Architektura Dedykownanych Systemów Czasu Rzeczywistego komputerowe systemy przemysłowe

Transkrypt

1 Architektura Dedykownanych Systemów Czasu Rzeczywistego komputerowe systemy przemysłowe Mariusz RUDNICKI pok. 753 tel.:

2 Literatura Standard DIMM-PC: specyfikacja modułów DIMM-PC wersja 2.1; wirtyny internetowe: Standard PC/104, PC-104-Plus, EBX, EPIC: Specyfikacja PC/104 wersja 2.5; Specyfikacja PC/104-Plus wersja 2.2; Specyfikacja EBX Embedded Board, expandable wersja 2.0; Specyfikacja EPIC Embedded Platform for Industrial Computing TM wersja 2.0; witryny internetowe:

3 Literatura VMEbus: Specyfikacja Std , IEEE Standard for A Versatile Backplane Bus: VMEbus; The VMEbus Handbook Wade D. Peterson, 1997 VITA; Wprowadzenie do standardu VMEbus B. Marzec, WNT 1994; Witryny internetowe:

4 Pojęcia Architektura przedstawia najczęściej system w postaci zestawu wzajemnie komunikujących się (oddziałujących na siebie) podsystemów, łącznie z fizycznym rozmieszczeniem podsystemów na sprzęcie wykonującym odpowiednie funkcje. Decyzje podjęte w fazie ustalania całościowej architektury mogą mieć istotne znaczenie dla cech systemu jako całości (jego wydajności, bezpieczeństwa, dostępności, łatwości konserwacji).

5 Pojęcia System dedykowany jest systemem przygotowanym według specyfikacji klienta i dostosowanym do jego potrzeb i oczekiwań. System dedykowany jest najlepszym rozwiązaniem w sytuacji: braku na rynku systemów oferujących niezbędne funkcjonalności; istniejące systemy znacznie przewyższają wymagania klienta (koszty); Tworzenie systemu dedykowanego: I etap szczegółowa analiza potrzeb oraz wymagań klienta. II etap projektu funkcjonalnego systemu. III etap wykonanie, zgodnie ze specyfikacją części sprzętowej i oprogramowania. IV testy zarówno pod kątem poprawnego funkcjonowania systemu jak i pod kątem jego użyteczności. V zaakceptowany przez klienta produkt zostaje uruchomiony i udostępniony użytkownikom końcowym.

6 Pojęcia System czasu rzeczywistego to taki, w którym wynik przetwarzania nie zależy tylko i wyłącznie od jego logicznej poprawności, ale również od czasu, w jakim został osiągnięty. Jeśli nie są spełnione ograniczenia czasowe, mówi się, że nastąpił błąd systemu.

7 Pojęcia Tryb przetwarzania w czasie rzeczywistym jest takim trybem, w którym programy przetwarzające dane napływające z zewnątrz są zawsze gotowe, a wynik ich działania jest dostępny nie później niż po zadanym czasie. Moment nadejścia kolejnych danych może być losowy (asynchroniczny) lub ściśle określony (synchroniczny). System czasu rzeczywistego jest systemem interaktywnym, który utrzymuje ciągły związek z asynchronicznym środowiskiem, np. środowiskiem, które zmienia się bez względu na system, w sposób niezależny. Oprogramowanie czasu rzeczywistego odnosi się do systemu lub trybu działania, w którym przetwarzanie jest przeprowadzane na bieżąco, w czasie wystąpienia zewnętrznego zdarzenia, w celu użycia rezultatów przetwarzania do kontrolowania lub monitorowania zewnętrznego procesu. System czasu rzeczywistego odpowiada w sposób przewidywalny (w określonym czasie) na bodźce zewnętrzne napływające w sposób nieprzewidywalny. System mikrokomputerowy działa w czasie rzeczywistym, jeżeli wypracowane przez ten system decyzje są realizowane w tempie obsługiwanego procesu. Inaczej mówiąc, system działa w czasie rzeczywistym, jeżeli czas reakcji systemu jest niezauważalny przez proces (decyzja jest wypracowana we właściwym czasie).

8 Pojęcia Najczęściej systemy czasu rzeczywistego dzieli się na dwie grupy: Rygorystyczne (twarde, ang. Hard real time systems) - gwarantują terminowe wypełnianie krytycznych zadań. Osiągnięcie tego celu wymaga ograniczenia wszystkich opóźnień w systemie, poczynając od odzyskiwania przechowywanych danych, a kończąc na czasie zużywanym przez system na wypełnienie dowolnego zamówienia. Takie ograniczenia czasu wpływają na dobór środków, w które są wyposażane rygorystyczne systemy czasu rzeczywistego. Wszelkiego rodzaju pamięć pomocnicza jest na ogół bardzo mała albo nie występuje wcale. Wszystkie dane są przechowywane w pamięci o krótkim czasie dostępu lub w pamięci, z której można je tylko pobierać (ang. read-only memory ROM). Pamięć ROM jest nieulotna, tzn. zachowuje zawartość również po wyłączeniu dopływu prądu elektrycznego; większość innych rodzajów pamięci jest nietrwała. Systemy te nie mają również większości cech nowoczesnych systemów operacyjnych, które oddalają użytkownika od sprzętu, zwiększając niepewność odnośnie ilości czasu zużywanego przez operacje. Na przykład prawie nie spotyka się w systemach czasu rzeczywistego pamięci wirtualnej. Dlatego rygorystyczne systemy czasu rzeczywistego pozostają w konflikcie z działaniem systemów z podziałem czasu i nie wolno ich ze sobą mieszać. Przykładem może być system kontroli lotu.

