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PC/104 André Luiz Zimmermann

Relatório da disciplina PMR2590- Redes de Dados e Integração da Manufatura Por Computador

São Paulo, Novembro de 2009.

INTRODUÇÃO3
PERSPECTIVA HISTÓRICA4
MUDANÇA DE PARADIGMA6
A INTRODUÇÃO DO PC/1047
O PC/104-PLUS10
PC/104: ESPECIFICAÇÕES12
ESPECIFICAÇÕES MECÂNICAS13
ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS16
O BARRAMENTO ISA17
ESPECIFICAÇÕES PC/104-PLUS21

Sumário BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 21

O rápido crescimento de computadores embarcados, usados para fins industriais exigiu uma forma de ampliar recursos de plataformas SBC (Single Board Computer) sem um grande custo ou espaço disponível.

Muitas vezes, a mudança de demandas de uma aplicação, a fim de atender aos clientes, ou ao marketing próprio de um desenvolvedor determina que um novo canal serial, sensor, interface de rede, etc. tenha de ser adicionado ao sistema. Muitas vezes isso acontece no momento mais inoportuno e com restrições rigorosas sobre limitação de custo, tempo e espaço para implementar a mudança. Uma solução para este problema é o uso de uma placa tipo mezanino, que - como seu nome sugere – permite que outras placas sejam montadas diretamente acima, e no mesmo barramento da placa principal. O uso deste tipo de módulo é a solução mais prática e barata de se adicionar mais capacidade de I/O a um sistema SBC já existente.

A principal questão relacionada à aplicação de sistemas tipo mezanino é a seleção de placas baseadas em padrões industriais apoiados por diversos fabricantes ao redor do mundo, e com a funcionalidade buscada pelo projetista. Quando não há um dispositivo comercial disponível, ou os existentes não atendem às necessidades, então o uso de uma placa tipo mezanino é mais simples e barato de se desenvolver que uma placa de expansão completa (backplane_board). O PC/104 é um padrão muito bem aceito para placas tipo mezanino em aplicações industriais. Os módulos são pequenos, resistentes e baseados em padrões largamente usados pelas indústrias de software e hardware, como é o caso do barramento ISA.

É fácil realizar um projeto in-house ou encontrar centenas de fornecedores com produtos no padrão PC/104 em todo o mundo. PC/104 é um padrão único que pode servir tanto como um módulo de expansão tipo mezanino, SBC ou ambos. O resultado é que o padrão PC/104 é bem conhecido e muito popular em uma variedade de aplicações.

O primeiro padrão industrial de bus tipo mezanino foi desenvolvido de forma pioneira no início da década de 1980 pela Intel. Era chamado iSBX e foi projetado para ser pequeno e de baixo custo. Sua finalidade era oferecer I/O adicional sem a necessidade de se adicionar uma placa Multibus I 6,75 "x 12" e seu gabinete. Dois tamanhos de placa foram definidos: O mono (2,5 ”x 3,7”), e o duplo (2,5” x 7,5”), como se observa nas figuras 1 e 2.

Figura 1: Placa ISBX multi-módulo mono.

A Intel permitiu que o iSBX fosse um padrão de arquitetura aberta e incentivou os seus clientes e concorrentes a desenvolver placas de I/O especializadas. O projeto da placa foi simples, o conceito foi rapidamente aceito e, eventualmente, tornou-se o padrão IEEE 959. Uma variedade de produtos padronizados era oferecida incluindo IEEE 488, SCSI, vídeo, I/O serial/paralela, I/O analógica, controle de movimento, rede e modem, entre outros.

Figura 2: Placa ISBX multi-módulo duplo.

A desvantagem do iSBX reside no fato de ele ser um padrão que permitiu apenas expansão de I/O, com a capacidade de adição de apenas uma única placa por conector. Além disso, sua popularidade foi diretamente ligada às arquiteturas Multibus I e Multibus I apresentadas na figura 3, em vez de ganhar aceitação através de um amplo espectro de computadores SBC e outras arquiteturas de barramento.

