Tendenze future dei sistemi Embedded industriali

Pubblicato il 16 gennaio 2002

E’ oramai fuori di dubbio che l’architettura CompactPCI non riuscirà a spodestare il bus VME dal mercato dei sistemi embedded, in particolar modo nel settore militare dove sta addirittura accrescendo la sua importanza, stando alle analisi effettuate da Vita. Gli standard basati sul bus PCI e sulle sue varianti stanno comunque lentamente guadagnando posizioni nell’ambito delle applicazioni per telecomunicazioni e industriali in genere. Le tendenze nel settore delle applicazioni industriali mostrano una graduale migrazione verso tecnologie di bus PCI, schede più compatte e il ricorso ad architetture alternative all’accoppiata ‘Windows+Intel’.
Manifesto è anche lo spostamento dell’attenzione dei fornitori di soluzioni dai prodotti ai servizi.

L’evoluzione delle tecnologie

Il bus PCI nelle sue diverse varianti è indubbiamente uno dei maggiori protagonisti del panorama embedded e per diverso tempo ancora continuerà a dominare il mondo dei PC desktop, pur solo a livello di comunicazione con le periferiche. Nonostante sia destinato a scomparire anche da questo ambito, per essere sostituito da tecnologie del tipo a commutazione di connessione, o Switched Fabric, continuerà ad essere presente sui dispositivi embedded, che solo di recente si stanno affrancando dall’oramai ‘anziano’ bus ISA. Vi resterà sotto forma di PCI nello standard CompactPCI ma anche come PCI-X, un bus che innalza in modo significativo la frequenza operativa senza richiedere particolari sforzi di adattamento dal punto di vista tecnico ed economico. La compatibilità di PCI-X con le versioni più lente di PCI è senza dubbio uno dei motivi che ne giustificheranno la longevità. L’evoluzione successiva sarà rappresentata dall’adozione, anche nel mondo embedded, di tecnologie di connessione di tipo Switched Fabric, che per il momento prevedono diverse possibilità tra cui Infiniband, RapidIO, StarFabric, Gigabridge, HyperTransport e altre ancora. Non è ancora chiaro quale di queste tecnologie troverà il consenso da parte degli utilizzatori in ambito industriale: sebbene Infiniband e RapidIO siano i candidati meglio collocati, la reazione del mercato industriale potrebbe riservare delle sorprese in futuro anche in considerazione del fatto che quello dei sistemi embedded per l’industria è un mercato di nicchia per queste tecnologie. Anche la velocità delle connessioni Ethernet è destinata a salire, con l’introduzione di sistemi in grado di trarre vantaggio dalle connessioni di tipo Gigabit Ethernet e addirittura, guardando poco oltre, Terabit Ethernet. Per i prossimi anni è comunque ragionevole ritenere che l’incremento di prestazioni necessario sarà fornito dal ricorso a sistemi con bus PCI e PCI-X per le comunicazioni interscheda e di tipo Gigabit Ethernet per le comunicazioni tra periferiche.

Verso sistemi più robusti e compatti

Una tendenza trasversale che interessa sia i sistemi VME, sia quelli CompactPCI si riferisce alla riduzione degli ingombri. Sebbene le soluzioni in formato di scheda Eurocard singola, basate su VME o su CompactPCI, rappresentino solo il 10% di tutti i sistemi VME e CompactPCI, il trend verso il formato 3U è in crescita da diverso tempo anche per le applicazioni industriali. A prescindere dalla scelta di VME o CompactPCI, non sussiste infatti alcun motivo di ordine tecnico per non utilizzare schede in formato 3U invece che in 6U, se non quando l’applicazione richieda un interfacciamento tramite il pannello posteriore o la sua complessità sia tale da richiedere una maggior superficie su cui integrare i componenti. Il bus VME presenta un vantaggio rispetto a CompactPCI qualora vengano effettuati accessi separati al bus, come nel caso della lettura di punti di I/O analogico o digitale. Questi accessi a 16 bit possono essere effettuati con ottime prestazioni ricorrendo a un sistema VME in formato 3U. Un sistema CompactPCI si comporta meglio nel caso di accessi a blocchi di dati, e in questi casi i sistemi CompactPCI 3U offrono i medesimi bus a 32 o a 64 bit delle corrispondenti versioni 6U. Ne consegue che è possibile passare ai sistemi 3U senza alterare le funzionalità e le prestazioni.

Di recente, l’interesse per le soluzioni CompactPCI è andato in crescendo per le applicazioni di controllo industriale di fascia alta e media. Per le applicazioni di fascia bassa, molto sensibili al fattore costo, le soluzioni su un’unica scheda, che non richiedono i costi aggiuntivi di un backplane, sono preferibili per la loro essenzialità. I sistemi CompactPCI entrano in gioco quando è effettivamente necessario ricorrere a un bus di comunicazione o quando è richiesta un’interfaccia scalabile per la visualizzazione grafica avanzata o per gestire una più ampia scelta di protocolli di comunicazione. Molti dei sistemi CompactPCI 3U di recente introduzione richiedono un I/O scalabile e prevedono inoltre funzionalità aggiuntive come l’elaborazione multiprocessore o un ambiente misto con un sistema operativo tradizionale e uno in tempo reale.

Sistemi PCI: PowerPC guadagna sulle soluzioni ‘Wintel’

L’evoluzione dello standard CompactPCI è stata inizialmente motivata dalla richiesta di soluzioni industriali basate su Windows. Questo ha a sua volta influenzato la scelta delle piattaforme hardware da utilizzare: Intel e compatibili. E questo può rappresentare un problema per l’industria dei sistemi di elaborazione embedded che ha, a differenza del luccicante mondo consumer, cicli di vita dei prodotti relativamente lunghi e che soffre pertanto parecchio del fenomeno di obsolescenza di processori e chipset. Un altro inconveniente delle soluzioni Wintel è rappresentato dalla loro affidabilità, soprattutto in ambiente di fabbrica. Un compromesso può essere raggiunto ricorrendo solo a quei circuiti integrati per architetture PC che il produttore ha inserito nella roadmap per i sistemi embedded. Questi prodotti sono però più costosi dei comuni integrati per PC desktop e degli integrati destinati ad applicazioni industriali come PowerPC, 68k, Arm, ColdFire e simili. E’ inoltre necessario effettuare un compromesso tra il ricorso alla meno recente tecnologia per prodotti embedded, che offre garanzie di una certa disponibilità, e le ultime innovazioni in ambito PC, che al salto di prestazioni che associano generalmente consumi più elevati e una buona dose di incertezza sulla disponibilità per il futuro. Una soluzione che si prospetta per il prossimo futuro è rappresentata dal ricorso sempre più frequente allo sviluppo di integrati che implementino funzionalità accessorie per mezzo di FPGA e VHDL. E’ un percorso questo che porterà all’indipendenza dai tradizionali produttori di circuiti integrati e che, presumibilmente, comporterà lo sviluppo di vere e proprie CPU su misura per mezzo di componenti in logica programmabile.

A questo seguirà l’affrancamento dai processori tradizionali, diversi dei quali già oggi arrivano a consumare anche un centinaio di watt creando non pochi problemi a progettisti e utilizzatori. Difatti, anche se lo sviluppatore ritiene di poter affrontare la spesa extra per garantire l’adeguato raffreddamento dei chip, sono molte le applicazioni che non tollerano una dissipazione di potenza di quest’ordine di grandezza.