9 Pojęcia Łagodne (miękkie, ang. Soft real - time systems) - są mniej wymagające. W nich krytyczne zadanie do obsługi w czasie rzeczywistym otrzymuje pierwszeństwo przed innymi zadaniami i zachowuje je aż do swojego zakończenia. Podobnie jak w rygorystycznym systemie czasu rzeczywistego opóźnienia muszą być ograniczone - zadanie czasu rzeczywistego nie może w nieskończoność czekać na usługi jądra. Łagodne traktowanie wymagań dotyczących czasu rzeczywistego umożliwia godzenie ich z systemami innych rodzajów. Jednak użyteczność łagodnych systemów czasu rzeczywistego jest bardziej ograniczona niż systemów rygorystycznych. Ponieważ nie zapewniają one nieprzekraczalnych terminów, zastosowanie ich w przemyśle i robotyce jest ryzykowne. Niemniej jednak istnieje kilka dziedzin, w których są one przydatne. Są to np. techniki multimedialne, kreowanie sztucznej rzeczywistości, zaawansowane projekty badawcze w rodzaju eksploracji podmorskich lub wypraw planetarnych. Znajdują one swoje miejsce wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba systemów o bardziej rozbudowanych możliwościach.

10 Pojęcia Firm real - time system w systemach tych nie ma żadnej korzyści jeśli nastąpi spóźnienie w dostarczaniu usług. Nie ma też żadnej groźby związanej z takim przypadkiem.

11 Co będziemy poznawać? Omawiana część wykładów z Architektury Dedykowanych Systemów Czasu Rzeczywistego prezentuje współczesne rozwiązania złożonych systemów procesorowych cyfrowego przetwarzania sygnałów oparte na komputerach przemysłowych różnych standardów powszechnie wykorzystywanych w różnych gałęziach przemysłu. Omówiona zostanie architektura komputerów przemysłowych i systemów następujących standardów : DIMM-PC; PC/104, PC/104 Plus, EBX, EPIC; VMEbus;

12 Wprowadzenie Główne zadania stawiane zastosowaniach cywilnych, to: w/w systemom, w zarządzanie automatycznymi liniami produkcyjnymi; sterowanie procesami technologicznymi; zarządzanie pomiarami oraz przetwarzanie sygnałów analogowych i cyfrowych w systemach pomiarowych i dozoru; nadzór nad urządzeniami pracujących warunkach mechano-klimatycznych; w trudnych w przemyśle militarnym, to: praca jako jednostki centralne, układy wejścia/wyjścia, karty rozszerzeń i karty dedykowane uzbrojenia, zobrazowania taktycznego itd. w systemach

13 Wprowadzenie Wyżej opisane zastosowania stawiają przed komputerami przemysłowymi duże wymagania w kwestiach: niezawodności; kompatybilności elektromagnetycznej - EMC; odporności na warunki mechano-klimatyczne; odporności na wibracje i udary; szeroki temperaturowy zakres pracy; możliwość pracy przy wysokiej wilgotności; odporność na ciężkie warunki środowiskowe: np. różnego rodzaju skażenia, oprócz powyższych wymagań ważnymi kwestiami odnoszącymi się do tego typu urządzeń są: czas życia produktu na rynku; łatwość rekonfiguracji systemu poprzez zamianę modułów odpowiednikami produkowanymi przez innego producenta.

14 Niezawodność Niezawodność jest taką cechą systemu komputerowego, która powoduje, że możemy mieć uzasadnione zaufanie do jego usług.

15 Niezawodność Dostępność Pewność Atrybuty Utrzymywalność Łatwość użytkowania Bezpieczeństwo - Poufność - Integralność

16 Niezawodność dostępność gotowość do użycia; gotowość (reliability) ciągłość serwisu; utrzymywalność zdolność do przechodzenia napraw i rozwijania; bezpieczeństwo brak szkodliwych konsekwencji dla otoczenia; poufność ochrona informacji przed nieautoryzowanym dostępem; integralność brak niedozwolonych zmian informacji;

17 Niezawodność Dostępność systemu jest miarą jego gotowości do użycia. Dostępność jest mierzona jako granica prawdopodobieństwa, że system funkcjonuje prawidłowo w określonym czasie t przy t zmierzającym do nieskończoności. Jest to tzw. dostępność stanu ustalonego w systemie. MTTF MTTF MTTR gdzie MTTF średni czas do awarii (mean time to failure), a MTTR to średni czas naprawy (mean time to repair).

18 Niezawodność Pewność systemu jest miarą jego zdolności do nieprzerwanego poprawnego działania w pewnym przedziale czasowym. Może być ona mierzona jako średni czas pomiędzy awariami (MTTF).

19 Niezawodność Utrzymywalność systemu jest jego zdolnością do poddawania się naprawom i ewolucji. Jest to cecha trudniejsza do precyzyjnego zmierzenia, niż dwie poprzednie. Ilościową miarą utrzymywalności może być MTTR, ale to nie wszystko, biorąc pod uwagę komplikacje nieodłącznie związane z naprawą. Niektóre systemy są utrzymywane przez użytkownika, niektóre przez producenta, a istnieją też takie, które utrzymywane są w pewnej mierze przez obie strony.

