ברוס ד. ויירל, VersaLogic Corp
הגדרת הבעיה
המתכננים של מערכות משובצות עתירות ביצועים צריכים להכליל מספר גדל והולך של מימשקי ק/פ מיותר ויותר סוגים בלוחות מהמדף ומותאמים ספציפית חלקית שגודלם הולך וקטן, תוך השארת פלטפורמות התכנון שלהם גמישות מספיק כדי לטפל במגוון של תכנונים, כולל כאלה ששומרים על תאימות עם מימשקי ק/פ ישנים.
הביקוש לביצועי עיבודים וקצב העברה גבוה יותר הולך וגדל ואילו המקום הולך וקטן ואילוצי ההספק מתהדקים. יישומים רבים דורשים כיום קצב העברה מהיר יותר הקשור לאפיק PCI Express, ופונים בעיקר ליישומי וידיאו חדשים יותר (HDMI) ו/או יישומי אתרנט מהירים.
זה נכון במיוחד ביישומי מודעות מצבית צבאיים עתירי וידיאו המשתמשים בתמונה בתוך תמונה ובשכבות מיפוי, וגם ביישומים רפואיים עתירי וידיאו ותלת מימד כגון קולונסקופיה וירטואלית, MRI, צילומי CT וממוגרפיה דיגיטלית. הדרישות ליכולת קישוריות ותקשורת ביישומים אלה גדלות, כמו במערכות המשמשות ברשת המידע הגלובלית של משרד ההגנה האמריקני, שם דרוש כוח מרושת עמיד לשיתוף מידע משופר, או ברשתות רפואיות שנותנות למטופלים גישה לנתונים דיגיטליים של תוצאות בדיקות.
המפתחים של יישומים רפואיים וצבאיים מחפשים שטח קטן, גודל מודולרי וקומפקטי ויכולת להשתמש במודולי ההרחבה הקיימים הרבים מאוד שזמינים כיום. הם רוצים תאימות לאחור עם התקנים ישנים בבסיס המותקן, אבל עדיין לתמוך בסביבת חומרה שתאפשר התקנים מהירים מאוד.
למרות שבעיות מקום, קצב העברה וביצועים מטופלים באלקטרוניקה של המוליכים למחצה ברמת המעבד והשבבים, תכנון לוחות עם טכנולוגיות 45 ננו-מטר חדשות כגון המעבד Atom של אינטל עדיין מהווה אתגר. האתגר הזה נגרם בעיקר בגלל בעיות מכאניות ובעיות מחברים, וגם בגלל המספר הרב של אפיקים שצריך לאפשר כדי להתמודד עם שפע מימשקי הק/פ, בכללם PCI Express, USB, SPI, LPC, SMBus ו-ExpressCard.
גודל פיזי ומימשקים
בשנים האחרונות אפיקים טוריים מהירים, או מארגי מתגים, החליפו מימשקים מקביליים ישנים, איטיים ומסורבלים בתכנונים משובצים. רובם לא שרדו. בינתיים, רוב המיקרו מעבדים, בעיקר השבבים של אינטל, אימצו את האפיק PCI Express. PCI Express הוא אפיק טורי המאפשר שליחת נתונים בשני כיוונים באותו זמן, מה שמכפיל את קצב ההעברה האפקטיבי. כל נתיב (יציאה) של PCI Express מספק קצב העברה רב יותר מאפיק PCI המקביל המקורי של 133 MBytes/s. קצב ההעברה הטיפוסי שמספק PCI Express הוא עד 250 Mbytes/s לנתיב (500 MBytes/s לנתיב דו כיווני) בגרסה 2.0, ועד 1 GBytes/s לנתיב (דו כיווני) בגרסה 3.0. הוא משמש גם כחיבור ברמת לוח האם וגם כמימשק לכרטיסי הרחבה.
ביישומים רפואיים וצבאיים, נחוצים קצבי העברה גבוהים יותר לטיפול בנתונים ולתקשורת מבוססת אתרנט, משום שיותר ויותר מערכות ותת מערכות הופכות למרושתות והדרישות לקישוריות Gigabit Ethernet מרובה מהירה גדלות. לפי חברת VDC Research Group (VDC) שמבצעת מחקרים בענף, PCI Express מתפתח כחיבור הטורי המהיר הדומיננטי בתחום המודולים הנערמים. VDC גם מוצאת שהשווקים האנכיים הגדולים ביותר לכל המודולים הנערמים הם אוטומציה ובקרה תעשייתיות, מכשור, רפואה וצבא/ תעופה/ ביטחון.
