ПК/104

Эта статья о стандарте встроенных компьютеров. Раскладку клавиатуры, которую в документации Linux/Unix называют pc104, см. в разделе Клавиатура IBM PC § Раскладки клавиатуры .

PCI-104. Одноплатный компьютер

PC/104 (или PC104 ) — это семейство для встраиваемых компьютеров стандартов , которые определяют форм-факторы и компьютерные шины Консорциума PC/104 . Его название происходит от 104 контактов межплатного разъема ( ISA ) в исходной спецификации PC/104. и был сохранен в последующих версиях, несмотря на изменения в разъемах. PC/104 предназначен для специализированных сред, где требуется небольшая, надежная компьютерная система. Стандарт является модульным и позволяет потребителям объединять платы различных производителей COTS для создания индивидуальной встроенной системы.

Исходный форм-фактор PC/104 несколько меньше материнской платы настольного ПК и имеет размеры 3,550 × 3,775 дюйма (90 × 96 мм). В отличие от других популярных форм-факторов компьютеров, таких как ATX , в которых используется материнская плата или объединительная плата , платы PC/104 складываются друг на друга, как строительные блоки. Спецификация PC/104 определяет четыре монтажных отверстия по углам каждого модуля, которые позволяют крепить платы друг к другу с помощью стоек . Штабелируемые шинные разъемы и использование стоек обеспечивают более надежный монтаж, чем слотовые платы в настольных ПК. Компактный размер платы дополнительно повышает прочность форм-фактора, уменьшая возможность 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 , GPS- приемник или контроллер беспроводной локальной сети . Широкий спектр периферийных плат доступен от различных поставщиков. Пользователи могут создавать стек, включающий платы от нескольких поставщиков. Общая высота, вес и энергопотребление стека могут варьироваться в зависимости от количества используемых плат.

PC/104 иногда называют «стекируемым ПК», поскольку большая часть архитектуры заимствована из 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 компанией Ampro в 1987 году (под руководством технического директора Рика Лербаума). и позже стандартизирован Консорциумом PC/104 в 1992 году. Стандарт IEEE, соответствующий PC/104, был разработан как IEEE P996.1, но так и не был 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 в состав Консорциума входят 47 членов. Все спецификации, опубликованные Консорциумом, находятся в свободном доступе. Членство в Консорциуме не требуется для разработки и производства платы PC/104.

Спецификация	Первоначальный выпуск	Автобусное сообщение	Текущий Версия
ПК/104	1992	ОДИН (AT и XT)	2.6
ПК/104- Плюс	1997	ИСА и PCI
PCI-104	2003	PCI	1.1
PCI/104-Express и PCIe/104	2008	PCI и PCI Express	3.0

Структура шины в зависимости от форм-фактора

Спецификации, выпущенные Консорциумом PC/104, определяют несколько структур шины (ISA, PCI, PCI Express) и форм-факторов (104, EBX, EPIC). Структура шины определяет расположение и распиновку разъемов шины. Форм-фактор относится к размеру и форме платы. Можно найти одну из стекируемых шин расширения PC/104 в различных форм-факторах. Хотя большинство коммерчески доступных продуктов, использующих структуры шины, будут соответствовать форм-факторам, перечисленным ниже, в нестандартный или запатентованный форм-фактор возможно включение одной из структур шины PC/104 для возможности расширения.

Обратите внимание, что термин «PC/104» часто используется как взаимозаменяемый для обозначения структуры шины или форм-фактора. Это может стать источником путаницы. Например, в техническом описании продукта плата может называться «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 различные компьютерные шины, каждая из которых основана на шинах ISA, PCI и PCI Express, имеющихся в настольных ПК.

