ПРЕСС-ЦЕНТР

Шина PCI Express на модулях COM: отрасль встраиваемых систем принимает эстафету

Электронные компоненты 12/2005

Акиншин Леонид

Высокопроизводительный интерфейс PCI Express, постепенно вытесняющий традиционную шину PCI из настольно-серверного сегмента, расширяет свой ареал: с принятием стандарта COM Express началась эра массового применения PCI Express во встраиваемых системах различных типов.

Повсюду нас окружают разнообразные малогабаритные продукты, сочетающие в себе высокую производительность и малое энергопотребление. Такая комбинация свойств оказывается весьма эффективной, поскольку позволяет охватить очень широкий диапазон прикладных задач. Многие современные продукты никогда не появились бы на свет, если бы не прогресс в области технологий производства полупроводниковых компонентов. Сегодня люди научились производить процессоры с чрезвычайно низким расходом электроэнергии на 1 МГц, что позволяет заключать большую вычислительную мощь в малые пространства. Однако тактовые частоты продолжают расти, и на смену "энергетической" пришла другая проблема: интерфейсы PCI и AGP перестали справляться с возросшими потоками данных. Для передового медико-диагностического оборудования, электронных кассовых аппаратов, информационных терминалов, игровых автоматов и систем промышленной автоматизации уже недостаточно тех скоростей обмена, что способны обеспечить унаследованные параллельные шины.

Впервые с трудностями такого рода столкнулся сегмент персональных компьютеров и серверов. После нескольких лет поисков, дискуссий и напряженной работы на свет появился последовательный интерфейс PCI Express, способный обеспечивать такие скорости обмена, которые в принципе недостижимы для параллельных шин. Аналитики сходятся во мнении, что PCI Express это надолго, поскольку данная архитектура полностью отвечает требованиям PC-индустрии и не имеет никаких разумных альтернатив, пусть даже и в перспективе. И жизненные реалии убеждают нас в справедливости этого вывода: мы видим, как в серверно-настольном секторе различные версии параллельного интерфейса PCI медленно, но верно вытесняются шиной PCI Express. Стандарт COM Express, которому посвящена настоящая статья, представляет собой ни что иное как попытку "глобализации" этого процесса путем подключения к нему отрасли встраиваемых систем.

Зачем нужны стандарты?

В контексте развития компьютерного рынка как целого переход на PCI Express есть частное проявление общей закономерности, состоящей в том, что параллельные технологии передачи данных постепенно отмирают, уступая место последовательным. Новые последовательные интерфейсы позволяют полнее раскрывать возможности современных процессоров и чипсетов и состоят, как правило, из низковольтных дифференциальных пар (Low Voltage Differential Signaling LVDS).

Разработчики встраиваемых систем, желавшие использовать в своих решениях высокопроизводительные полупроводниковые компоненты, получили, наконец, "в лице" PCI Express шину с адекватной пропускной способностью. Но одного лишь соответствия характеристик передовых технологий передачи и обработки данных еще не достаточно для появления реальных продуктов, построенных на базе этих технологий. Дело в том, что финансовые затраты и потери ценного времени, связанные с внедрением современных компонентов и интерфейсов, способны свести на нет все те преимущества, что такое внедрение теоретически могло бы дать. Традиционно переход на другую модель процессора и/или новую архитектуру внутрисистемного обмена предполагает разработку нового одноплатного компьютера, однако сегодня для многих компаний такой путь является слишком долгим и дорогостоящим, поскольку реализация ноу-хау также требует времени и денег. В нынешних условиях, когда сокращение сроков выхода на рынок и снижение затрат стали одними из основных инструментов конкурентной борьбы, новые технологии могут оказаться нерентабельными.