הפתרונות הקיימים כללו מערך הולך וגדל של מימשקים ולוחות קטנים. כשמספר מימשקי הק/פ גדל, המתכננים ניצבים בפני שתי ברירות. הראשונה היא לבנות מחשבים בעלי שטח גדול יותר ולוח יחיד (SBC) עם יותר ק/פ מוכלל, כגון לוחות EBX, במידות 203.2 x 146.05 מ”מ. השנייה היא לבנות מערכות גבוהות יותר עם לוחות נערמים המבוססות על ארכיטקטורות נערמות כגון EPIC במידות 115 x 165 מ”מ, או PC/104 במידות 90 x 96 מ”מ, שמאפשרות לערום מודולי ק/פ על SBC ויכולות למלא את צורכי ההרחבות האלה.
VDC אמרה שארכיטקטורות של לוחות נערמים כגון PC/104, EPIC או EBX הן אטרקטיביות ליצרני ציוד מקורי ואינטגרטורים הניצבים בפני האתגרים האלה, משום שאפשר להוסיף לוחות הרחבה באופן אנכי כדי לשמור על שטח קטן. VDC צופה קצב גידול שנתי מצטבר של 9.33% במכירות של כל המודולים הנערמים בין 2007 ו-2012.
כיום, תכנונים רבים מתחילים עם הק/פ, לא עם המעבד. היות שהק/פ מכתיב את דרישות האפיק, ואחרי זה את דרישות המעבד, הגיוני מבחינת המתכנן להתחיל עם הק/פ הכי ייחודי ולחזור אחורה למעבד סטנדרטי. למרות שהגודל הפיזי של SBC כבול לאלמנטים המכאניים שלו – איך הלוח מורכב במערכת וחיבורי הכבלים שלו – המימשקים חשובים בגלל קצב ההעברה של הנתונים וכמה קל לחבר ק/פ.
באותו זמן, הנטייה החזקה להקטנת גודל הלוח והגמישות הנחוצה לפלטפורמה כדי לשרת שימושים מרובים משמען שפלטפורמה גבוהה יותר ונערמת סבירה יותר מאשר SBC עם בעל שטח גדול יותר שהכל עליו.
הפתרון SUMIT
במקום להקצות מחבר אחד לכל אפיק, ובמקום להגדיר עוד גודל פיזי של לוח עבור המערכות נמוכות ההספק ועתירות הביצועים המבוססות על לוח קטן מהדור הבא, הגיוני יותר להפריד את התקן של החיבור מהתקן של הגודל הפיזי, ולתכנן מימשק חדש שמשלב ומאחד אפיקים טוריים וישנים, איטיים ומהירים. שמירה על אותם גדלים פיזיים ועדכון המימשקים בלבד, מאפשרים לתקנים של הגודל הפיזי ולתקנים של המימשקים להתפתח בנפרד. כשגודל פיזי חדש נעשה זמין, הוא יכול לתמוך בכל המימשקים האלה, מה שמפחית את תיקוני המהדורות של המיפרטים ומאריך את החיים של פלטפורמת התכנון.
המימשק SUMIT (טכנולוגיית החיבור עם מודולים אחידים נערמים) של SFF-SIG (קבוצת העניין המיוחדת של הגודל הפיזי הקטן) עושה בדיוק את זה. טכנולוגיית החיבור שנבחרה למימשק התקן הפתוח SUMIT מאפשרת אפיקים מרובים מהירים ואיטיים במחבר מהיר אחד (מחבר SUMIT-A), תוך שימוש בפחות שטח לוח בהשוואה לפתרונות קודמים. המחבר SUMIT-A תומך במספר אפיקים, ביניהם PCI Express, USB, LPC, SPI, SMBus ו-ExpressCard. מחבר אופציונלי שני (SUMIT-B), עם אותו גודל ומספר פינים, תומך בנתיבי PCI Express נוספים ליותר ערוצים או קצב העברה גבוה יותר. אפשר להשתמש בלוח באחד משני המחברים או בשניהם. מחבר אופציונלי אחר מאפשר תמיכה בהתקני ISA ישנים. המיפרט מיועד למטב את העלות לפין, צפיפות הפינים ושלמות האות. הוא מספק את הבסיס לפתרון מרובה לוחות, נערם וממוקד ק/פ באמצעות גישת הרחבה שלא תלויה בגודל פיזי ספציפי כלשהו של הלוח. הוא מתוכנן גם להיות בלתי תלוי במעבד, משום שהוא מתמקד באפיק ובטכנולוגיית החיבור ולא במעבד מסוים.
המיפרט של המימשק SUMIT מגדיר שני מחברים שונים, את הקצאות הפינים של כל אחד מהם ואת המיקום היחסי שלהם בלוח. בגלל שאינו מגדיר גודל לוח ספציפי, אפשר להתקין את מחברי ה-SUMIT בלוחות בגדלים שונים כגון PC/104 ו-EBX ב-SBC סטנדרטיים או מותאמים ספציפית חלקית. לוח שבנוי לפי המיפרט הזה יכול להשתמש רק במחברי SUMIT, ובמקרה זה הוא COM. או שלוח SUMIT יכול לכלול גם ראשי פינים בשביל מימשקי ק/פ אחרים כגון IDE, אתרנט או GPIO, ובמקרה זה הלוח הוא SBC/COM היברידי. על ידי שימוש בשני מחברים קטנים נפרדים במקום במחבר אחד גדול, מאזנים בין קצב העברת הק/פ המכסימלי ובין שטח הלוח המינימלי. לוח הרחבה הבנוי עם מחבר SUMIT אחד בלבד יכול להתחבר ישירות למעבד אחר או לכרטיסי הרחבה אחרים שיש בהם מחברי SUMIT משני הסוגים, מה שמפחית את העלות הכוללת של המערכת.