Figura 3: Esquemas de cartões Multibus I e I.

Ele, no entanto, ganhou alguma aceitação com os fornecedores Bus STD como WinSystems, Ziatech, Pro-Log, e outros, colocando conectores SBX em seus processadores. Os módulos iSBX estão no final de seu ciclo de vida, já que novas tecnologias vêm causando sua substituição.

O PC x86 fez um impacto enorme no mundo da computação que se alastrou para o mercado industrial e também para o mercado não-desktop. A arquitetura PC tornou-se o padrão dominante, que trilhou caminhos em aplicações jamais sonhadas por seus designers. A razão é que um PC embarcado pode reduzir os custos de desenvolvimento e acelerar sua chegada ao mercado. O padrão trazido pelo PC é mais que apenas definições de bus ou encapsulamento. Compatibilidade com PC significa definir todo o interior de um sistema incluindo a família da CPU, DMA, interrupções, sincronização, portas seriais, interfaces LAN, vídeo, armazenamento em disco, etc. O ponto crucial é que o PC tornouse, solidamente, um elemento de design para uma grande variedade de aplicações. Diversos fatores de forma para PCs foram lançados, tanto no padrão SBC como nos sistemas exansíveis via bus (Bus Expandable Systems) incluindo ISA, PCI, compact PCI, placas-mãe AT, PC/104 e EBX. No entanto, todos necessitam de flexibilidade para expansão. Designers de sistemas viram os benefícios do baixo custo, de atualização simples, tamanho reduzido e flexibilidade utilizando módulos tipo mezanino. Outras opções proprietárias foram introduzidas, mas os bus expansíveis de padrão aberto acabaram por tornar-se os dominantes em sistemas embarcados. Os mais conhecidos e mais utilizados hoje são PC/104, PMC (PCI Mezzanine Card) e Industry Pack.

Figura 4: Exemplo de módulo PMC.

A INTRODUÇÃO DO PC/104

Designers de sistemas embarcados colheram bons frutos a partir do PC. Um dos melhores exemplos é a arquitetura PC/104, cuja primeira especificação foi publicada em 1992. Suas principais características são: sistemas compactos, modulares, e compatíveis com PC, oferecendo uma variedadede funções com suporte de diversos fornecedores. Além disso, existe um Consórcio para manter e aprimorar os padrões técnicos, além de promover a visibilidade do PC/104 na indústria ao redor do mundo.

O PC/104 é simplesmente uma reformulação em versão modular da arquitetura PC destinada a aplicações embarcadas onde o espaço, consumo de energia e confiabilidade são críticos. Estes módulos podem servir como expansão de bus para um SBC embarcado ou podem ser aplicados como computadores inteiros que não requerem uma backplane board, como mostra a figura 5.

Figura 5: Módulo PC/104 usado como computador (esq.); e Módulo PC/104 usado como expansão para um SBC (dir.).

Um módulo PC/104 é uma placa baseada em Industry Standard Architecture (ISA) bus reduzida para 3,6x3,8 polegadas (90x96 m) que é aproximadamente o atamanho de um disquete 3,5, como se pode observar da figura 6.

Figura 6:Comparação de tamanho entre PC/104 e um disquete.

As definições de sinais e Timing são os mesmos do PC família x86. O bus P1 do PC/104 tem 64 pinos assim como o PC-XT e é combinado com o bus P2 de 40 pinos para a plena compatibilidade com PC/AT (IBM Personal Computer Advanced Technology).A soma dos pinos (64+40 = 104) é a origem do nome PC/104.

