Стандарт на промышленные PC-компьютеры для встроенных приложений (расширение стандарта IEEE-P996 (ISA)).
Необходимость использования стандарта для встроенных приложений на базе PC-архитектуры.
За последние десятилетия архитектура PC-компьютера стала признанной платформой и далеко шагнула за пределы настольного применения. Специализированные PC-компьютеры используются в бортовой аппаратуре (спутниковые, морские и промышленные системы), в исследовательских целях, в измерительной аппаратуре, в устройствах связи, в медицинских приборах и в качестве универсальных контроллеров. При введении стандарта на аппаратную и программную части для широко распространенной PC-архитектуры, разработчик встроенных систем может значительно уменьшить стоимость, риск и время разработки, поскольку для PC-компьютеров разработано большое количество прикладного программного обеспечения, а архитектура таких компьютеров хорошо известна разработчикам. Быстрая разработка программного обеспечения и использование готовых PC модулей позволяет экономить средства при разработке систем, быстрее выходить на рынок с новыми изделиями, повысить универсальность электронных изделий и обеспечить их быструю модернизацию.
Другая важная особенность использования PC-архитектуры — это низкая стоимость программной и аппаратной поддержки, которая намного экономичнее таких платформ, как STB, VME, MULTIBUS и т.д., а это дополнительное уменьшение затрат и увеличение надежности работы. Для обеспечения совместимости промышленных PC компьютеров ряд компаний объединились для выпуска продукции, удовлетворяющей их требованиям. Размеры конструктива материнской платы (800×299 мм) по стандарту IEEE-P996 (ISA) и связанные с ним корпус и задняя панель очень громоздки и неудобны для встраиваемых систем. Появилась необходимость создания PC-компьютера, удовлетворяющего уменьшенным размерам, низкому потреблению и обладающего дополнительными функциями (поддержка дисков ПЗУ, Watchdog таймеров, LCD дисплеев, интерфейсов PCMCIA и т.д.), которые необходимы для встроенных систем управления. Все эти преимущества необходимо было получить при полной совместимости со стандартной PC-машиной как по аппаратной, так и по программной частям.
Стандарт PC/104 (IEEE-996.1) был разработан в ответ на эти требования. Он предлагает полную совместимость по PC-архитектуре, аппаратной и программной частям, но в исключительно компактном (90х96 мм) варианте стыкуемых модулей. Главная особенность стандарта — это то, что он дает возможность различной компоновки PC компьютера. Например, стековая архитектура обеспечивает минимальные габариты компьютера, а использование базовой платы обеспечивает его минимальную высоту. Применение новых разъемов для PC-шины обеспечивает надежную работу компьютеров в жестких условиях эксплуатации (повышенная вибрация, солевой туман, широкий диапазон температур и т.д.). Новейшие технологии производства электронных компонентов (субмикронная технология), применение поверхностного монтажа высокой плотности позволили резко сократить габариты и потребление энергии модулей PC/104, что позволяет использовать их в закрытых объемах без дополнительного охлаждения. Например, типовой PC/104 компьютер i486 серии потребляет 2,5 Вт. Малые габариты позволяют легко термостатировать компьютеры PC/104 при использовании в условиях сверхнизких температур (-60°С и ниже).
Стандарт PC/104, таким образом, идеально удовлетворяет требованиям для встроенных систем, что сделало его чрезвычайно популярным не только в США, но и в странах Европы и Азии, где технология производства обеспечивает требования стандарта PC/104.
В настоящее время росту популярности стандарта PC/104 дополнительно способствует мировая тенденция перехода к распределенным системам управления, которые обладают большой гибкостью, легкостью обслуживания и высокими показателями надежности. При построении систем широко используются сетевые интерфейсы: Ethernet, Arcnet, ProfiBus, InterBus-S, CAN, LON и т.д., а аппаратная и программная поддержка для операционных систем QNX, RTXC, AMX, MS-DOS и т.д. широко представлена фирмами, работающими в стандарте PC/104. Удачная конструкция модулей PC/104 позволяет использовать как готовые конструктивы DIN-rail и Евростандарта, которые наиболее широко используются в промышленности, так и специальные, которые предназначены для жестких условий эксплуатации.
