Informatique industrielle : PC/104 : un standard toujours au goût du

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INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
PC/104 : un standard
toujours au goût du jour
Le format PC/104 fournit aux industriels des systèmes évolutifs à base d’archi-
tectures 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.
Proposer 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
marché mondial des
cartes PC/104 s’élève à
environ 170 millions
de dollars par an. 50 %
environ des applica-
tions sont déployées
dans l’industrie et
20 % sur le secteur de
la défense. Sur ce mar-
ché, les cartes CPU (ou
processeurs) et les car-
tes d’Entrées/Sorties
sont celles qui repré-
sentent les volumes de
ventes les plus impor-
tants. Le groupement
des fabricants de cartes
PC/104 réunit dans le
monde entier plus de
cinquante sociétés, et
ces dernières propo-
sent une large gamme
de produits. Les déve-
loppeurs de systèmes
n’ont donc que l’em-
barras du choix. Ces produits dits “sur éta-
gère” ou COTS (pour Commercial Off-The-
Shelf) 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 applica-
tion inadaptée au PC/104. Aucun secteur n’y
échappe. Ces systèmes ont été adoptés dans
les transports, le contrôle de process indus-
triel, 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 possibi-
lités d’évolution. Sans oublier la fiabilité mé-
canique des connecteurs et des systèmes
complets.
Cette fiabilité dépend du choix des compo-
sants (circuits imprimés, connecteurs, châs-
sis, alimentations, radiateurs, etc.). C’est
pourquoi, en parallèle de l’offre de produits
“sur étagère”, les constructeurs proposent
des services de personnalisation et d’amélio-
ration de la robustesse des produits. Ainsi, les
systèmes PC/104 associent performances
des technologies PC et résistance aux tem-
pératures extrêmes, aux vibrations et aux
chocs.
Mais revenons aux origines de ce format.
Pourquoi l’avoir baptisé PC/104 ? Tout sim-
plement car 104 est le nombre de contacts
d’un bus ISA. Et les premières versions des
cartes PC/104 étaient équipées de connec-
teurs ISA (Industry Standard Architecture) pour
l’ajout de modules d’extensions. Le bus ISA
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 spécifica-
tion, 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 qua-
tre modules d’extension, et la bande pas-
sante maximale théorique dans une archi-
tecture 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 suffi-
santes. Les cartes d’extension avec contrô-
leurs Ethernet, les modules d’acquisition, les
cartes de traitement de signal, se sont long-
Le PC/104 est un format
d’ordinateur embarqué basé
sur une architecture PC
Les cartes PC/104 intègrent
un bus ISA, et les cartes
PC/104-Plus le bus PCI
Le standard profite de
l’arrivée des processeurs
à faible consommation
Les systèmes exploitant une
liaison série PCI Express
à la place du bus PCI
apparaissent
Le consortium PC/104
Embedded spécifie des
résistances aux chocs,
aux vibrations et aux
températures extrêmes
plus importantes
Ces développements
élargissent le champ
d’application du format
PC/104 et prolongent la
durée de vie de ces systèmes
L’essentiel
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.

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temps contentés du bus PCI. Aujourd’hui, la
bande passante du bus PCI 32 bits n’est pas
toujours assez importante. Elle trouve no-
tamment 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’enregistre-
ment et le codage de vidéos réclament éga-
lement un débit important. Par exemple, un
canal de compression MPEG-2 vidéo néces-
site environ 8 Mo/s de bande passante. Une
demi-douzaine de ces canaux vidéo occu-
pera 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 for-
mer des voies multiples. Ainsi, le bus PCI
Express se décline donc en plusieurs ver-
sions : x1, x2, x4, x8, x16 et x32, selon le
nombre de voies mises en œuvre. En com-
plément 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 dif-
férentes priorités de traitement à certains
ensembles de données. Du point de vue phy-
sique, une voie PCI Express correspond à
deux paires de liaisons cadencées à 2,5 GHz
(une pour l’émission, l’autre pour la récep-
tion des données). Chaque liaison exploite
des signaux LVDS (Low Voltage Differential
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 appor-
tent 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’en-
viron 30 %. Mais ce n’est pas tout. Les sys-
tèmes 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 exi-
geantes 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 micro-
processeurs 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 consom-
mation réduite. Mais les performances de ces
processeurs restent modestes. De plus, Intel
vient d’annoncer la fin de vie des proces-
seurs Pentium III ULV (Ultra Low Voltage).