ПК/104

Исходная шина PC/104 произошла от шины ISA . Он включает в себя все сигналы, присутствующие на шине ISA, с добавлением дополнительных контактов заземления для обеспечения целостности шины. Синхронизация сигнала и уровни напряжения идентичны шине ISA, но с более низкими 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-битная версия соответствует IBM AT и добавляет 40 дополнительных контактов, в результате чего общее количество контактов достигает 104 (отсюда и название «PC/104»). Сигналы с маркировкой J1/P1 встречаются в обеих версиях, а сигналы J2/P2 встречаются только в 16-битной версии.

часто необходимо установить базовый адрес , IRQ и канал DMA Поскольку PC/104 основан на шине ISA, 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.

ПК/104- Плюс

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.

Платы ЦП PC/104- Plus обеспечивают активную связь по обеим шинам и способны взаимодействовать как с периферийными картами ISA, так и с PCI. На периферийных модулях PC/104- Plus разъем PC/104 представляет собой просто пассивный разъем для возможности стекирования; модуль активно обменивается данными только по шине PCI. Как следствие, периферийный модуль PC/104- Plus нельзя использовать с платой ЦП PC/104. Однако плату ЦП PC/104- Plus можно использовать 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. Для каждой периферийной платы PCI в системе должно быть установлено уникальное значение номера слота PCI. Несоблюдение этого требования может привести к нестабильному поведению 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

Форм-фактор PCI-104 включает разъем PCI, но не разъем PC/104, чтобы увеличить доступную площадь платы. Несмотря на то, что разъем PCI имеет 120 контактов вместо 104, устоявшееся название было сохранено. Расположение и распиновка разъема PCI идентична 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 быть изготовлены как PCI-104, просто не устанавливая разъем PC/104.

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

PCI/104-Экспресс

Основная статья: 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 устаревший разъем PC/104 ISA. Помимо PCI Express, спецификация также определяет 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 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 общий подмножество сигналов двух типов: 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 либо к типу 1, либо к универсальному, но не могут иметь явной маркировки 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 (никаких физических повреждений не произойдет). Универсальные периферийные платы можно использовать с распиновкой типа 1 или типа 2.

Поскольку разъем шины PCIe предназначен для поверхностного монтажа, а не для сквозного монтажа, на плате также возможно использовать разные выводы 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 обеспечивают активную связь как по шинам PCI, так и по шинам PCIe. Плату ЦП PC/104-Express можно использовать с периферийными модулями PCI-104 и PC/104- Plus . Однако периферийный модуль PCI/104-Express будет обмениваться данными только по шине PCIe; разъем PCI — это просто сквозной разъем для возможности штабелирования. Периферийный модуль PC/104-Express нельзя использовать с платой ЦП PCI-104 или PC/104- Plus (если не используется мостовое устройство ISA).

PCI/104-Express включает в себя функцию переключения каналов, что устраняет необходимость в переключателях/перемычках выбора слота PCI, имеющихся на периферийных устройствах PCI-104 и PC/104- Plus . Некоторые периферийные платы повторно заполняют каналы PCIe, что позволяет стек иметь дополнительные периферийные платы помимо исходного набора каналов PCI Express, предоставляемых платой ЦП. Повторное заполнение канала не является обязательным требованием спецификации и должно быть реализовано на периферийной плате с помощью коммутатора пакетов PCI Express.

PCIe/104

PCIe/104 аналогичен стандарту PCI/104-Express, но в нем отсутствует устаревшая шина 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 типа 1, так и типа 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. В каждом форм-факторе может использоваться одна из перечисленных выше шинных структур.

104 или ПК/104

Форм-фактор 104 определяется как 3,550 × 3,775 дюйма (90 × 96 мм) с монтажными отверстиями во всех четырех углах платы. Спецификации также допускают наличие зоны шириной 0,5 дюйма (13 мм) за краем печатной платы для разъемов ввода-вывода. Некоторые продукты PC/104 имеют печатные платы увеличенного размера, которые заходят в область разъема ввода-вывода. Расширенные «крылья» печатной платы не рассматриваются в спецификации и обычно 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 изначально были определены в спецификации PC/104, и в результате форм-фактор до сих пор обычно называют «PC/104». В спецификациях PCI/104-Express и PCIe/104 введено имя «104», чтобы отличить форм-фактор от устаревшей шины PC/104.