Ничего нового в этом парадоксе нет; отрасль встраиваемых систем познакомилась с ним задолго до прихода типа PCI Express. Одним из общепринятых методов решения такого рода проблем стали "компьютеры-на-модуле" (Computer-on-Module COM). Классический COM это малогабаритная печатная плата, на которой реализованы все основные хост-узлы, и которая может использоваться как готовое ядро своей будущей системы. Козырем архитектуры COM является охват широкого спектра приложений: вся прикладная специфика выносится разработчиком на специализированную базовую плату, к которой компьютер-модуль подключается посредством специальных разъемов (Рис.1). Фактически, при использовании Computer-on-Module все функции традиционного одноплатного компьютера разделяются на две части: специализированную, которую разработчик реализует своими силами, и универсальную, которую он покупает у компании-поставщика COM.


Рис.1. Универсальное изделие COM устанавливается на специализированную базовую плату, разрабатываемую с учетом особенностей конкретного приложения.

По мере роста популярности "компьютеров-на-модуле" разработчики все чаще сталкивались с несовместимостью изделий от разных поставщиков, что вызвало спрос на соответствующие стандарты. Кроме того, в последнее время на рынке встраиваемых систем ощущается острая потребность в таких открытых спецификациях, которые бы обеспечивали удобство и простоту перехода на PCI Express и другие современные последовательные интерфейсы (Serial ATA, SDVO, USB 2.0). На этом стыке и родился стандарт COM Express. В его основу легла спецификация ETXexpress, обнародованная некоторое время тому назад холдингом Kontron. Деятельность комитета COM Express в международном консорциуме PICMG курировались компаниями Intel, Kontron, PFU и RadiSys.

Что стандарт COM Express дает разработчику?

Многие производители уже объявили о поддержке стандарта COM Express. Малогабаритные компьютеры-модули этого типа характеризуются повышенной прочностью и могут стать выходом из положения в тех случаях, когда другие методы обнаруживают свою несостоятельность. Положившись на COM Express, разработчики не только смогут эффективно использовать в своих решениях новый высокопроизводительный интерфейс PCI Express, но и получат более быстрый выход на рынок, а также добьются лучшего баланса между функциональностью, ценой и размерами, попутно снизив текущие и будущие риски.

Но самым главным плюсом COM Express является предоставляемая этим стандартом возможность сосредоточиться на "конкурентоспособных" чертах будущего продукта: компьютер-модуль снимает проблему интеграции процессора, чипсета и системного интерфейса. Для осуществления такой интеграции своими силами разработчику пришлось бы потратить уйму ценного времени, что означало бы дать конкуренту лишний шанс.

Игроки рынка встраиваемых систем вынуждены выживать в условиях переменчивого потребительского спроса и жесткой конкуренции. Изделия COM Express могут стать в их руках грозным оружием, позволяя быстро реагировать на меняющуюся рыночную ситуацию, модернизировать существующие разработки и расширять продуктовые линейки. На изделиях COM Express возможна реализация не только современной шины PCI Express, но и старых интерфейсов PCI и IDE, что создает дополнительные удобства и обеспечивает плавность перехода на новые технологии. Стандартизованные "компьютеры-на-модуле", оснащенные шиной PCI Express, будут особенно полезны в системах с длительным жизненным циклом: периодически заменяя одни COM Express на другие, можно поддерживать производительность и пропускную способность такой системы на должном уровне в течение многих лет.

Принцип разделения системы на универсальную и специализированную части, лежащий в основе концептуального здания COM Express, на практике приводит к тому, что, создав базовую плату, разработчик получает, по сути, не один продукт, а целую продуктовую линейку, покрывающую весь спектр приложений: от Low-End до High-End. Новые версии и модификации исходного продукта будут являться теперь результатом не столько разработки, сколько конфигурирования: достаточно выбрать подходящий модуль COM Express и установить его на имеющуюся платформу. Стандарт COM Express оказывается, таким образом, ориентированным на самые динамичные сегменты рынка встраиваемых систем. При помощи модулей этого типа можно создавать электронные рекламные щиты, интерактивные киоски, системы виртуальной торговли, мобильные рентгеновские аппараты типа C-Arm, ультразвуковые сканеры, анализаторы шин и протоколов, автоматизированную контрольно-измерительную аппаратуру, мультимедийные игровые платформы, бортовые компьютеры беспилотных летательных аппаратов, всевозможные симуляторы/тренажеры, средства связи, оборудование для систем промышленной автоматизации и др. Кроме того, изделия COM Express очень рентабельны: они обеспечивают защиту сделанных в разработку инвестиций и уменьшают полную стоимость владения, поскольку при их использовании прикладная часть системы изолируется от "процессорно-чипсетной".

