Architetture componibili di piccoli moduli

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Le architetture di piccolo formato PC/104 e COM devono il loro successo alla possibilità di comporre i moduli uno sull’altro formando Stacking System innanzi tutto robusti e poi anche compatti, personalizzabili e capaci di svolgere più mansioni con un’efficace gestione a livello funzionale. Il vantaggio di essere componibili, peraltro, non preclude la possibilità di usare moduli di fornitori diversi con la massima libertà creativa da parte del progettista nella scelta dei circuiti integrati d’elaborazione e dei set di interfacce I/O più congeniali a ogni esigenza applicativa.

La robustezza e la flessibilità nei moduli PC/104 sono garantite indipendentemente dalla compatibilità con il backplane su cui sono montati e, inoltre, oggi si può disporre dell’innovativa tecnologia d’interconnessione point-to-point, P2P, che consente di montare moduli con le più eterogenee funzionalità senza problemi di configurazione. In origine, infatti, lo standard PC/104 nacque per far in modo che la collaudata impostazione ISA, Industry Standard Architecture, potesse utilizzarsi insieme ai più efficienti e versatili bus PCI, Peripheral Component Interconnect.

Fig. 1 - Esempio di architettura multipla che mostra come nelle composizioni di moduli basate su bus i componenti possono trovarsi dovunque mentre nelle strutture point-to-point c’è un solo canale logico per tutti i dispositivi

È anche per questo motivo che i sistemi PC/104 sono e rimarranno preferiti in molte applicazioni industriali giacché, nonostante sia ormai chiaro che i bus PCI sono perfettamente in grado di soddisfare qualsiasi requisito funzionale senza bisogno delle connessioni ISA, queste ultime continuano però a essere richieste per le loro inequivocabili doti di semplicità d’installazione e bassissimo costo. D’altra parte, i bus PCI sono più veloci e ciò permette di implementare una gestione degli interrupt indubbiamente più efficace con meno fatica, dato che se ne può occupare un buon sistema operativo senza bisogno di alcuna programmazione specifica dall’esterno.

Oggi questi vantaggi ci sono anche nei moduli componibili PCI Express che però non usano bus, ma solamente interconnessioni P2P. Probabilmente la maggior velocità è il motivo trainante per presumere un’inevitabile definitiva migrazione di tutte le connessioni fra sottosistemi verso i bus PCI e le P2P PCI Express, ma se questo passaggio avviene lentamente è proprio per la comodità che i sistemi PC/104 offrono nel permettere di mettere insieme le interfacce vecchie e nuove in configurazioni robuste e versatili. Nel diagramma in figura è riportato un esempio di come si possono far convivere le architetture a bus e P2P sulla stessa struttura modulare. Come si vede ci sono delle differenze che un po’ incidono sulle prestazioni e sui requisiti di installazione.

Fig. 2 - Stack-104 (in alto) e DuraCOR (in basso) sono due esempi di schede computer composte da moduli multipli forniti da Eurotech

Nell’approccio basato su bus tutti i dispositivi sono logicamente connessi e necessitano dei transceiver per scambiare le informazioni con gli altri dispositivi o con il processore, mentre nell’approccio P2P sono le interfacce sui dispositivi stessi che decidono se e quando ricevere, elaborare e ritrasmettere le informazioni oppure trasferirle dal dispositivo precedente a quello successivo senza utilizzarle. Dunque, nel primo caso occorrono più componenti e nel secondo più connettori.

Il posizionamento dei dispositivi nelle strutture a bus è pressoché irrilevante e al progettista basta ricordarsi di mettere i dispositivi che scaldano di più in alto alla fine della pila dove è più semplice aggiungere accorgimenti meccanici per lo smaltimento del calore. Nelle strutture P2P la posizione dei dispositivi può essere più importante perché bisogna configurare la sequenza di scambio dei segnali fra le interfacce, ma non è comunque un’operazione particolarmente critica grazie all’intrinseca versatilità delle interfacce USB e PCI Express.