EBX и EBX Экспресс

EBX (Embedded Board eXpandable) — это форм-фактор одноплатного компьютера размером 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.

ЭПИК и ЭПИК Экспресс

EPIC (Встроенная платформа для промышленных вычислений) — это форм-фактор одноплатного компьютера, который, как и EBX, поддерживает периферийные платы PC/104, но меньше, чем EBX, и имеет размеры 6,5 × 4,5 дюйма (165 × 114 мм). Он позволяет реализовывать соединения ввода-вывода либо в виде контактных разъемов , либо в виде разъемов в стиле ПК («реальный мир»). Стандарт предусматривает 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 содержит 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 . Строгого ограничения на количество плат ISA, которые могут сосуществовать в одной системе, не существует. Однако существует ограниченное количество базовых адресов, IRQ и каналов DMA, что может стать ограничивающим фактором. Платы ISA можно устанавливать с любой стороны платы ЦП.
2. Шина PCI . Спецификации PC/104- Plus и PCI-104 допускают четыре «слота» PCI. Это накладывает жесткое ограничение на четыре периферийных платы PCI на систему. Все периферийные модули PCI должны подключаться последовательно на одной стороне контроллера в соответствии с требованиями передачи сигналов шины PCI.
3. PCI Express — общее количество периферийных плат PCI Express будет зависеть от количества каналов PCIe, предоставляемых платой ЦП. Например, если плата ЦП обеспечивает четыре канала x1 PCIe, то можно установить максимум четыре периферийные карты x1 PCIe. Если одна или несколько периферийных плат обеспечивают повторное заполнение каналов PCIe, можно установить дополнительные модули. Каналы PCIe на верхней стороне платы ЦП независимы от каналов на нижней стороне. Установка периферийного устройства PCIe под плату ЦП не потребует использования одного из верхних боковых каналов. Количество и ширина доступных каналов PCIe могут различаться в зависимости от верхнего и нижнего разъемов платы 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 устройства USB могут обеспечивать повторное заполнение каналов путем 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 целевого приложения.

Механическое взаимодействие между платами

При установке плат PC/104 вместе возникает проблема механического взаимодействия между соседними платами.

1. Разъемы шины . При сборке системы, состоящей из нескольких структур шин, разъемы шины могут мешать компонентам на соседней плате. Например, если плата PC/104- Plus установлена ​​поверх платы PC/104, контакты на нижней стороне разъема PCI могут столкнуться с компонентами на нижней плате.
2. Компоненты и разъемы, не соответствующие техническим характеристикам . Спецификации PC/104 ограничивают высоту компонентов и разъемов, которые можно размещать с обеих сторон платы. Область ограниченной высоты предназначена для того, чтобы гарантировать, что доски не будут мешать другим соседям, расположенным выше или ниже. Однако нередко можно встретить платы, нарушающие эти ограничения.
3. Радиаторы . Стандартное расстояние между установленными друг на друга платами PC/104 составляет 0,600 дюйма (15,24 мм). Компоненты со значительным энергопотреблением (ЦП, графические процессоры, FPGA) часто требуют радиатора большего размера, который не умещается в традиционном пространстве на плате. Нередко можно встретить платы ЦП PC/104 с относительно большими радиаторами, которые не позволяют устанавливать над ними периферийные платы. В более поздних версиях спецификаций PCI/104-Express и PCIe/104 появился дополнительный разъем высотой 0,866 дюйма (22,00 мм), совместимый с разъемом традиционной высоты.

Перечисленные выше проблемы механических помех часто можно решить с помощью проставки для шины, которая обеспечивает дополнительное пространство между платами. Однако прокладки для шин увеличивают общую высоту штабеля и могут не подходить для приложений с ограниченным пространством. Также возможно переставить платы в стопке, чтобы устранить помехи. Другой вариант — модифицировать проблемные платы, чтобы устранить помехи (например, удалить разъем), но для этого может потребоваться, чтобы поставщик предоставил индивидуальную версию платы.