Краткая спецификация

Подключение модуля COM Express к базовой плате обеспечивается одним или двумя 220-контактными разъемами (обязательным и опциональным). В "обязательный" коннектор выведены шина PCI Express, интерфейс Serial ATA, канал ЖК-монитора (LVDS), шина LPC, линии управления системой и питанием, ТВ-выход, порт VGA, интерфейс локальной сети, а также заземление и силовые линии. Опциональный соединитель позволяет использовать старые интерфейсы PCI и IDE, выход SDVO, а также дополнительные интерфейсы PCI Express, Ethernet, линии питания и заземления.

Физический уровень интерфейса PCI Express образован дифференциальными сигнальными парами LVDS с уровнем напряжения 0,8 В и схемой кодирования 8/10b. Скорость передачи по одному двухпроводному каналу новой шины составляет 2,5 Гбит/с в каждом направлении (полезные данные пересылаются несколько медленнее - 2 Гбит/с); в перспективе планируется выход на уровень 10 Гбит/с. Увеличение числа сигнальных пар приводит к повышению полной пропускной способности в соответствующее число раз. Канал может состоять из 1, 2, 4, 8, 12, 16 и 32 пар LVDS, причем взаимодействие с другими уровнями никак не зависит от физической ширины интерфейса PCI Express. Процессы инициализации и работы с устройствами новая шина позаимствовала у PCI, следствием чего стала автоматическая поддержка PCI Express всеми популярными операционными системами и ОС реального времени.

Один модуль COM Express может иметь до 32 сигнальных пар PCI Express (максимальная совокупная пропускная способность 80 Гбит/с), интерфейс PCI Express Graphics x16 для подключения внешнего графического контроллера, до четырех каналов Serial ATA-150 (полная пропускная способность 600 Мбайт/с), до трех интерфейсов Gigabit Ethernet (в будущем 10 Gigabit Ethernet), до восьми портов USB 2.0, до двух каналов LVDS и до двух выходов Serial DVO. Предусмотрена совместимость с 5-гигагерцовой версией PCI Express и 300-мегабайтным вариантом Serial ATA, благодаря чему максимальная пропускная способность соответствующих подсистем ввода-вывода может быть удвоена (160 Гбит/с и 1,2 Гбайт/с соответственно).

Для модулей COM Express определено два формфактора: базовый (Basic Form Factor, 125 x 95 мм) и расширенный (Extended Form Factor, 155 x 110 мм). Эти конструктивы механически совместимы между собой, что позволяет при необходимости менять модули Basic на Extended и обратно. Дополнительную площадь, предоставляемую расширенным формфактором, можно использовать для монтажа крупных процессоров, чипсетов большого размера, дополнительной памяти и организации двухканального ОЗУ. Предельная высота компонентов и максимальное энергопотребление (100 Вт для Base и 160 Вт для Extended) прописаны в стандарте и служат дополнительной гарантией совместимости и взаимозаменяемости изделий COM Express от разных производителей.

Два механических конструктива дают разработчику дополнительную свободу действий, позволяя адресовать свои решения сразу нескольким классам прикладных задач. Базовый формфактор отлично подходит для небольших устройств, таких как портативная медицинская техника и контрольно-измерительная аппаратура. Расширенный конструктив приходит на помощь тогда, когда производительность критична, и ради ее повышения можно пойти на некоторый рост энергопотребления (ультразвуковые сканеры, игровые автоматы, мультимедийные киоски, электронные рекламные щиты и др.).

ETXexpress: первые реальные изделия, полностью соответствующие стандарту COM Express

Мы уже упоминали, что стандарт COM Express создавался не на пустом месте: в его основу легла спецификация ETXexpress авторства Kontron. Название "ETXexpress" относится не к стандарту, а к продуктовой линейке холдинга Kontron, образованной изделиями стандарта COM Express. На данный момент ETXexpress являются единственными доступными модулями, которые отвечают всем требованиям COM Express.

