Руководителям Обзоры, аналитика Встраиваемые системы

28 апреля

Invisible yet powerful. 2009 — год «Атома»

В статье образно представлен один из взглядов на природу встраиваемых систем, и дана классификация требований, предъявляемых сегодня к перспективным встраиваемым компьютерам. В качестве примера классических встраиваемых систем приведены две модели ВК на основе процессоров Atom фирмы Intel.

страиваемый компьютер (ВК) — техника, изначально создававшаяся исключительно для модернизации существующего технологического оборудования как вторичный модульный инструментарий малогабаритных логических устройств. С философской точки зрения ВК — это интерфейс новых возможностей и старого «железа». Опыт показывает, что приоритеты давно поменялись местами. Но, несмотря на декларируемые лидирующие показатели роста продаж, техника эта до сих пор находится на обочине массового интереса ИТ-специалистов из-за отсутствия рекордных технических показателей. ВК — малоизвестное направление информационных технологий, лет десять назад вызывало лишь одну реакцию — удивленно поднятые брови. Ныне удивление не исчезает: «Зачем на кухне еще и компьютер в дополнение к прочим встраиваемым чудесам?» В общем объеме вычислительных средств на ИТ-рынке встраиваемые системы составляют исчезающе малую долю.
Меж тем встраиваемые системы существуют вокруг нас во всех возможных ипостасях, как позитивных, так и негативных. Безмерно расплодились платежные терминалы и банкоматы — вымогатели процентов — большие и маленькие, уродливые и изящные, со стеклянными мониторами и с современными ЖК-дисплеями. «Мертвый» потемневший экран или «бредовые» реакции на внешние воздействия безошибочно указывают на дешевейшую персоналку, даже не встроенную а варварски запихнутую в теснейший интерьер, где ей не хватает места и воздуха, зато в избытке пыль и жара.
К сожалению, не стоит искать лучшие встраиваемые решения и на промышленных предприятиях, там их обидно мало. Внушительные промышленные роботы, вызывающие восхищение отточенными незаметными глазу движениями, управляются в большинстве своем огромными ящиками далеко не встраиваемых компьютеров через длинные толстые шланги проводов, проложенные в темные аппаратные. Мир наполнен разнообразной цифровой техникой, интеллектуальной в той или иной степени, и по объему сравнимой уже не с человеческой популяцией, а, пожалуй, с биомассой насекомых. Как же нам вычленить то, что называется сегодня «Встраиваемой системой»? Конкретизируя объект рассмотрения, мы решительно отбрасываем чужеродные логические системы связи, коммуникации и управление по базовому признаку, определяющему «встраиваемость». Этот признак достоин первого места в списке требований, предъявляемых к встраиваемым системам вообще. А требования эти следующие.
1. Легкость перепрограммирования (тем самым отсекаются сотовые телефоны и коммуникаторы, «прошитые» при производстве с помощью дорогостоящего оборудования).
2. Малозаметность габаритная и энергетическая (образ «бедного родственника»). Компьютер обязан довольствоваться остатками технологического запаса питания, вписываться в минимальные габариты и «мужественно терпеть» температурные перепады и механические встряски, не «жалуясь» и не отказывая, стрекотать цифровой золушкой все 24 часа в сутки круглый год. Реальная надежность должна соответствовать не менее 10…20 тыс. ч наработки на отказ. Еженедельные зависания персоналки для ее малого родственника — ВК — непростительны.