20 Niezawodność Łatwość użytkowania - stanowi "zespół właściwości odnoszących się do wysiłku niezbędnego do użytkowania i do indywidualnej oceny tego użytkowania przez określony jawnie lub domniemany, zbiór użytkowników". Z własnością tą łączą się pojęcia takie jak łatwość zrozumienia, łatwość szkolenia i łatwość eksploatacji

21 Niezawodność Bezpieczeństwo - z punktu widzenia niezawodności, bezpieczeństwo to brak destrukcyjnych konsekwencji dla otoczenia. Leveson definiuje je jako wolność od wypadków i strat. Prowadzi to binarnej miary bezpieczeństwa: system jest bezpieczny albo nie.

22 Niezawodność Czynniki osłabiające Wady Błędy Awarie

23 Niezawodność Awaria jest stanem systemu, w którym jego zachowanie jest odmienne od zamierzonego. Zauważmy, że definiujemy awarię pod względem zamierzenia, a nie pod względem specyfikacji. System może ulegać awariom na wiele różnych sposobów. Formy (tryby) awarii systemu mogą być luźno zgrupowane w trzy kategorie: awarie domeny, postrzeganie przez użytkownika, konsekwencje dla otoczenia.

24 Niezawodność Awarie dziedziny obejmują awarie wartości i awarie czasową. Awaria wartości następuje, wynik działania systemu jest nieprawidłowy w sensie logicznym. Awaria czasowa następuje, jeśli system dostarcza swoich usług zbyt wcześnie albo zbyt późno.

25 Niezawodność Awaria zatrzymująca system nie dostarcza żadnych usług użytkownikowi (skrajna forma awarii czasowej). Systemy fail-stop posiadają wyłącznie awarie zatrzymujące. Systemy fail-silent systemy nie generujące wyników po awarii.

26 Niezawodność Spostrzeganie awarii Awaria konsystentna - wszyscy użytkownicy systemu zauważają awarię w ten sam sposób. Awaria niekonsystentna - niektórzy użytkownicy systemu zauważają awarię inaczej niż inni.

27 Niezawodność Konsekwencje dla otoczenia Awarie łagodne Awarie katastrofalne System fail-safe system, który może się jedynie zawiesić w łagodny sposób.

28 Niezawodność Błąd stan systemu, który po pewnym czasie prowadzi do awarii, jeżeli nie zostanie odpowiednio wcześnie naprawiony.

29 Niezawodność Błędy są funkcją trzech głównych czynników: redundancji w systemie, aktywności systemu (błąd może odejść zanim spowoduje uszkodzenia), od tego co użytkownik uważa za akceptowalne zachowanie (np. w transmisji danych akceptowalna stopa błędów ).

30 Niezawodność Wada może być zdefiniowana jako hipotetyczna przyczyna błędu. Wady można klasyfikować w pięciu głównych kategoriach: przyczyna, natura, faza tworzenia, granice i trwałość.

31 KOMPATYBILNOŚĆ ELEKTROMAGNETYCZNA (EMC) Zdolność urządzenia do właściwego działania w swoim środowisku elektromagnetycznym bez wytwarzania zaburzeń elektromagnetycznych, które są niedopuszczalne dla jakiegokolwiek elementu tego środowiska. Dyrektywa kompatybilności elektromagnetycznej 2004/108/WE dotyczy urządzeń, które zawierają czynne elementy elektryczne i elektroniczne.

32 Komputery przemysłowe standardu DIMM-PC Komputery DIMM-PC stanowią alternatywę dla systemów, których budowa oparta jest na współczesnych mikrokontrolerach. W wielu rozwiązaniach minimalizują lub wręcz eliminują wady, którymi obarczone są rozwiązania bazujące na tego typu układach. Architektura tych komputerów bazuje na magistrali ISA. Standard DIMM-PC w swej koncepcji oddziela moduły CPU oraz złożone moduły I/O o dużym stopniu skomplikowania od, zazwyczaj dwuwarstwowych, płyt bazowych dedykowanych konkretnym zastosowaniom o znacznie mniejszej złożoności. W celu uproszczenia połączenia modułu CPU z urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak przetworniki A/C, moduły I/O lub interfejsy komunikacyjne, na magistrali zdefiniowano programowalny sygnał CS (ang. chip select), który może być przypisany poprzez BIOS do odpowiednich linii adresowych. Pojedynczym sygnałem CS można zaadresować do 8 urządzeń zewnętrznych.

33 Architektura modułów DIMM-PC przykładowe rozwiązanie dostępu do urządzeń zewnętrznych

34 Mechaniczna specyfikacja standardu DIMM-PC

35 Komputery przemysłowe standardu DIMM-PC Najważniejsze zalety komputerów DIMM-PC to: zwarta konstrukcja mechaniczna płyt; małe gabaryty płyt 40x67,6 mm; niskie koszty budowy urządzeń; brak konieczności stosowania złożonego okablowania systemu; powszechna znajomość sprzętu stosowanego w konstrukcjach modułów DIMM-PC; znacznie mniejsze zapotrzebowanie na energię modułów DIMM-PC.

36 Specyfikacja elektryczna i klimatyczna modułów DIMM-PC Piny zasilania: GND pin 6 DIMM; VCC pin 3 DIMM, maksymalny prąd 1,5 A; Napięcia zasilania: 5V DC ±5%; Tętnienia napięcia zasilania: 100 mvpp 0-20MHz. Specyfikacja klimatyczna: Temperatura pracy: 0 60 C; Temperatura przechowywania: C; Wilgotność w czasie pracy: 10% 90% (bez kondensacji); Wilgotność podczas przechowywania: 5% 95% (bez kondensacji).