Signal), une technologie de transmission
d’informations qui atténue le bruit électro-
nique.
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 en-
combrement du connecteur réduit à quel-
ques 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 supplémen-
taires. 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 stan-
dard de cartes industrielles CompactPCI
Express. On s’attend par conséquent à l’arri-
vée prochaine des interfaces série à haute
vitesse dans le monde du PC/104. Sa nor-
malisation 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 appa-
raissent 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’in-
formatique. Elle s’inscrit dans la logique du
passage des interfaces parallèles aux interfa-
ces série dans l’industrie, l’USB remplaçant
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 connec-
teurs).
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.
L’EPIC, dernier standard normalisé
par le consortium PC/104
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.
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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 dissi-
per” qui avoisine le double de celui de ses
concurrents. Bien entendu, même si les dé-
veloppeurs 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 systè-
mes d’être opérationnels dans des plages de
températures dépassant les préconisations
des fabricants de composants. La stabilité
thermique doit donc faire l’objet d’une at-
tention 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 con-
densateurs au tantale plutôt que des électro-
lytiques 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 thermi-
ques par modélisation et simulation, ainsi
qu’une phase de tests intensifs, permettra
aux ingénieurs de concevoir des cartes adap-
tées à une application en environnement
difficile.
Le refroidissement
Le refroidissement par flux d’air forcé n’est
pas toujours possible dans les systèmes
PC/104. La compacité des cartes et leur em-
pilement atténuent l’efficacité du refroidis-
sement par air et la durée de vie des ventila-
teurs est nettement inférieure à celle des
composants qu’ils refroidissent. Par exem-
ple, le MTBF (Mean Time Between Failure,
ou temps moyen entre pannes) d’un venti-
lateur 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 pro-
posent 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 connec-
teurs PCI et ISA. Positionné entre les connec-
teurs et en dessous des cartes d’expansion, il
peut difficilement dissiper sa chaleur. La so-
ciété 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 gran-
dement 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 solu-
tions à base de caloducs, qui acheminent la
chaleur le long des cartes vers les côtés du
boîtier.
Le PCI Express, un bus hautes performances
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.
Ne pas confondre vitesse et dissipation
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.
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.
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La résistance aux chocs
et aux vibrations
Les systèmes utilisés dans les environne-
ments industriels ou embarqués sont très
souvent soumis à des vibrations permanentes.
L’architecture PC/104 est une solution adap-
tée 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 connec-
teurs. Si l’utilisation de processeurs soudés
est devenue monnaie courante, l’utilisation
de mémoire RAM soudée impliquera un
routage de câblage parallèle, et conduira à
des couches de circuit imprimé supplémen-
taires. De plus, pour 1 Go de capacité, l’uti-
lisation de circuits de RAM soudés représen-
tera 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 concep-
tion 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 jus-
qu’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 anti-
humidité des cartes (aussi appelé couche de
tropicalisation). La tropicalisation d’une
carte vise à réduire le risque de courts-cir-
cuits causés par la condensation, les brumes
salines, les particules métalliques ou la cor-
rosion. 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 peu-
vent continuer à faire évoluer leurs systè-
mes 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 pour-
suite), 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
Le système
PC/104-Plus à base
de PCI Express
L’arrivée du bus PCI Express dans le
monde de l’informatique indus-
trielle 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 modifica-
tion de la carte processeur PC/104-
Plus 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.
Le PC/104 est un format de modules empilables qui sont installés dans
un boîtier ou sur une carte porteuse.
Voici un exemple de système PC/104 avec module
d’acquisition, installé sur une carte au format EBX.