3. Эсперанто х86. Предлагаемое решение, если это не оправдано форс-мажорными обстоятельствами, должно «говорить» языком, на котором написаны виртуальные тома алгоритмического творческого наследия. Этот известный язык понятен и обязателен для выполнения абсолютному большинству компьютеров мирового парка как домашних, офисных, так и промышленных вычислительных машин. В обиходе такой язык ассоциируется с персональными компьютерами — ПК. Системные аналитики называют его архитектурой с полным набором команд CISC или Wintel с намеком на великий альянс Intel и Microsoft. Практикам-программистам язык известен как ассемблер 80x86 — набор инструкций процессоров Intel и многочисленных клонов. Почему x86? Ответ прост: традиция, человеческий фактор, легионы специалистов, обычные персоналки как среда разработки и отладки. В любом встраиваемом решении применимость ПК-архитектуры отвечает минимальным инвестициям. Эту мерную линейку принято прикладывать к любой проблеме и только в случае полной несоизмеримости приходится рисковать переходом на другие платформы, объединенные весьма многозначительным названием RISC.
4. Современный уровень производительности и развитая архитектура часто конфликтуют с габаритно-весовыми и особенно тепловыми ограничениями встраиваемых компьютеров. Все более или менее стандартные типоразмеры одноплатных компьютеров и производных от них систем измеряются квадратными и кубическими дециметрами. Площади поверхностей недостаточны для эффективного отвода «вычислительной испарины», достигающей показателей 80…100 Вт для современных процессоров, а принудительное охлаждение во встраиваемых системах крайне нежелательно. Система, живучесть которой зависит от электродвигателя вентилятора, а равно и привода накопителя, большинству задач управления не соответствует по надежности.
Задержка внедрения новых системотехнических решений естественна для промышленного компьютеростроения. Конструкторы работают в жестких рамках малых габаритов плат, жестких температурных режимов и специфических интерфейсных требований. Поэтому многоядерные процессоры Core появились на серийных изделиях только в прошлом году, порадовав разработчиков мощью параллельной обработки и проблемой рассеивания 30…40 Вт тепла. Самая эффектная полупроводниковая новинка Intel, удивительно экономичный процессор Atom, первый реальный конкурент RISC в производительности на ватт, уже обкатан на малоформатных мобильных компьютерах ультра-малой версии, а реальные промышленные платы, готовые к серийному выпуску, появились только в этом году. Atom — серия процессоров с потреблением 2…2,5 Вт при частоте работы ядра 1,1…1,6 ГГц имеет приличного размера полумегабайтный кэш конвейер и, подобно Pentium-4, поддерживает двухпоточную одновременную обработку Hyper-Threading, предшественницу двухядерных процессоров. Не только архитектурно, но и в реальных тестах Atom убедительно демонстрирует сопоставимость своей производительности с Pentium-4 пропорционально тактовой частоте. Воистину отточенная (до 45 нм) конструкция Atom на фоне прообраза Pentium-4 снизила потребление ядра практически в 30 раз. Если для коммерческих мобильных систем это означает долгий батарейный ресурс, для промышленных это еще и значительный шаг к термальной независимости — способности работать как на лютом морозе, так и при жестоком зное, что случается на этой планете.