37 Przykładowe rozwiązania z modułów DIMM-PC

38 Komputery przemysłowe standardu PC/104 i jego rozszerzeń

39 Typy zgodności modułów PC/104 Zgodny z PC/104 (ang. Compliant) dotyczy urządzeń, które spełniają wszystkie obowiązkowe aspekty specyfikacji mechanicznej i elektrycznej standardu PC/104; Kompatybilny z magistralą PC/104 (ang. Bus- Compatible) dotyczy urządzeń, które nie spełniają wymagań np. co do wymiarów ale zawierają złącza magistrali i są w pełni zgodne ze specyfikacją mechaniczną i elektryczną tych złącz.

40 Przykładowa architektura komputera standardu PC/104 z CPU klasy x86 Prometheus: procesor 486-DX2 100 MHz; pamięć SDRAM; flash z BIOS em; lokalna magistrala PCI; kontorler Ethernetu; kontroler akwizycji danych; magistrala ISA.

41 Przykładowa architektura komputera ATHENA II: procesor CPU; procesor video; pamięć SDRAM; mostek PCI; kontroler ethernetu; układ akwizycji danych; 4xRS232; kodek Audio. standardu PC/104

42 Zalety PC/104 Zwarta budowa, małe wymiary kart; Zminimalizowana liczba elementów na kartach; Niski pobór mocy (1-2W/moduł); Unikatowa szyna self-stacking eliminuje konieczność stosowania platerów(backplane ów) i obudów kart; Szeroki asortyment kart rozszerzeń analogowych oraz cyfrowych; Możliwość stosowania modułów różnych producentów we wspólnej aplikacji; Niski koszt podzespołów w porównaniu z innymi urządzeniami przemysłowymi; Duża grupa producentów urządzeń PC/104 (ponad 125).

43 Wady PC/104 Możliwość konstruowania systemów tylko jednoprocesorowych; Zbyt wolna magistrala dla niektórych zastosowań (8MB/s lub 16MB/s); Ograniczenie objętości przesyłanych danych do bloków 64kB (128 kb w kanałach 16-bitowych) Ograniczona szerokość szyny danych 8, 16 bitów; Ograniczone zasoby systemowe (w starszych modułach PC/104).

44 Specyfikacja mechaniczna 16- i 8-bitowego modułu PC/104

45 Konfiguracje mechaniczne systemów opartych na modułach PC/104

46 Zabudowa mechaniczna systemu opartego na modułach PC/104 System zabudowy PANDORA

47 Wybrane aplikacje oparte na Echosonda ESDA-16: komputerach PC/104

48 Wybrane aplikacje oparte na komputerach PC/104 System stabilizacji położenia anteny sonaru podkilowego MCM:

49 Wybrane aplikacje oparte na Hydrotelefon HTL-10: komputerach PC/104

50 PC/104-Plus

51 PC/104-Plus Wraz z rozwojem sprzętu komputerowego oraz zaawansowanymi wymaganiami technologicznymi zaistniała potrzeba zwiększenia przepustowości magistrali. W szczególności dotyczyło to procesorów graficznych oraz innych szybkich urządzeń I/O takich jak kontrolery sieci. Było to bezpośrednią przyczyną dołączenia magistrali PCI do modułów PC/104, które zostały nazwane PC/104-Plus. Architektura ta umożliwia łączenie uniwersalnego sprzętu o dużej szybkości działania we współczesnych i przyszłych rozwiązań sprzętowych. Różnice w odniesieniu do PC/104: dodatkowe złącze magistrali PCI; wysokość komponentów na górnej warstwie płyty zredukowano z do na spodniej warstwie zwiększono z do w celu zwiększenia elastyczności modułów; logika sterująca szybką magistralą PCI.

52 PC/104-Plus Różnice w odniesieniu do magistrali PCI Local Bus Specification: standardowe złącze krawędziowe 124-stykowe magistrali PCI Local Bus zastąpiono złączem 120-stykowym (4x30) o rozstawie 2 mm. 120-stykowe złącze PCI nie zapewnia rozszerzenia 64-bitowego magistrali PCI, sygnałów JTAG, PRSNT oraz CLKRUN.

53 Sygnały magistrali PCI M66EN w modułach, które nie pracują z sygnałem taktującym 66 MHz, styk powinien być zwarty do masy, w modułach, które mają możliwość pracy z takim sygnałem zegarowym pin ten powinien być wolny.

54 PC/104-Plus Interrupt routing for desktop PC:

55 PC/104-Plus Signal select on an Expansion Board: Rotary Switch Settings:

56 PC/104-Plus Rodzaje modułów: PCI Host Module moduł zarządzający, określa poziom sygnałów na magistrali PCI poprzez podłączenie wszystkich linii VI/O do odpowiedniego napięcia. Podłączenie linii VI/O do napięcia 3.3V oznacza, że system używa poziomów logicznych 3.3V. Podłączenie linii VI/O do napięcia 5V oznacza, że system używa poziomów logicznych 5V. Niektóre moduły pozwalają użyć tylko jednej opcji inne umożliwiają użytkownikowi ustawić, przy pomocy jumperów, żądany poziom sygnałów I/O. 3.3V moduły rozszerzeń pracują z sygnałami I/O 3.3V. Użycie modułów z sygnałami I/O 5V spowoduje zniszczenie modułów 3.3V. 5V moduły rozszerzeń pracują w systemach gdzie linie VI/O podłączone są do napięcia 5V. Użycie modułów z sygnałami I/O 3.3V spowoduje zniszczenie tych modułów. Uniwersalne moduły rozszerzeń pozwalają użytkownikowi wybrać odpowiedni poziom sygnałów I/O stosownie do modułu Host PCI.

