых периферийных плат, например для сбора данных, могут потребоваться специальные драйверы от производителя платы.

С точки зрения разработки программного обеспечения, нет большой разницы между компиляцией программного обеспечения для настольного ПК и компиляцией для стека x86 PC / 104. Программное обеспечение может быть разработано с использованием стандартных компиляторов x86 (например, Visual Studio, если система PC / 104 работает под управлением Windows). Обычно нет необходимости в специализированных инструментах разработки, таких как кросс-компиляторы , пакеты поддержки плат или отладчики JTAG . Это значительный отход от платформ встроенных систем, отличных от x86, для которых часто требуется набор инструментов разработки от производителя платы.

Платы ЦП PC / 104, отличные от x86, на базе ARM или PowerPC также коммерчески доступны. Однако на таких платах нельзя запускать стандартное программное обеспечение для ПК. В таких случаях производитель обычно предоставляет пакет поддержки для поддерживаемых операционных систем.

Варианты написания и сокращения

При печати "PC / 104" или его вариантов обычно пропускают косую черту или тире. PC / 104 может быть сокращено как PC104, PCI-104 сокращено как PCI104 и т. Д. Кроме того, для PC / 104- Plus обычно используется аббревиатура со знаком плюс (например, PC104 +). Такие сокращения официально не признаются ни в каких спецификациях или литературе Консорциума PC / 104, однако они используются в течение некоторого времени.

Место хранения

Для систем PC / 104 часто требуется небольшое энергонезависимое хранилище, такое как компактные флэш-накопители и твердотельные накопители (SSD). Часто они более популярны, чем механические (вращающиеся) жесткие диски. По сравнению с вращающимися дисками, устройства хранения на основе флеш-памяти имеют ограниченный срок службы с точки зрения циклов записи, но они быстрее и потребляют меньше энергии. Кроме того, их компактность и физическая прочность часто лучше подходят для защищенных приложений PC / 104; размер магнитных жестких дисков может быть громоздким, а многие их хрупкие части более подвержены выходу из строя в суровых условиях.

Смотрите также

• VMEbus
• VPX
• CompactPCI
• СУМИТ

Рекомендации

Внешние ссылки

• Консорциум PC / 104