Первый представитель семейства Kontron ETXexpress, называющийся ETXexpress-PM, выполнен на базе чипсета Mobile Intel 915GM Express и оснащается процессорами Intel Pentium и Celeron с тактовыми частотами до 2,13 МГц (Рис.2). Объем бортовой памяти типа DDR2 может достигать 2 Гбайт. Благодаря интегрированному видеоконтроллеру Intel Graphics Media Accelerator 900 и поддержке технологии PCI Express Graphics модуль ETXexpress-PM будет хорошим выбором в тех случаях, когда требуется обсчет и вывод сложных изображений в режиме реального времени. Быстрый обмен данными с внешним миром обеспечивается портом 10/100Base-T Ethernet (вскоре должна появиться версия с интерфейсом Gigabit Ethernet). В наличии два канала Serial ATA, один канал IDE, выход VGA, коннектор FFC для подключения ЖК-дисплеев типа LVDS и два порта USB 2.0. Специалисты Kontron намерены расширять семейство ETXexpress и ведут работы над новыми модулями стандарта COM Express.


Рис.2. Так выглядит модуль ETXexpress-PM холдинга Kontron, выполненный на чипсете Mobile Intel 915GM Express и отвечающий всем требованиям стандарта COM Express. Объем ОЗУ достигает 2 Гбайт, тактовая частота процессора 2,13 ГГц.

Перспективы интерфейса PCI Express в секторе встраиваемых систем

Разработчики современных встраиваемых систем не могут пройти мимо COM Express, поскольку изделия этого типа являются на сегодняшний день рекордсменами по производительности. Соединяя в себе достоинства метода COM с преимуществами открытого стандарта, они позволяют разработчикам встраиваемых систем идти в ногу с прогрессом, применяя новейшие процессоры и последние интерфейсные технологии. Кроме того, COM Express сокращает и удешевляет период разработки, освобождая инженеров от рутинной интеграции процессора, чипсета и памяти и позволяя им сосредоточиться на ключевых особенностях будущего продукта.

Благодаря стандарту COM Express и модулям ETXexpress, игроки рынка встраиваемых систем могут оперативно отслеживать в своих продуктовых линейках те изменения, что происходят на рынке полупроводниковых компонентов. Авторы концепции COM Express уделили большое внимание обеспечению плавности перехода со старых параллельных интерфейсов на современные LVDS-архитектуры. Основными технологиями ввода-вывода для новых модулей являются PCI Express, Serial ATA, Ethernet и USB, которые, вне всякого сомнения, проживут еще очень долго. Уже в силу одного этого можно утверждать, что стандарт COM Express ожидает блестящее будущее.

Но и COM Express это лишь первый этап масштабного наступления высокопроизводительной шины PCI Express на рынок встраиваемых систем. Недавно Kontron анонсировал новую спецификацию, называющуюся Compact COM Express (продуктовая линейка microETX). Она развивает идеи COM Express и явилась результатом попыток реализовать шину PCI Express на модулях как можно меньших габаритов (Рис.3). После прохождения всех необходимых формальностей Compact COM Express должен стать еще одним открытым промышленным стандартом под эгидой консорциума PICMG. Таким образом, уже можно вести речь о целом семействе стандартов с родовым названием COM Express, благодаря которому разработчики смогут использовать интерфейс PCI Express во встраиваемых системах самых разных размеров и типов.


Рис.3. Размеры модулей Compact COM Express и COM Express

Стандарт COM Express возник не по чьей-то прихоти. Его появление обусловлено общекомпьютерной тенденцией перехода на быстрые последовательные интерфейсы, естественным желанием разработчиков встраиваемых систем использовать современную компонентную базу и необходимостью выводить новые изделия на рынок в как можно более сжатые сроки, а также успехами, достигнутыми интерфейсом PCI Express в секторе настольно-серверных систем. Иными словами, COM Express это закономерное явление, отвечающее насущным потребностям отрасли встраиваемых систем и знаменующее собой начало новой эры в ее истории.