57 PC/104-Plus specyfikacja mechaniczna

58 EBX Embedded Board, expandable

59 Standard EBX W przeszłości projektanci zwartych systemów przemysłowych musieli wybierać pomiędzy popularnymi rozwiązaniami opartymi na backplanach np. VMEbus, CompactPCI, desktopowych płytach głównych np. komputery panelowe i innych podobnych rozwiązaniach. Rozmiary i pobór mocy skutecznie ograniczały znalezienie właściwego rozwiązania projektowanych systemów wbudowanych. W wyniku nacisków producentów systemów przemysłowych oczekujących na pojawienie się taniego a za razem popularnego i uniwersalnego sprzętu powstało właściwe rozwiązanie Embedded Board expandable. Standard EBX daje możliwość tworzenia rozwiązań, które spełniają wymagania systemów przemysłowych, wykorzystują trendy na rynku komputerów wbudowanych i oferują wygodę, elastyczność, zmniejszenie ryzyka oraz skalowalność projektowanych systemów.

60 Specyfikacja mechaniczna standardu EBX

61 Specyfikacja mechaniczna standardu EBX Płyta EBX jest podzielona na strefy przeznaczone różnym interfejsom i komponentom. Każdą ze stref i przypisaną jej funkcję definiują kolejne ilustracje i opis poniżej. Specyfikacja definiuje maksymalne wysokości komponentów w każdej ze stref. Wysokości te nie mogą być przekraczane przez żadne elementy znajdujące się w danej strefie. Dopuszczalne maksymalne wysokości specyfikuje poniższa tabela. Wiele płyt zgodnych ze specyfikacją EBX pełni funkcję jednopłytowych komputerów zawierających rozszerzenia pamięci, złącza PC Card, porty Ethernet, porty masowych urządzeń magazynujących i urządzeń pomocniczych oraz interfejsów CRT i LCD. Komputery EBX nie wymagają implementacji wszystkich tych funkcji, jednak specyfikują, w których miejscach muszą być one umieszczone. Przestrzeganie tych wytycznych ułatwia współpracę produktów różnych producentów.

62 EBX dopuszczalne wysokości stref

63 Specyfikacja stref modułu EBX wersja Tall CPU

64 Specyfikacja stref modułu EBX ze złączem do PC Card

65 Architektura komputera Embedded Board expandable

66 EPIC Embedded Platform for Industry Computing TM

67 EPIC Embedded Platform for Industry Computing TM Specyfikacja EPIC definiuje płyty komputerów, klasy ang. Single Board Computer, średniego rozmiaru z szeroką gamą układów rozszerzeń I/O. Wymiary tych płyt mieszczą się pomiędzy gabarytami przemysłowego standardu PC/104 a formatem płyt EBX Single Board Computer. Płyty o takich wymiarach dają możliwość stosowania procesorów o dużej mocy obliczeniowej, które wymagają chłodzenia.

68 Specyfikacja mechaniczna i rozkład stref na płycie EPIC

69 Wysokości stref w standardzie EPIC

70 Architektura SBC standard EPIC

71 Data Acqusition System

72 Komputery przemysłowe standardu VMEbus

73 Specyfikacja magistrali VMEbus i jej rozszerzenia

74 Specyfikacja Versatile Backplane Bus: VMEbus Specyfikacja VMEbus została opracowana w 1981 r. (firmy Mostek, Motorola i Signetics) Zmiany w specyfikacji VMEbus odbywały się pod auspicjami: VITA (VMEbus International Trade Association), IEC-821 (International Organization for Standardization) IEEE-1014 (Institiute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.). Najważniejszym aspektem rozwoju standardu jest to iż każda nowa wersja jest w pełni kompatybilna z wersjami poprzednimi.

75 ANSI/VITA (VME64) ANIS/VITA (VME64) jest najnowszą wersją specyfikacji. Kolejna generacja architektury VMEbus zapewnia przedłużenie życia magistrali na XXI wiek. Nowy standard oferuje, wymagane zmiany w postaci większej przepustowości magistrali, szerszej przestrzeni adresowej i prostszych w użyciu kart. Nowe właściwości magistrali proponowane w VME64: Szersza 64-bitowa magistrala danych w płytach 6U; Szerszy 64-bitowy zakresów adresów w płytach 6U; 32-bitowa szyna danych i 40-bitowa szyna adresowa w płytach 3U; Podwojona przepustowość magistrali do 80 MB/s; System złącz zapewniający mniejsze zakłóceń; Możliwość powtórnego cyklu RETRY*; Cykl Bus LOCK; Detektor pierwszego slota; Mechanizm plug-and-play; Możliwość konfiguracji ROM/CSR; Automatyczna identyfikacja slota; Ponowna definicja sygnałów SERCLK i SERDAT. Obecnie, terminem VME64 błędnie określa się, wszystkie moduły dostosowane do Rewizji C.1 specyfikacji VMEbus, które uważa się za zgodne z VME64 (poza możliwościami transmisji danych). Dla przykładu 16- lub 32-bitowa płyta CPU opracowana według starej specyfikacji może być (poprawnie) identyfikowana jako moduł kompatybilny z VME64. Wszystkie rozszerzenia z VME64 są opcjonalne. Nowe produkty pracują w połączeniu z płytami starszego typu dostarczając nowych możliwości producentom systemów przemysłowych.