Бурное развитие стандарта в 94-95-х годах привлекло повышенное внимание компаний, выпускающих оборудование для военных применений. Сегодня в стандарте PC/104 выпускаются основные интерфейсы MIL-STD, конструктивы с требованиями MIL-STD, интерфейсы для авиационной промышленности (ARINC-419/429/561/575/615).
Расширение стандарта IEEE-P996
Модули PC/104 изготавливались начиная с 1987г., хотя их спецификация не публиковалась до 1992г. С 1992г. интерес к PC/104 резко возрос, и более трех десятков производителей представили около ста типов различных модулей PC/104. Стандарт PC/104 появился как модификация стандарта IEEE-P996 для промышленных приложений. В 1992 г. Международный Институт Инженеров по Электронным Разработкам (IEEE) начал проект по стандартизации уменьшенного конструктива стандарта (IEEE P996draft specification) для PC- и PC/AT-машины для встроенных применений. Спецификация PC/104 была принята как базовый документ для нового стандарта IEEE, названного Р996.1 Standard for Compact Embedded — PC Modules (Стандарт для компактных встраиваемых PC модулей). Появившись в США, стандарт PC/104 стал быстро распространяться. Сегодня изделия в стандарте PC/104 производят не только в США, но и в Европе и Азии. Объемы продаж за последние годы постоянно возрастают. Количество членов консорциума только за 1995 г. увеличилось на 35%.
Ключевые отличия между PC/104 и PC ISA (IEEE-P996)
- Компактность конструкции. Размер уменьшен до 90 х 96 мм.
- Удобная конструкция шины, допускающая различные варианты компоновки PC-модулей, уменьшает стоимость, громоздкие задние панели и исключает применение корзины.
- Разъемы PC/104 (cквозные штыревые). Стандартные разъемы PC-шины, расположенные на боковой стороне плат для уменьшения габаритов и для обеспечения работы в жестких условиях эксплуатации, были заменены компактными 64- и 40-контактными штыревыми разъемами.
- Стандарт IEEE-P996.1 (PC/104) позволяет уменьшить ток шинных формирователей до 4 мА (максимальный не оговаривается), это дает возможность снизить потребление энергии до 1-2 Вт на модуль, что является важным фактором при работе без принудительного охлаждения в закрытом объеме. Типовые модули процессоров серии 486/586 обычно содержат шинные формирователи с выходным током не менее 24 мА, что равносильно нагрузочной способности обычной ISA шине. При этом на шину PC/104 возможно подключение до 12 модулей.
Используя стандаpт PC/104, фирмы выигрывают от применения стандартных изделий с широкой номенклатурой, включающей большой выбор изделий промышленного назначения, получая при этом поддержку фирм изготовителей. Применение стандартных изделий позволяет избежать зависимости от конкретного производителя и дает возможность модернизации выпускаемой продукции в дальнейшем.
Два вида использования модулей PC/104
Различная компоновка модулей PC/104 практически не ограничивает разработчика в использовании их во встроенных системах. Например, стековая архитектура обеспечивает минимальные габариты компьютера, а использование базовой платы обеспечивает его минимальную высоту.
Компоновка отдельных модулей (стековая архитектура)
Как показано далее, модули PC/104 стыкуются друг с другом, образуя этажерочную конструкцию. При такой компоновке отпадает необходимость в соедининительной кросс-плате и корзине, обеспечивая надежную конструкцию PC-машины и минимальные габариты. Состыкованные модули расположены на расстоянии 15 мм друг от друга. (Три модуля, состыкованные вместе, занимают объем 90х96х51 мм.)
Применение базовой платы
При такой компоновке модули помещаются на пользовательскую несущую плату, обеспечивающую крепление модулей PC/104 и соединение между ними. Наращивание PC-компьютера в такой конфигурации обеспечивается через выбор размеров несущей платы, если необходима плоская конструкция, или дополнительную установку модулей (стековый вариант). Применение комбинированной компоновки дает большие возможности при проектировании и модернизации крупных систем.