Si possono anche realizzare configurazioni miste con doppi connettori per collegamenti sia a bus sia P2P, basta tenere conto che la maggior ridondanza migliora la flessibilità d’installazione e utilizzo ma aumenta i costi generali. Per esempio, le Serial Peripheral Interface (SPI) utilizzano entrambi gli approcci a bus per il clock e per i dati e point-to-point per selezionare le linee. Generalmente le connessioni a bus sono sempre preferite per le linee di alimentazione mentre per alcuni tipi di interrupt possono essere più efficaci le connessioni dirette fra dispositivi. In ogni caso non si possono certamente montare una sopra l’altra più schede di quante ne possa sopportare l’alimentazione centrale della scheda madre e, per esempio, per i moduli in formato PC/104 è consigliabile limitarsi a sei.

Protocolli modulari
Lo Small Form Factor Special Interest Group (SFF-SIG) Stackable Unified Module Interconnect Technology (SUMIT) consiglia per l’host di una struttura modulare P2P una dotazione minima di almeno quattro USB, due SPI, due PCI Express x1, una PCI Express x4, un SMBus e un bus LPC, per un totale di dodici collegamenti d’interfaccia tipicamente adeguati per la maggior parte delle applicazioni.

Il PC/104 Embedded Consortium ha definito dapprima gli standard PC/104, PC/104-Plus e PCI-104 per poi arrivare ai più recenti PCI/104-Express e PCIe/104 con i nuovi protocolli di interfaccia adatti ai collegamenti point-to-point. Precisamente PCI/104-Express comprende i connettori per quattro interfacce PCI Express x1 e una PCI Express x16. Quest’ultima è già predisposta per le Graphics Processing Unit (GPU) di ultima generazione e può all’occorrenza essere scomposta in due PCI Express x8 o in quattro x4. Negli ultimi tempi il SFF-SIG ha definito anche altri tipi di interfacce P2P basate su differenti connettori, ma almeno per ora le PCI Express sono quelle che hanno il maggior gradimento da parte sia dei progettisti che degli utilizzatori. Per esempio, lo standard PC/104 ISA usa i connettori Industry Standard Module, ISM, e il SUMIT definisce due tipi di connettori denominati di tipo A e B con i primi predisposti per quattro USB, due SPI, una SMBus, un LPC e una PCI Express x1, mentre i secondi oltre a tutto ciò hanno anche altre porte PCI Express x1 e x4.

Fig. 3 – Esempi di sistemi modulari basati su PC/104 e USB realizzati da Access I/O (in alto a sinistra), Diamond Systems (in alto a destra) e Micro/Sys (in basso)

Indubbiamente i collegamenti diretti punto-punto fino a non più di un anno fa potevano trovarsi solamente nei prototipi, ma oggi sta crescendo la percentuale di schede computer che supportano questo tipo di connessione perché permette d’implementare soluzioni di I/O più intelligenti e versatili. Alcuni nuovi Single Board Computer, SBC, per esempio, permettono di impilare i moduli con architettura Computer On Module, COM, che sono ancor più vantaggiosi in termini di flessibilità di configurazione perché consentono di scegliere separatamente il processore e di aggiungere interfacce con supporti specifici audio/video, Ethernet o SATA.

Una non sorprendente recente novità nelle applicazioni industriali è l’ampio uso delle connessioni USB non come di solito verso le periferiche esterne, bensì per collegare i diversi moduli interni che compongono i sistemi. Un utilizzo di questo genere molto promettente è, per esempio, nel collegare insieme i convertitori A/D o D/A che sono sempre più spesso implementati in array per l’acquisizione su canali multipli o, similmente, gli array di multiplexer analogici dei front-end multicanale. Un approccio creato proprio a tal scopo
è lo standard StackableUSB concettualmente molto simile all’impostazione P2P, ma con numerose porte USB al posto delle linee PCI Express, il che tuttavia può condizionare almeno in parte la scelta delle periferiche.

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