Uma das características mais inteligentes e vantajosas do PC/104 é a seu confiável conector tipo pino-e-soquete. Cada conector é concebidos de forma a permitir que vários módulos sejam empilhados simultaneamente uns sobre os outros e conectados ao mesmo bus. Esta é uma característica única entre as arquiteturas de mezanino. Múltiplos módulos permitem uma maior flexibilidade no design, bem como uma maior capacidade de expansão, o que permite que mais funções sejam retiradas da CPU (host), o que dá ao designer mais opções de seleção. A conclusão lógica deste esquema seria começar com um PC/104 como o anfitrião da SBC. O bus tipo “Stack” então, torna-se todo o sistema computacional e de I/O, formando um robusto PC embarcado. Além da natureza “Self-Stacking” do bus, quatro buracos de canto estão incluídos para anexar fixadores rosqueáveis de metal ou plástico. Eles formam uma robusta construção mecânica que acrescenta resistência à choques e vibrações. Independentemente de se uma PC/104, STDBus, CompactPCI, VME Bus, ISA Bus, barramento PCI ou outro modelo é o host da SBC, até 4 módulos podem ser empilhados simultaneamente. O número total de módulos é uma função da corrente disponível no bus que é especificada em 4 mA. Do ponto de vista de reparo e manutenção, uma grande pilha de placas é um pouco mais difícil de debugar e substituir, em comparação com um sistema backplane bus, mostrado na figura 7.

Figura 7: Exemplo de Placa mãe na vertical encaixada sobre a Backplane board.

Além disso, a força de retenção dos conectores torna difícil a separação dos módulos depois que uma unidade é montada. Para fazer a desmontagem mais fácil e rápida, a Parvus Corporation criou uma ferramenta de extração de placas PC/104 para acelerar o trabalho, mostrada na figura 8.

Figura 8: Ferramenta de extração criada pela Parvus.

O consórcio PC/104 especifica duas versões de módulo: 8 bits e 16 bits, que correspondem ao PC e PC/AT, respectivamente. No mercado de hoje todos os projetos são de 16 bits. Contudo, existe uma procura por desempenhos cada vez maiores.

O barramento PC/104 original teve bastante receptibilidade aplicando o padrão ISA 16 bits, no entanto, certas aplicações requerem maior capacidade de transferência. Neste contexto, o PC/104-Plus foi definido e padronizado, o que significou a migração do padrão 32 bits dos desktops para os computadores embarcados. PC/104-Plus é uma implementação do barramento PCI em uma placa “stackeável”, mantendo o fator de forma de 90x96 m. Módulos PC/104- Plus também podem incluir os conectores originais PC/104 para garantir mais flexibilidade na configuração do sistema. O PCI foi escolhido por uma série de razões: Primeiro porque ele é o padrão “de facto” de transferências para desktops 32 bits, o que melhora significativamente a capacidade de transferência entre módulos. Segundo que o PCI é um padrão conhecido e provado, é uma arquitetura aberta, que é bem documentada e sem licenciamento de requisitos. Finalmente, o PCI é suportado pela geração atual circuitos integrados. Mesmo FPGAs tem a interface PCI disponível para licença de propriedade intelectual para projetos personalizados. A chave para o sucesso do PC/104-Plus novamente reside no esquema do conector. Um terceiro conector é adicionado oposto aos conectores P1 e P2 do barramento ISA, sendo este um conector de 120 pinos em 4 colunas de 30 pinos “selfstacking” (ao contrário dos 124 pinos com conector de borda em um PCI 32-bit padrão), como mostra a figura 9.

Figura 9: Detalhe mostrando os barramento ISA 16 bits e PCI, no PC/104.

Uma proteção ao redor dos pinos machos do conector servem também como guia para o próximo conector na pilha e mantém o espaçamento entre os módulos em 0.6”, como se observa na figura 10.

Figura 10: Conector PCI PC/104 inferior (macho.)

O conector PCI do PC/104-Plus encontra-se entre dois dos furos de montagem. Em muitos stacks o barramento PCI geralmente se conecta ao circuito do módulo enquanto os conectores P1 e P2 PC/104 passam o barramento ISA para o próximo módulo. A real transferência de dados para o barramento PCI é pelo menos uma ordem de grandeza maior que no barramento ISA. Tal como acontece com PC/104, diversos fornecedores incluíram conectores PC/104- Plus em seus SBCs e BEB (Bus Expandable Boards). Há placas disponíveis para vídeo, áudio, rede, DSP, e controle de movimento.

