Solutions INFO R M A T I Q U E I N D U S T R I E L L E PC/104 : un standard toujours au goût du jour Le format PC/104 fournit aux industriels des systèmes évolutifs à base d’architectures PC. Cette technologie ne cesse d’évoluer, et connaît même un regain d’intérêt. Elle profite en effet des avancées techniques du PC, telles que les processeurs double cœur et le bus PCI Express. Et aujourd’hui, des systèmes de plus en plus robustes voient le jour pour adapter le PC/104 aux environnements difficiles, le faire résister aux chocs et aux vibrations. P roposer une architecture à la fois modulaire et simple à mettre à jour, à base de cartes PC empilables et interchangeables, telle était la volonté du consortium PC/104 Embedded lorsqu’il a lancé en 1991 son format de cartes. Depuis, ce standard n’a cessé d’évoluer. Il s’est forgé une belle réputation sur le marché industriel. Selon les données du cabinet d’analystes Electronics Trend Publications, le L’essentiel marché mondial des Le PC/104 est un format cartes PC/104 s’élève à d’ordinateur embarqué basé environ 170 millions sur une architecture PC de dollars par an. 50 % Les cartes PC/104 intègrent environ des applicaun bus ISA, et les cartes tions sont déployées PC/104-Plus le bus PCI dans l’industrie et Le standard profite de 20 % sur le secteur de l’arrivée des processeurs la défense. Sur ce marà faible consommation ché, les cartes CPU (ou Les systèmes exploitant une processeurs) et les carliaison série PCI Express tes d’Entrées/Sorties à la place du bus PCI sont celles qui repréapparaissent sentent les volumes de Le consortium PC/104 ventes les plus imporEmbedded spécifie des tants. Le groupement résistances aux chocs, des fabricants de cartes aux vibrations et aux PC/104 réunit dans le températures extrêmes monde entier plus de plus importantes cinquante sociétés, et Ces développements ces dernières propoélargissent le champ sent une large gamme d’application du format de produits. Les dévePC/104 et prolongent la durée de vie de ces systèmes loppeurs de systèmes n’ont donc que l’em- 34 barras du choix. Ces produits dits “sur étagère” ou COTS (pour Commercial Off-TheShelf) assurent au client une réduction des temps de mise sur le marché des systèmes qui les intègrent. Leur disponibilité est, de plus, garantie à long terme. Difficile aujourd’hui de trouver une application inadaptée au PC/104.Aucun secteur n’y échappe. Ces systèmes ont été adoptés dans les transports, le contrôle de process industriel, la défense, les systèmes de navigation embarqués, etc. Les architectes systèmes ont opté pour ce format pour sa légèreté, sa compacité (les cartes mesurent 90 x 96 mm), sa facilité de développement et ses possibilités d’évolution. Sans oublier la fiabilité mécanique des connecteurs et des systèmes complets. Cette fiabilité dépend du choix des composants (circuits imprimés, connecteurs, châssis, alimentations, radiateurs, etc.). C’est pourquoi, en parallèle de l’offre de produits “sur étagère”, les constructeurs proposent des services de personnalisation et d’amélioration de la robustesse des produits. Ainsi, les systèmes PC/104 associent performances des technologies PC et résistance aux températures extrêmes, aux vibrations et aux chocs. Mais revenons aux origines de ce format. Pourquoi l’avoir baptisé PC/104 ? Tout simplement car 104 est le nombre de contacts d’un bus ISA. Et les premières versions des cartes PC/104 étaient équipées de connecteurs ISA (Industry Standard Architecture) pour l’ajout de modules d’extensions. Le bus ISA Un même format, mais des technologies différentes : ci-dessus, un module avec ports ISA et PCI, et plus bas avec ports ISA et PCI Express. a depuis longtemps disparu de nos PC. Mais le format PC/104 n’étant pas figé, il suit les évolutions du monde PC. En 1997, à l’autre extrémité de la carte, un second connecteur à 120 broches va équiper ces cartes, qui pourront désormais accueillir des modules d’extension PCI. Par cette nouvelle spécification, le PC/104 devient PC/104-Plus. Après l’ISA et le PCI, le PCI Express ? Le bus du PC/104-Plus accueille jusqu’à quatre modules d’extension, et la bande passante maximale théorique dans une architecture PC/104-Plus atteint 132 Mo/s. En pratique, elle est de l’ordre de 55 Mo/s. Différence notoire avec le bus PCI standard de 124 broches : le bus du PC/104-Plus n’autorise des transferts de données que sur 32 bits, contrairement aux 64 bits du PCI. Ces caractéristiques ont été longtemps suffisantes. Les cartes d’extension avec contrôleurs Ethernet, les modules d’acquisition, les cartes de traitement de signal, se sont long- MESURES 804 - AVRIL 2008 - www.mesures.com Solutions temps contentés du bus