הערוצים האיטיים והיותר יעילים מבחינת מקום של המחבר SUMIT-A הם אותם הערוצים שמשולבים כיום בהרבה שבבי מעבדים. הם יכולים לעזור למתכננים שרוצים לעבור למימשקי ק/פ איטיים – המשמשים למשימות כגון רכישת נתונים בקצב נמוך או הפעלה וכיבוי של מימסרים – ולהחליף את אפיקי ה-ISA שנפחם גדול. מחברי SUMIT יכולים גם לפעול לצד מחברי ISA, משום שה-ISA נמצאים במקום אחר על הלוח.
תיאור טכני של SUMIT
המחברים שנבחרו למימשק SUMIT ממלאים תפקיד קריטי בעמידה ביעדי המיפרט. למערכת החיבור SUMIT יש כמה דרישות למחברים שמיישמים את המימשק. הם חייבים להיות מסוגלים לטפל באותות בתדר גבוה שנחוצים ל-PCI Express ול-USB, וחייבים להיות זמינים מהמדף כמוצר סטנדרטי. הפינים שלהם חייבים להיות קרובים אחד לשני עם מרווחים זעירים כדי למזער את שטח הלוח שנתפס.
המחברים של מיפרט ה-SUMIT מבוססים על סידרת מחברי המיקרו המהירים Samtec QFS/QMS. המחבר של Samtec הוא מכלול נקודות חיבור עם בנק אחד המספק להב הארקה במרכז גוף המחבר. המידות של המחבר QFS הן רק 22.35 x 8.13 מ”מ. הוא כולל מימשק הארקה פנימי מאוחד לשיפור מאפייני הניתוב, ולניצול יעיל של כל 52 הפינים.
שני הסוגים של המחבר SUMIT, A ו-B, הם מחברים עם 52 פינים צפופים (מרווח בין הפינים 0.634 מ”מ). בנוסף לאפיקים האיטיים והמהירים, הם כוללים גם +12V, +5V, +5V מצב המתנה, +3V, הארקות ואותות בקרה ומצב אחרים. להבי הארקה מרכזיים מספקים עכבה, EMI והחזרת הארקה DC.
המחבר SUMIT-A כולל נתיב PCI Express x1 אחד, ארבע יציאות USB 2.0, ערוץ LPC ליציאות הרחבה טוריות ומימשקי ק/פ ישנים אחרים, יציאת SPI, יציאת ExpressCard וערוץ I2C רב תכליתי שבדרך כלל מחובר ל-SMBus לשימוש עם שבבי x86.
המחבר SUMIT-B כולל נתיב PCI Express x1 אחד ונתיב PCI Express x4 אחד, וגם אותות חשמל, הארקה ובקרה נוספים. אפשר לפצל את הנתיב PCI Express x4 לארבעה נתיבים x1. SUMIT תומך ב-PCI Express 1.0 ו-2.0, עם מהירויות של עד 500 MBytes/s לנתיב (דו-כיווני).
באמצעות מגוון של אותות ערוץ במימשק ה-SUMIT, אפשר לשלב סוגים רבים של כרטיסי ק/פ בערימה, ולקבל את הגמישות של פונקציות מהירות ואיטיות גם יחד. המחבר SUMIT-A תומך ביישומים איטיים, הדומים למהירויות של ISA, דרך ערוץ ה-LPC, וגם בסכימת הרחבה של USB.
המיפרט של SUMIT מגדיר את המיקום היחסי בין המחברים A ו-B על הלוח כדי להבטיח ניתוב נכון כשהאותות עוברים ממחבר אחד לשני דרך ערימת הכרטיסים, וגם כדי להבטיח תאימות מכאנית.
מיפרט SUMIT נפרד, SUMIT-ISM (ISM – מודול תעשייה סטנדרטי) משתמש בארכיטקטורה הנערמת של SUMIT במודול בגודל של PC/104 (90 x 96 מ”מ). המיפרט של המיקום של מחברי SUMIT מאפשר להשתמש במחבר PC/104 (ISA) המקורי יחד עם SUMIT על אותו לוח. זה מקל על המעבר ממערכות עם מודולי הרחבה PC/104 ISA למערכת עם ערימת הרחבות מעורבת של SUMIT ו-PC/104. לחיבור SUMIT יש כיום מיפרטים למעבדים ולוחות הרחבה בגדלים EBX, EPIC ו-PC/104.
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת סמטק.