Шина PC/104 (IEEE-P996.1) и ISA (IEEE-P996)
Основной разъем
| PC/104 | Сигнал | ISA | 0 | PC/104 | Сигнал | ISA |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A1 | IOCHCHK | A1 | B1 | 0V | B1 | |
| A2 | D7 | A2 | B2 | RESETDEV | B2 | |
| A3 | D6 | A3 | B3 | +5V | B3 | |
| A4 | D5 | A4 | B4 | IRQ9 | B4 | |
| A5 | D4 | A5 | B5 | -5V | B5 | |
| A6 | D3 | A6 | B6 | DRQ2 | B6 | |
| A7 | D2 | A7 | B7 | -12V | B7 | |
| A8 | D1 | A8 | B8 | ENDXFR | B8 | |
| A9 | D0 | A9 | B9 | +12V | B9 | |
| A10 | IOCHRDY | A10 | B10 | (KEY) | (N/A)2 | |
| A11 | EN | A11 | B11 | SMEMW* | B11 | |
| A12 | A19 | A12 | B12 | SMEMR* | B12 | |
| A13 | A18 | A13 | B13 | IOW* | B13 | |
| A14 | A17 | A14 | B14 | IOR* | B14 | |
| A15 | A16 | A15 | B15 | DACK3* | B15 | |
| A16 | A15 | A16 | B16 | DRQ3 | B16 | |
| A17 | A14 | A17 | B17 | DACK1* | B17 | |
| A18 | A13 | A18 | B18 | DRQ1 | B18 | |
| A19 | A12 | A19 | B19 | REFRESH* | B19 | |
| A20 | A11 | A20 | B20 | SYSCLK | B20 | |
| A21 | A10 | A21 | B21 | IRQ7 | B21 | |
| A22 | A9 | A22 | B22 | IRQ6 | B22 | |
| A23 | A8 | A23 | B23 | IRQ5 | B23 | |
| A24 | A7 | A24 | B24 | IRQ4 | B24 | |
| A25 | A6 | A25 | B25 | IRQ3 | B25 | |
| A26 | A5 | A26 | B26 | DACK2* | B26 | |
| A27 | A4 | A27 | B27 | TC | B27 | |
| A28 | A3 | A28 | B28 | BALE | B28 | |
| A29 | A2 | A29 | B29 | +5V | B29 | |
| A30 | A1 | A30 | B30 | OSC | B30 |
Дополнительный разъем
| PC/104 | Сигнал | ISA | 0 | PC/104 | Сигнал | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C0 | 0V | (N/A)4 | D0 | 0V | (N/A)4 | |
| C1 | SBHE* | C1 | D1 | MEMCS16* | D1 | |
| C2 | LA23 | C2 | D2 | IOCS16* | D2 | |
| C3 | LA22 | C3 | D3 | IRQ10 | D3 | |
| C4 | LA21 | C4 | D4 | IRQ11 | D4 | |
| C5 | LA20 | C5 | D5 | IRQ12 | D5 | |
| C6 | LA19 | C6 | D6 | IRQ15 | D6 | |
| C7 | LA18 | C7 | D7 | IRQ14 | D7 | |
| C8 | LA17 | C8 | D8 | DACK0* | D8 | |
| C9 | MEMR* | C9 | D9 | DRQ0 | D9 | |
| C10 | MEMW* | C10 | D10 | DACK5 | D10 | |
| C11 | SD8 | C11 | D11 | DRQ5 | D11 | |
| C12 | SD9 | C12 | D12 | DACK6* | D12 | |
| C13 | SD10 | C13 | D13 | DRQ6 | D13 | |
| C14 | SD11 | C14 | D14 | DACK7 | D14 | |
| C15 | SD12 | C15 | D15 | DRQ7 | D15 | |
| C16 | SD13 | C16 | D16 | +5V | D16 | |
| C17 | SD14 | C17 | D17 | MASTER* | D17 | |
| C18 | SD15 | C18 | D18 | 0V | D18 | |
| C19 | (KEY) | (N/A)3 | D19 | 0V | (N/A)4 |
Разъемы PC/104
Для 8-разрядной шины PC/104 используются 64-контактные разъемы,
для 16-разрядной — 64- и 40-контактные разъемы с золотым покрытием.