PCI. Aujourd’hui, la bande passante du bus PCI 32 bits n’est pas toujours assez importante. Elle trouve notamment ses limites dans les applications d’affichage complexes. Car la plupart des cartes graphiques récentes demandent une bande passante de l’ordre de 500 Mo/s, voire davantage. Le traitement, l’enregistrement et le codage de vidéos réclament également un débit important. Par exemple, un canal de compression MPEG-2 vidéo nécessite environ 8 Mo/s de bande passante. Une demi-douzaine de ces canaux vidéo occupera donc toute la bande du bus PCI. Même constat pour une interface Gigabit Ethernet, qui ne peut être implémentée à pleine charge sur le bus PCI 32 bits du PC/104-Plus. Pour doper la bande passante disponible, certains constructeurs de cartes PC/104-Plus se sont donc intéressés au successeur du PCI : le PCI Express, qui autorise des cadences de transfert de 2,5 Gbit/s de données par canal. Il s’agit d’un bus série offrant la possibilité de combiner plusieurs canaux. Il suffit pour cela d’ajouter des canaux de base pour former des voies multiples. Ainsi, le bus PCI Express se décline donc en plusieurs versions : x1, x2, x4, x8, x16 et x32, selon le nombre de voies mises en œuvre. En complément de ce débit élevé, il apporte d’autres avantages : des temps de latence réduits, un protocole de transfert de données en rafales amélioré, et des options de qualité de service (QoS, ou Quality of Service) pour assigner différentes priorités de traitement à certains ensembles de données. Du point de vue physique, une voie PCI Express correspond à deux paires de liaisons cadencées à 2,5 GHz (une pour l’émission, l’autre pour la réception des données). Chaque liaison exploite des signaux LVDS (Low Voltage Differential Signal), une technologie de transmission d’informations qui atténue le bruit électronique. Au final, un bus PCI Express x1 affiche une cadence théorique de 250 Mo/s, bien plus rapide que le PCI, tout en présentant un encombrement du connecteur réduit à quelques broches (à comparer aux 120 contacts du connecteur PCI des cartes PC/104-Plus). Ce gain de place est un atout considérable pour un format de cartes dont l’un des points forts est justement la compacité. L’arrivée des premiers systèmes PCI Express Le PCI Express simplifie donc le câblage et fait gagner de la place sur les cartes. Du coup, cela réduit les coûts de fabrication et laisse de la place à des fonctionnalités supplémentaires. Les spécifications de ce bus ont d’ailleurs déjà séduit le consortium PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), chez qui elles ont donné naissance au standard de cartes industrielles CompactPCI Express. On s’attend par conséquent à l’arrivée prochaine des interfaces série à haute vitesse dans le monde du PC/104. Sa normalisation n’est qu’une question de temps. Dans un premier temps, les connecteurs PCI Express et PCI ont cohabité sur certaines cartes PC/104-Plus. Mais aujourd’hui, les systèmes PC/104-Plus entièrement PCI Express apparaissent sur le marché. La vitesse de cette liaison série profite aux communications internes à une carte, mais aussi aux échanges d’une carte à une autre. Cette disparition progressive du bus PCI au profit du PCI Express suit l’évolution du marché de l’informatique. Elle s’inscrit dans la logique du passage des interfaces parallèles aux interfaces série dans l’industrie, l’USB remplaçant L’EPIC, dernier standard normalisé par le consortium PC/104 EPIC signifie “Embedded Flatform for Industrial Computing”. Ce standard relativement proche du PC/104-Plus a récemment reçu sa première préspécification avec liaison série : l’EPIC-Express. Il suit l’évolution logique du marché. Le bus PCI est remplacé par le PCI Express. Toutefois le bus basse vitesse ISA est conservé pour les tâches simples d’Entrées/Sorties ou de signalisation qui ne nécessitent pas une augmentation de la vitesse de transmission. Les spécifications de l’EPIC-Express remplacent le bus PCI par une liaison PCI Express à quatre canaux (un rang de connecteurs à 10 Gb/s) ou douze canaux (3 rangs de connecteurs). Rappelons que les systèmes EPIC sont des calculateurs embarqués de format 115 x 165 mm. Ils se présentent sous la forme d’ordinateurs mono cartes. Ils fonctionnent de manière autonome, ou accueillent des modules d’extension PC/104. MESURES 804 - AVRIL 2008 - www.mesures.com Les cartes CPU au format PC/104 sont le plus souvent équipées de ventilateurs. Toutefois, pour les applications à fortes contraintes de températures, des versions existent avec un refroidissement par conduction. partout le port parallèle LPT, les liaisons SATA prenant le pas sur l’EIDE, etc. Des processeurs de plus en plus performants