76 VITA (VME64x) W 1997 roku VSO zaadoptowało nowe możliwości do specyfikacji VME64. Nowy standard nazwano VME64 Extentions (VME64x). Dodaje on wiele nowych możliwości architekturze VME64: Nowe złącza 160-stykowe; Nowe złącza 95-stykowe P0/J0; Dodatkowe 141 styki I/O definiowane przez użytkownika (ang. user defined); Moduły przejściowe dołączane od tyłu; Mechanizmy ułatwiające wkładanie/wyjmowanie modułów; Elementy EMC na przednich panelach; Lepsza ochrona ESD (ang. electrostatic discharge); Możliwość blokowania kard; Dodatkowe zasilanie +3.3V; Dodatkowe styki zasilania +5V; Adresowanie geograficzne; Rozbudowane definicje rejestrów CR/CSR; Nowy cykl 2eVME (transfer do 160 MB/s); Wsparcie modułów hot-swappable ; Szyna utrzymania i testowania. Wszystkie moduły zgodne z VMEbus i VME64 są kompatybilne w przód z platerami i kasetami VME64x. Oznacza to iż starsze moduły mogą być wykorzystywane w nowych systemach. Ogólnie odwrotne stwierdzenie jest również prawdziwe. Moduły projektowane na magistralę VME64x są kompatybilne wstecz ze starszymi platerami i kasetami. Na przykład nowe 160-stykowe złącze może być podłączone do starego platera. Jakkolwiek są wyjątki od tej zasady gdy płyta wymaga zasilania +3.3V. VME64x definiuje wiele opcjonalnych możliwości, mimo tego podaje minimum jakie musi zawierać płyta i plater aby mogły być uważane za zgodne z VME64x. Wszystkie pozostałe właściwości uważane są jako opcjonalne.

77 Specyfikacja VMEbus terminologia W celu uniknięcia niedomówień i stworzenia przejrzystych wymagań w kwestii zgodności słowa kluczowe określają typ informacji wyspecyfikowanej przez każdą kategorię: reguła (ang. rule); zalecenie (ang. recommendation); sugestia (ang. suggestion); zezwolenie (ang. permission); obserwacja (ang. observation). Reguła reguły wyrażone mogą być w formie tekstowej, graficznej, stablicowanej lub w formie schematu, charakteryzują się trybem rozkazującym. Przestrzeganie wszystkich reguł gwarantuje kompatybilność produktu. Słowa shall i shall not są zarezerwowane dla wyrażenia reguł i nie mogą być wykorzystywane do innych celów. Zalecenie wszędzie tam, gdzie zalecenia są sugerowane projektanci ostrzegani są o konieczności stosowania się do nich. Postępowanie odmienne może powodować duże problemy lub ograniczone możliwości systemu np. mała przepustowość magistrali. W wielu wypadkach, projektant potrzebuje pewnego poziomu doświadczenia aby projektować karty spełniające wysokie wymagania. Zalecenia bazują na tego typu doświadczeniach i zapewniają przyspieszenie uzyskania żądanego efektu końcowego. Sugestia zawiera porady, które można uwzględnić, lecz nie ma takiego obowiązku. Podjęcie niektórych decyzji odnośnie rozwiązań zastosowanych w projekcie jest trudne przy braku doświadczenia. Sugestie dotyczą tworzenia obwodów drukowanych w kwestiach łatwej rekonfiguracji oraz prostego uruchamiania systemu itd.

78 Specyfikacja VMEbus terminologia Zezwolenie w niektórych sytuacjach reguła nie zabrania szczególnych sposobów projektowania, lecz użytkownik może być zaskoczony że jego podejście będzie naruszać jakąś regułę lub spowoduje niezauważalny problem. Zezwolenie upewnia użytkownika że pewne podejście jest akceptowalne i nie spowoduje problemów. Słowo may jest zarezerwowane dla wyrażania zezwolenia i nie może być używane do innych celów. Obserwacja obserwacje nie dają żadnych określonych rad. Zazwyczaj są naturalnym następstwem dyskusji. Wyjaśniają implementacje pewnych reguł i zwracają uwagę na sytuacje, które mogą być niezauważone. Przemawiają za pewnymi regułami. Tak że projektant może zrozumieć dlaczego dana reguła musi być spełniona. Jakikolwiek tekst, nieoznaczony powyższymi słowami kluczowymi, opisujący strukturę systemu lub jego działanie pisany jest w stylu opisowym lub narracyjnym.