Характеристики:
- Сопротивление изоляции- не менее 5 000 МОм.
- Напряжение пробоя изоляции- не менее 1000 В 60 Гц.
- Сопротивление контактов- не более 0.01 Ом.
- Ток контакта- 1 А.
- Диапазон рабочих температур- -65°С — +125°C.
Конструктив
| -S |  | -G =20µ* (0,51µm) Gold Contact Gold Flahs on Balance | |
| -D |  | -S =30µ* (0,76µm) Gold on Contact area Tin on Tail | |
| -T |  | -H =30µ* (0,76µm) Gold on Contact area Gold Flahs on Balance (ESW style -12 only) (Minimums may apply) | |
 | PC/104 J1/P1 «Stackthrough» Connectors | ||
| Standart Insertion Force | ESQ-132-14-G-D | ||
| Low Insertion Force | ESQ-132-39-G-D | ||
| PC/104 J1 «Non-Stackthrough» Connectors | |||
| Standart Insertion Force | ESQ-132-12-G-D | ||
| Low Insertion Force | ESQ-132-37-G-D | ||
| PC/104 J2/P2 «Stackthrough» Connectors | |||
| Standart Insertion Force | ESQ-120-14-G-D | ||
| Low Insertion Force | ESQ-120-39-G-D | ||
PC/104+ — дальнейшее развитие стандарта IEEE-P996.1 (PC/104)
Развитие стандарта IEEE-P996.1 (PC/104) в 95-96 годах привлекло внимание крупных электронных компаний, производящих электронную продукцию для специальных применений. Сегодня почти все основные производители встраиваемых компьютеров выпускают изделия в этом формате, трудно найти приложения, которые не были бы реализованы в стандарте PC/104.
В конце 1996 г. фирмы AMPRO и MOTOROLA анонсировали дополнение шины PC/104 шиной PCI, при полной совместимости со старыми изделиями в IEEE-P996.1 (PC/104). Новая спецификация была одобрена подавляющим большинством членов консорциума PC/104 в феврале 1997 г. и предложена к публикации на конференции по встраиваемым системам в Бостоне в марте 1997г.
Спецификация PC/104 plus с шиной PCI
| Сигнал | a | b | c | d |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 5.0V KEY | Reserved | +5V | AD00 |
| 2 | VI/O | AD02 | AD01 | +5V |
| 3 | AD05 | GND | AD04 | AD03 |
| 4 | C/BE0* | AD07 | GND | AD06 |
| 5 | GND | AD09 | AD08 | GND |
| 6 | AD11 | VI/O | AD10 | M66EN |
| 7 | AD14 | AD13 | GND | AD12 |
| 8 | +3.3V | C/BE1* | AD15 | +3.3V |
| 9 | SERR* | GND | SB0* | PAR |
| 10 | GND | PERR* | +3.3V | SDONE |
| 11 | STOP* | +3.3V | LOCK* | GND |
| 12 | +3.3V | TRDY* | GND | DEVSEL* |
| 13 | FRAME* | GND | IRDY* | +3.3V |
| 14 | GND | AD16 | +3.3V | C/BE2* |
| 15 | AD18 | +3.3V | AD17 | GND |
| 16 | AD21 | AD20 | GND | AD19 |
| 17 | +3.3V | AD23 | AD22 | +3.3V |
| 18 | IDSEL0 | GND | IDSEL1 | IDSEL2 |
| 19 | AD24 | C/BE3* | VI/O | IDSEL3 |
| 20 | GND | AD26 | AD25 | GND |
| 21 | AD29 | +5V | AD28 | AD27 |
| 22 | +5V | AD30 | GND | AD31 |
| 23 | REQ0* | GND | REQ1* | VI/O |
| 24 | GND | REQ2* | +5V | GNT0* |
| 25 | GNT1* | VI/O | GNT2* | GND |
| 26 | +5V | CLK0 | GND | CLK1F |
| 27 | CLK2 | +5V | CLK3 | GND |
| 28 | GND | INTD* | +5V | RST* |
| 29 | +12V | INTA* | INTB* | INTC* |
| 30 | -12V | Reserved | Reserved | 3.3V KEY |