Ces solutions à base de PC/104-Plus apportent des avantages indéniables de taille, de poids et de prix. De plus, elles suivent les performances des processeurs Intel qui les équipent. Lorsque les taux de transfert entre le processeur, la mémoire et les Entrées/ Sorties sont insuffisants, il suffit de passer d’un bus système de 400 à 533 MHz pour améliorer les performances générales d’environ 30 %. Mais ce n’est pas tout. Les systèmes PC/104-Plus sont compatibles avec les processeurs Pentium M (vitesses d’horloge jusqu’à 2 GHz et bus frontal à 533 MHz) conçus pour les applications les plus exigeantes en termes de vitesse de calcul. Pour s’accommoder de la faible capacité de dissipation thermique, les fabricants de cartes processeurs utilisaient jusqu’alors des microprocesseurs à faible émission de chaleur. Les plus fréquents étaient les Pentium III, qui fonctionnent sur une gamme de fréquences allant de 300 à 600 MHz, avec une consommation réduite. Mais les performances de ces processeurs restent modestes. De plus, Intel vient d’annoncer la fin de vie des processeurs Pentium III ULV (Ultra Low Voltage). ➜ 35 Solutions thermique doit donc faire l’objet d’une attention particulière, d’autant plus que ces cartes sont de petite taille. Afin d’élargir la gamme de température de fonctionnement, on peut opter pour une version plus robuste d’un produit, voire d’un certain type de composants. Utiliser par exemple des condensateurs au tantale plutôt que des électrolytiques repousse les limites en température. Malheureusement, la plupart des autres composants tels que les processeurs et la mémoire n’offrent pas une telle alternative. Cependant, une analyse des effets thermiques par modélisation et simulation, ainsi qu’une phase de tests intensifs, permettra aux ingénieurs de concevoir des cartes adaptées à une application en environnement difficile. Le PCI Express, un bus hautes performances Le refroidissement Ce graphique propose le rapport de la capacité de transfert de données (bande passante ou Bandwith, BW) par broche pour différentes interfaces. Le PCI Express, avec une note de 100, est ici pris comme référence. ➜ L’intégration de Pentium III n’est donc plus d’actualité. Les versions basse tension de la famille de processeurs Intel Pentium M sont l’une des alternatives. Elles offrent un rapport “Fréquence d’horloge sur Puissance à dissiper” qui avoisine le double de celui de ses concurrents. Bien entendu, même si les développeurs choisissent un processeur à faible dissipation, cela ne doit pas les empêcher de considérer la dissipation thermique globale de leur carte. Seuls quelques constructeurs proposent des cartes processeur PC/104-Plus dotées de processeurs cadencés à 1 GHz et au-delà. Dans ce cas, ils emploient pour la dissipation des caloducs, des ventilateurs plats et d’autres solutions spécifiques. L’adaptation aux températures extrêmes Bien des applications demandent aux systèmes d’être opérationnels dans des plages de températures dépassant les préconisations des fabricants de composants. La stabilité Ne pas confondre vitesse et dissipation Le tableau ci-dessous présente la puissance thermique à dissiper (Thermal Design Power ou TDP) pour les processeurs standards, leurs versions “basse tension” destinées à l’embarqué et pour les jeux de composants qui les accompagnent. Processeurs/Circuits Fréquence maximale, en MHz Thermal Design Power (TDP), en W Rapport Fréquence TDP, en MHz/W Pentium M. 760 2 000 27 74 Pentium M. 745 1 800 21 85 Pentium M. 1.6 1 600 24,5 65 Celeron M. 370 1 500 21 71 LV Pentium M. 738 1 400 10 140 LV Pentium M. 1.1 1 100 12 92 ULV Celeron M. 373 1 100 5,5 182 855 GM/ICH4M FSB 400 MHz 4,3 + 2,2 915 GM/ICH6M FSB533/400 MHz 6 + 2,3 Les efficacités thermiques relatives (mesurées en MHz/W) du Pentium M 738 Low Voltage et du Celeron M 373 Ultra Low Voltage sont donc plusieurs fois supérieures à celle d’un Pentium M 1,6 GHz. 36 Le refroidissement par flux d’air forcé n’est pas toujours possible dans les systèmes PC/104. La compacité des cartes et leur empilement atténuent l’efficacité du refroidissement par air et la durée de vie des ventilateurs est nettement inférieure à celle des composants qu’ils refroidissent. Par exemple, le MTBF (Mean Time Between Failure, ou temps moyen entre pannes) d’un ventilateur typique ne dépasse pas 20 000 heures en moyenne, alors qu’une carte processeur PC/104 se doit d’avoir un MTBF excédant 100 000 heures. Certains constructeurs proposent des solutions de refroidissement par conduction pour leurs cartes processeurs. Et celles-ci peuvent aller au-delà d’un simple ajout de radiateur. En effet, sur la plupart des cartes CPU au format PC/104, le processeur