79 Właściwości VMEbus Architektura - Master/Slave; Transfer Asynchroniczny, multipleksowany i bez multipleksowania brak centralnego zegar synchronizującego; Zakres adresowania: 16 bitów (A16, Short I/O); 24 bity (A24, Standard); 32 bity (A32, Extended); 64 bity (A64, Long) dynamiczny wybór zakresu adresowania. Szerokość szyny danych 8-, 16-, 24-, 32-bity oraz 64-bity (cykle multipleksowane) dynamiczny wybór szerokość szyny danych; Detekcja błędów przy użyciu sygnału BERR; Szybkość transmisji 40 MB/s, 80 MB/s (VME64), 160 MB/s (VME64x); System przerwań wielopoziomowy, 7 poziomów ze słowem STATUS/ID; Wieloprocesorowość od 1 do 21 procesorów architektura elastycznej magistrali; Diagnostyka systemu przy użyciu sygnałów z UTILITY BUS; Wsparcie technologii hot swap VME64x; Rejestry kontrolne i statusu VME64, VME64x; Możliwość budowania systemów chłodzonych aktywnie zgodnie ze specyfikacją IEEE1101.2; Mechanizm adresowania geograficznego VME64x;

80 Elementy systemu zdefiniowane przez STANDARD

81 Moduły funkcjonalne i szyny definiowane przez STANDARD

82 Moduły funkcjonalne MASTER moduł funkcjonalny, który może inicjować cykle przesyłania danych. Przykładem modułu master może być płyta CPU a także moduł peryferyjny z kontrolerem DMA. SLAVE moduł wykrywający cykle generowane na magistrali przez mastera i współuczestniczący w tych cyklach jeśli są adresowane do niego. Przykładowym modułem slave jest karta I/O lub moduł pamięci. LOCATION MONITOR obserwuje magistralę i generuje sygnały lokalne, które mogą być wykorzystane w obrębie płyty gdy określone adresy są obecne na magistrali. Moduł ten realizuje również mechanizm rozgłaszania wiadomości do wszystkich modułów dołączonych do magistrali (ang. broadcast). Przykładowym modułem z monitorem adresów jest analizator magistrali. BUS TIMER mierzy jak długo przebiega każda transmisja danych na magistrali. Jeśli trwa zbyt długo ustawiany jest sygnał BERR* przerywający cykl. Jest wykorzystywany w zapobieganiu zawieszania się przy długich odwołaniach do modułów pamięci i awariach systemu. INTERRUPTER generuje przerwanie wymagające obsługi. W czasie cyklu potwierdzenia przerwania, moduł ten wystawia słowo STATUS/ID (8, 16 lub 32-bitowe) modułowi obsługi przerwania. Moduły te nazywane są inaczej interrupt requesters. Przykładem może tu być moduł portów szeregowych, który żąda przerwania po każdym odebranym znaku.

83 Moduły funkcjonalne HANDLER moduł odpowiadający na żądania interrupter a. Moduł ten musi mieć możliwość transferu danych w trakcie cyklu potwierdzenia przerwania i odczytu słowa STATUS/ID od modułu zgłaszającego przerwanie. Moduły te zazwyczaj występują na płytach CPU. IACK Daisy-Chain DRIVER w czasie cyklu potwierdzenia przerwania inicjuje działanie łańcucha IACKIN*/IACKOUT*. Dzięki temu mamy pewność, że tylko jeden moduł żądający odpowie słowem STATUS/ID w przypadku gdy zgłoszeń jest więcej. Moduł ten osadzony jest w slocie 1. REQUESTER moduł, którego używają moduły master i interrupt handlers do uzyskania dostępu do szyny transmisji danych. Moduł ten używa szyny arbitrażu transmisji danych do uzgodnień z ARBITREM. ARBITER przydziela magistralę modułowi typu REQESTER, który pozwala modułowi nadrzędnemu użyć magistrali. REQUESTER inaczej nazywany bus requester em.

84 Moduły funkcjonalne ARBITER moduł przyjmujący żądania dostępu do magistrali od modułu żądającego i przyznaje sterowanie szyną transmisji danych w danym momencie tylko jednemu takiemu modułu; SYSTEM CLOCK DRIVER dostarcza stabilnego sygnału zegarowego o częstotliwości 16 MHz (linia SYSCLK) wszystkim modułom dołączonym do magistrali, pomimo tego VMEbus jest asynchroniczna. Zegar nie ma żadnych powiązań z innymi sygnałami magistrali. SERIAL CLOCK DRIVER przestarzały moduł funkcjonalny. W rewizjach A, B, C, C.1, IEC821 i IEEE specyfikacji VMEbus używany był do generowania sygnału zegarowego SERCLK szeregowej magistrali VMSbus. Specyfikacja ANSI/VITA (VME64) redefiniuje sygnały SERCLK i SERDAT jako SERA i SERB. Obecnie linie te mogą być wykorzystywane przez szeroką grupę magistral szeregowych w tym również VMSbus. POWER MONITOR moduł odpowiedzialny za generowanie systemowego resetu i monitorowanie systemowego źródła zasilania AC. Moduł ten wystawia sygnały SYSRESET* i opcjonalnie ACFAIL*.

85 Szyny magistrali VMEbus Szyna transmisji danych używana jest przez moduły typu MASTER do przesyłania danych do/z modułów typu SLAVE. Wykorzystywana jest również przez moduły INTERRUPT HANDLERS do przechwytywania słowa STATUS/ID od układów zgłaszających przerwanie w cyklu potwierdzenia przerwania.

86 Szyny magistrali VMEbus Szyna arbitrażu transmisji danych używana jest przez moduły typu MASTER i INTERRUPT HANDLERS do ustalenia dostępu do szyny transmisji danych. Moduł funkcjonalny zwany ARBITREM w połączeniu z sygnałami szyny arbitrażu określa, który moduł uzyskał dostęp do magistrali.