Галерея форм-факторов

Стандартных типоразмеров, обеспечивающих взаимозаменяемость изделий различных производителей в одном конструктиве, не так много. Достаточно перечислить следующие.
• 90×96 мм — знаменитые самоскрепляемые этажерки PC/104;
• 145×100 мм (3,5 дюйма, или ECX);
• вымирающий вдвое больший по размерам EBX (145×203 мм);
• EPIC (165×115 мм)
• и, принудительно поименованный встраиваемым, единственный форм-фактор, отмеченный массовым производством — miniITX (170×170 мм).

Рис. 1. Компьютер MS-9A06 от компании MicroStar

Последний форм-фактор заслужил свою популярность универсальностью. На этих небольших платах сегодня можно встретить любые процессоры вплоть до Core Quad. Широк ассортимент компактных стильных корпусов, а на их базе, малогабаритных домашних и деловых компьютеров — компактных, экономичных и малошумных.
Все перечисленные стандарты так или иначе ориентированы на интерактивные системы, имея на борту набор оконечных разъемов ввода-вывода.
Классические встраиваемые системы сегодня представлены компьютер-модулями, мезонинными одноплатными компьютерами, в самой конструкции которых заложена высокая технологичность и наилучшее решение теплового баланса за счет разделения плоскостей — со стороны монтажа нет ни одного разъема, со стороны разъемов никакого монтажа. Да и сами разъемы сведены в опорные базовые вместо вороха разнообразных коммутаций, впаянных где попало.
Практически невозможно более подробно описать новинки в каждой категории встраиваемых изделий, их слишком много, поэтому в качестве иллюстрации всего сказанного в статье приводятся два концептуальных изделия, новизна которых может стать прологом будущего успеха.
Лидер в области системных плат, компания MicroStar исключительно своеобразно дебютировала на рынке промышленных систем, где до этого таких звучных имен еще не наблюдалось. Выпустив в обращение целую серию стандартных промышленных изделий, MSI не рисковала обратить на себя много внимания на рынке, где новые игроки — редкость. Но компьютер MS-9A06 — безусловный позолоченный гвоздь. Компания «ФарПоинт» имела честь представить этот концепт на осенней выставке ПТА в Москве и благодаря этому первые клиенты уже познакомились с ней ближе. Сверхплоская форма вороненого прочного корпуса бросается в глаза сразу, компьютер похож на блок предохранителей, автомобильный усилитель, на что угодно, но не на полнофункциональный компьютер с дисковым накопителем на борту (см. рис. 1).
Форм-фактор системной платы MS-9832 отвечает miniITX, но третье измерение — высота — непривычно мало и составляет всего 20 мм. Логическое оснащение — процессор Atom Z500 (1,1…1,6 ГГц), однокорпусной набор микросхем, SCH US15W, память ОЗУ DDR2 объемом до 1 Гбайт. Среднее потребление 5…7 Вт — ошеломляюще малая величина для компьютера уровня производительности Pentium-4. Это тепло без осадка «растворяется» в металле крышки, малой частью выпадая в окружающий воздух.
Не выглядит ущербным и остальное оборудование компьютера: многофункциональная многоканальная видеосистема Intel GMA 500 — акселератор трехмерного класса, с выходами сигналов DVI-D, HDMI, LVDS; аппаратный MPEG-компрессор, высококачественный многоканальный цифровой и аналоговый звук High Definition Audiо, слоты для карт памяти CompactFlash и MicroSD, гигабитная сеть, традиционные асинхронные порты RS232/422/485, безусловные USB 2.0 в ассортименте, порт IrDA.
Этим не ограничивается периферийное оснащение. MS-9A06 готов принять на борт периферийное устройство miniPCI Express и малоформатный накопитель 2,5 дюйма с интерфейсом SATA 2, емкостью до 500 Гбайт (на сегодня). Автономность работы гарантирует сторожевой таймер WatchDog, «гавкающий» на систему при зависании или потере питания, от чего она от страха перегружается и приходит вновь в работоспособное состояние. Для работы компьютеру нужно всего одно напряжение 12 В постоянного тока. И не важно, откуда берется это напряжение — от сетевого адаптера, батареи или аккумулятора автомобиля. Для мобильной работы компьютер комплектуется мягким демпфирующим подвесом. Малый вес и размеры допускают любой тип монтажа от DIN-рейки и стены до обычного стола, где компьютер будет трудно найти. MSI резонно предложила монтировать 9A06 на тыльной стороне настольного монитора, минимизировав кабельное хозяйство в необозреваемой зоне.

Рис. 2. Компьютер eBox-530 фирмы Axiomtek

Второй в очереди на рассмотрение — eBox-530 — системотехнический близнец 9А06 от заслуженного производителя промышленных систем Axiomtek (см. рис. 2). На узком рынке промышленных микромашин марка eBox известна специалистам и популярна до плагиата. Все компьютеры eBox отличает промышленный ребристый дизайн и прочнейшая конструкция. Новобранец eBox-530 легко умещается на ладони граненым параллелепипедом размера 130×95×47 мм в отличие от MS-9A06, растянутого в плоскости. Близкая к кубатуре форма идеально равнопрочна и устойчива к виброударным перегрузкам. Вторым фактором новизны eBOX-530 стала его системная плата, реализующая новую концепцию полнофункционального интерактивного промышленного одноплатного компьютера PICO-ITX. Это самая маленькая (100×70 мм) системная плата в ряду общепринятых форм-факторов и, строго говоря, пока уникальная. Площадь платы в 4 раза меньше miniITX и на сегодняшний момент трудно представить, каким образом можно добавить к ней какие-либо дополнительные периферийные интерфейсы, но судя по всему — это вопрос времени.
В отношении возможностей eBOX-530 можно сэкономить массу бумаги, просто указав, что они такие же как у MS-9A06. По всем фамильным признакам это близнец MS-9A06. Внешняя непохожесть указывает на некоторые отличия в характере, более суровом у eBOX, который способен работать при температурах  –20...60°C. Однако дорожная карта MSI обещает новый набор микросхем US15Wp(L) на новых версиях 9A06 уже этой весной. Новый компаньон расширит рабочие температурные рамки 9А06 до летальных порогов –40…85°C, столь близких производителям военной электроники.

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Автор: Евгений Деревяго, генеральный директор, компания «ФарПоинт» (Москва)

Руководителям Обзоры, аналитика Встраиваемые системы

Комментарии

Прокомментировать Представьтесь E-mail Пароль Неверно введен логин или пароль Заголовок Текст комментария Отправить