est placé sur la même face que les connecteurs PCI et ISA. Positionné entre les connecteurs et en dessous des cartes d’expansion, il peut difficilement dissiper sa chaleur. La société Fastwel procède différemment pour ses cartes processeurs PC/104-Plus, en plaçant le processeur sur l’autre face de la carte. Les cartes CPU Fastwel sont donc conçues pour être placées soit tout en haut, soit tout en bas de la pile de cartes PC/104. De cette façon, la tâche de dissipation thermique est grandement simplifiée, et les calories émises par le CPU et le jeu de composants sont plus faciles à évacuer vers le boîtier en utilisant une plaque conductrice. Le pont thermique entre le CPU et le châssis du système étant faible, ces nouveaux châssis PC/ 104- Plus agissent comme des radiateurs. Les résultats obtenus sont meilleurs que pour des solutions à base de caloducs, qui acheminent la chaleur le long des cartes vers les côtés du boîtier. MESURES 804 - AVRIL 2008 - www.mesures.com Solutions Le PC/104 est un format de modules empilables qui sont installés dans un boîtier ou sur une carte porteuse. La résistance aux chocs et aux vibrations Les systèmes utilisés dans les environnements industriels ou embarqués sont très souvent soumis à des vibrations permanentes. L’architecture PC/104 est une solution adaptée à ces contraintes de par ses connectiques fiables (grâce aux connecteurs multicontacts ISA et PCI), son faible encombrement et un poids contenu. Cependant, pour les secteurs très réglementés comme celui des transports, la fiabilité devra être encore accrue. Pour y parvenir, on peut souder les composants qui sont normalement montés sur des connecteurs. Si l’utilisation de processeurs soudés Le système PC/104-Plus à base de PCI Express L’arrivée du bus PCI Express dans le monde de l’informatique industrielle a inspiré le constructeur russe Fastwel (représenté en France par NeoMore) pour développer la CPC1700 qui, selon lui, est la première carte PC/104-Plus à bus PCI Express. Il s’agit d’une modification de la carte processeur PC/104Plus CPC1600. Le constructeur a remplacé le connecteur PCI par un PCI Express à 4 canaux. Ceux-ci peuvent être configurés pour une utilisation en 4 canaux monovoie (mode x 1) ou en un unique canal à 4 voies (mode x 4). Les cartes PC/104 Express de Fastwel comportent toujours un bus ISA. Elles sont compatibles avec la majorité des cartes applicatives ISA développées par les sociétés membres du consortium PC/104, mais aussi avec un grand nombre de produits d’autres concepteurs, qui réalisent leurs propres cartes spécifiques en utilisant ce bus ISA. Voici un exemple de système PC/104 avec module d’acquisition, installé sur une carte au format EBX. est devenue monnaie courante, l’utilisation de mémoire RAM soudée impliquera un routage de câblage parallèle, et conduira à des couches de circuit imprimé supplémentaires. De plus, pour 1 Go de capacité, l’utilisation de circuits de RAM soudés représentera 15 % de la surface utile d’une carte PC/104-Plus. La soudure des composants améliore donc la résistance aux chocs et aux vibrations, mais elle complique la conception et la fabrication. Si une telle carte n’existe pas en version commerciale, il faut prendre en compte ce paramètre au plus tôt. A titre indicatif, les cartes CPU soudées résistent le plus souvent à des niveaux de vibration jusqu’à 5 g dans une gamme de 10 à 500 Hz, alors que les cartes dotées de mémoire SO- DIMM classiques ne tiennent que 2 g. Autre avantage des composants soudés : une plus grande efficacité pour le vernissage antihumidité des cartes (aussi appelé couche de tropicalisation). La tropicalisation d’une carte vise à réduire le risque de courts-circuits causés par la condensation, les brumes salines, les particules métalliques ou la corrosion. Ce film de protection est beaucoup plus uniforme lorsqu’il est appliqué sur une carte aux composants soudés, sans pattes. Son efficacité s’en trouve renforcée. On le voit avec des options de durcissement proposées par tous les constructeurs, les développeurs de systèmes embarqués peuvent continuer à faire évoluer leurs systèmes PC/104 et PC/104-Plus en concevant des cartes compactes, dotées de processeurs modernes et de bus de données série. Ils peuvent désormais viser d’autres domaines tels que le traitement audio et vidéo (codage, paquetage et stockage), les applications dans les transports, la robotique, le médical ou l’avionique (acquisition de cibles et poursuite), ou encore la capture et la diffusion d’images pour les différents systèmes de surveillance. Frédéric Parisot D’après Alexander Buravlev, directeur des ventes chez Fastwel, Ltd MESURES 804 - AVRIL 2008 - www.mesures.com 37