87 Szyny magistrali VMEbus System przerwań wykonywany jest poprzez priorytetową szynę przerwań. Możliwe jest używanie siedmiu poziomów przerwań. Szyna narzędziowa jest zbiorem sygnałów używanych do resetowania systemu, okresowego taktowania, diagnostyki systemu oraz wykrywania awarii zasilania.

88 Magistrala VMEbus Z jakimi problemami możemy się spotkać w trakcie projektowania systemów? Zapewnienie sprawiedliwego dostępu elementom systemu do zasobów magistrali

89 Magistrala VMEbus

90 Magistrala VMEbus Jak to osiągnąć? Poprzez odpowiedni wybór algorytmu przydziału zasobów magistrali Systemy akwizycji danych Arbiter Round-Robin Arbiter oparty na priorytetach

91 Magistrala VMEbus Poprzez zastosowanie odpowiedniego algorytmu żądania dostępu do zasobów magistrali: RWD release when done; ROR release on request; FAIR requester;

92 Magistrala VMEbus Requester RWD release when done requester zwalnia zasoby magistrali po zakończeniu cyklu transmisji danych. Zalety: prosta konstrukcja; Wady: duże koszty arbitrażu; mała przepustowości magistrali;

93 Magistrala VMEbus Requester ROR release on request requester zwalnia zasoby magistrali kiedy inny moduł żąda dostępu do nich. Zalety: sprawdza się w większości zastosowań; przejrzysty dla użytkownika; dość szybki; Wady: koszty arbitrażu znacząco rosną w sytuacji kiedy wiele modułów master żąda dostępu do magistrali;

94 Magistrala VMEbus FAIR Requester request-on-no-request requester zapewnia jednakowy priorytet żądania dostępu do zasobów magistrali wszystkim modułom MASTER. Zalety: sprawiedliwy dostęp do zasobów magistrali; stosowany w systemach, w których wiele modułów master wymaga podobnej stałej przepustowości; redukuje czas wymagany na ustawienie szyny arbitrażu Wady: wszystkie moduły master powinny używać tego samego typu requestera;

95 Magistrala VMEbus System przerwań

96 Magistrala VMEbus System przerwań Obsługa przerwań odbywa się w cyklu potwierdzenia przerwania ang. IACK Interrupt Acknowledge Cycle. Cykl IACK spełnia dwie istotne funkcje: arbitraż przerwań; cykl odczytu słowa STATUS/ID (wektor przerwań); Interrupter: ROAK release on acknowledge; RORA release on register access;

97 Magistrala VMEbus System przerwań

98 Sprzęg z magistralą Universe IID

99 Zastosowanie Universe IID

100 Sprzęg z magistralą VMEbus Tsi148

101 Zastosowanie Tsi148

102 Zastosowania komputerów VME Sonar pasywny SQR-19

103 Sonar aktywny MG-322

104 Sonar z anteną opuszczaną OKA-2M/Z

105 Zalety magistrali VMEbus Możliwość budowy systemów wielokomputerowych; Duży transfer danych do 160MB/s; Architektura 64-bitowa; Kompatybilność wstecz nowych rewizji magistrali; Duża elastyczność systemów opartych na magistrali VMEbus; Łatwa rekonfiguracja systemów oparty na magistrali VMEbus; Wsparcie mechanizmu hot-swap; Sprzętowe moduły utrzymania i testowania magistrali; Duża różnorodność kart rozszerzeń; Możliwość stosowania w jednym systemie modułów różnych producentów.

106 Komunikacja pomiędzy elementami systemów komputerowych opartych na standardach przemysłowych Standard DIMM-PC: magistrala wewnętrzna; wykorzystanie interfejsów szeregowych: RS-232, RS-485, RS-422; wykorzystanie telekomunikacyjnych łączy ISDN; wykorzystanie szybkich uniwersalnych magistral szeregowych: USB, SPI; wykorzystanie łącz: LAN, WAN.

107 Komunikacja pomiędzy elementami systemów komputerowych opartych na standardach przemysłowych cd.

108 Komunikacja pomiędzy elementami systemów komputerowych opartych na standardach przemysłowych cd. Standard PC-104 i jego rozszerzenia: magistrale wewnętrzne; wykorzystanie interfejsów szeregowych: RS-232, RS-485, RS-422; wykorzystanie szybkich uniwersalnych magistral szeregowych: USB, SPI; wykorzystanie przemysłowych standardów komunikacyjnych: ASi, CAN, ControlNet, DeviceNet, Hart, InterBus, LonWorks, ModBus, ProfiBus; wykorzystanie łącz: LAN, WAN.

109 Komunikacja pomiędzy elementami systemów komputerowych opartych na standardach przemysłowych cd.

110 Komunikacja pomiędzy elementami systemów komputerowych opartych na standardach przemysłowych cd. Standard VMEBus i jego rozszerzenia: magistrale wewnętrzne; wykorzystanie interfejsów szeregowych: RS-232, RS-485, RS-422; wykorzystanie szybkich uniwersalnych magistral szeregowych: USB, SPI; wykorzystanie przemysłowych standardów komunikacyjnych: ASi, CAN, ControlNet, DeviceNet, Hart, InterBus, LonWorks, ModBus, ProfiBus; wykorzystanie łącz: LAN, WAN.

111 Komunikacja pomiędzy elementami systemów komputerowych opartych na standardach przemysłowych cd.