Возможные проблемы совместимости

Теоретически платы PC/104 совместимы. Можно собрать систему, используя платы нескольких разных производителей, при условии соблюдения фундаментальных проблем совместимости структуры шины, перечисленных выше. Однако иногда возникают проблемы совместимости.

• Ключевые штифты PC/104 – спецификация PC/104 определяет два штифта для предотвращения смещения разъема. Эти контакты не должны быть установлены на разъеме. Однако некоторые поставщики не используют разъемы PC/104 с ключами. Это может вызвать проблемы при использовании плат от нескольких поставщиков. Часто можно модифицировать плату без клавиш, обрезав проблемные контакты.
• Требуемые напряжения питания – шины PC/104 обеспечивают несколько напряжений питания (+5В, +3,3В, +12В и т.д.). Какие напряжения фактически используются платой, остается на усмотрение производителя платы. Необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить все напряжения, необходимые для плат в стеке.
• Конфликт по питанию — некоторые платы обеспечивают питание стека (например, плата ЦП). Это может конфликтовать с источником питания в стеке.
• Уровни сигнализации PCI – шина PCI может работать при уровнях сигнализации +3,3 В или +5 В. Некоторые платы могут рассчитывать на одно напряжение, другие — на другое.
• Линия PCI VIO – предполагается, что сигнал VIO на шине PCI управляется платой ЦП. Однако некоторые периферийные платы и блоки питания подают этот сигнал (в нарушение спецификации PCI).
• Шина ISA с современными наборами микросхем . Устаревшая шина ISA исключена из современных наборов микросхем. Новые платы ЦП, которые обеспечивают 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 мастера шины – спецификации PC/104- Plus и PCI-104 изначально не допускали 4 набора пар «предоставление/запрос» на шине PCI. Эта проблема была решена в новых версиях спецификации. Однако на старых платах могут возникнуть проблемы с использованием DMA в 3-м или 4-м слоте PCI.

Разработка программного обеспечения

Большинство плат ЦП PC/104 совместимы с архитектурой x86 и способны запускать без модификаций стандартное программное обеспечение для ПК, доступное в продаже. Стандартные интерфейсы ввода-вывода ПК системы PC/104 (последовательные порты, USB, Ethernet, VGA и т. д.) обычно поддерживаются собственными драйверами, встроенными 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 можно разрабатывать 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 существенное отличие от платформ встраиваемых систем, отличных от x86, которым часто требуется набор инструментов разработки от производителя платы.

Платы процессоров PC/104, отличные от x86, на базе ARM или PowerPC, также имеются в продаже. Однако такие платы не способны использовать стандартное программное обеспечение для ПК. В таких случаях пакет поддержки платы производитель обычно предоставляет для поддерживаемых операционных систем.

Варианты написания и сокращения

При печати «PC/104» или его вариантов косая черта или тире обычно опускаются. PC/104 может быть сокращенно как PC104, PCI-104 сокращенно как PCI104 и т. д. Кроме того, PC/104- Plus обычно обозначается знаком плюс (например, PC104+). Такие сокращения официально не признаны ни в каких спецификациях или литературе Консорциума PC/104, однако они используются уже некоторое время.

Хранилище

Системам PC/104 часто требуется небольшое энергонезависимое хранилище, например, такое, как компактные флэш-устройства и твердотельные диски (SSD). Они часто более популярны, чем механические (вращающиеся) жесткие диски. По сравнению с вращающимися дисками флэш-накопители 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 их многочисленные хрупкие части более подвержены сбоям в суровых условиях.

См. также

• VMEbus
• ВПХ
• КомпактныйPCI
• СУМИТ

Внешние ссылки

• Консорциум ПК/104