A aceitação do PC/104-Plus não foi tão rápida quanto à do PC/104 original. As razões são determinadas pelo mercado e suas aplicações. O maior mercado para PC/104 é de Equipamentos Industriais, Automação e Instrumentação.

Muitas aplicações industriais simplesmente não precisam do custo, complexidade e desempenho adicionais do PCI para ler um interruptor, controlar um relê ou executar alguma outra tarefa simples. No entanto, quando tarefas mais complexas, tais como visão por computador, gráficos complexos, vídeo full-motion, LANs de alta velocidade, ou aquisição de dados high-end são necessários, então o PC/104-Plus pode ser a solução. Embora não haja uma tecnologia única que se adapta a todas as necessidades da indústria de sistemas embarcados, o PC/104 preenche a maioria dos requisitos de aplicações de média a alta performance. Sua popularidade decorre principalmente duas características: compatibilidade com PC e flexibilidade mecânica. O PC/104 é uma versão miniaturizada do PC para aplicações embarcadas, a única grande mudança está em suas dimensões. É um padrão mundial que é pequeno, modular, expansível e de custo baixo e que permite a um designer alavancar seus recursos para chegar ao mercado rapidamente. Produto para upgrades e outras opções abundam prontos ou feitos sob encomenda. Graças à Arquitetura de PC, é possível ganhar as vantagens de usar o padrão PC sem sacrificar a flexibilidade, confiabilidade, robustez e qualidade exigida para sistemas embarcados.

PC/104: ESPECIFICAÇÕES

Primeiramente, segundo a norma, equipamentos PC/104 podem obedecer dois níveis de conformidade:

1. PC/104 Compliant: Indica que o equipamento está em total conformidade com os requisitos da norma, incluindo todas as especificações elétricas e mecânicas. 2. PC/104 Bus-Compatible: Indica que o equipamento atende a todas as especificações elétricas e mecânicas do conector PC/104 (Barramento ISA), porém não atende aos requisitos espaciais da norma (fator de forma e/ou outras dimensões)

O PC/104 foi concebido para aplicações com restritos requisitos de espaço e consumo de energia. Na figura 1 encontram-se as normas de dimensão para o módulo com barramento ISA de 8 bits.

Figura 1: PC/104-Especificações mecânicas, 8 bits; Fonte: [1].

Na figura 12 encontram-se as normas de dimensão para o módulo com barramento ISA de 16 bits.

A figura 13 mostra as especificações dimensionais dos conectores ISA-PC/104 tanto para o módulo de 8 bits quanto para o módulo de 16 bits.

Figura 13: Especificação dos conectores para os barramentos ISA de 8 e 16 bits; Fonte:[1].

A figura 14 mostra a especificação dos suportes de fixação (standoffs) usados na interconexão dos módulos.

Figura 14: Dimensões do Standoff; Fonte:[1].

Os suportes (standoffs) devem ser feitos, preferencialmente, de aço inox, para uma melhor resistência a esforços, podendo, no entanto, ser confeccionados em outros materiais.

A figura 15 mostra uma configuração possível de stack com três módulos PC/104, sendo um de 8 bits e dois de 16 bits. O módulo de 8 bits deve ficar numa das periferias para não interromper as conexões do conector P2.

Figura 15: Esquema de configuração possível com 3 módulos; Fonte:[1]. ESPECIFICAÇÕES ELÉTRICAS

Para atender os requisitos de energia a norma estipula que cada módulo tenha um consumo de cerca de 1W-2W, limitando a corrente em cada sinal do bus a 4mA. As especificações de alimentação via bus são apresentadas na tabela 1, sendo todas as voltagens com tolerância de +-5%.

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