ISA-Support auf PC/104-SBCs

Das Kontron PC/104-Plus Single-Board-Computer MSM-eO(-N).Kontron

Allerdings ist es kein leichtes Unterfangen PC/104-SBCs (Single-Board-Computer) mit aktueller Prozessortechnologie und voller ISA-Kompatibilität zu finden. Das PC/104-plus-SBC-Microspace MSM-eO(-N) mit den AMD-Embedded-APUs der G-Serie bietet genau das und ist damit sehr gut für ein solches Nachfolgedesign geeignet.

PC/104 ist einer der am längsten verfügbaren Standards für SFF- Single-Board-Computer und zählt auch heute noch mit seinen Abmessungen von nur 90 mm x 96 mm zu den kompaktesten SBC-Formfaktoren der Embedded-Technologie. Bis zu fünf Erweiterungsboards können parallel und platzsparend auf oder unter den zentralen SBC gesteckt werden. Über Montageverschraubungen in den Ecken werden die Boards fixiert. Diese Lösung macht PC/104 nicht nur zu einem äußerst kompakten Formfaktor, sondern auch von Haus aus resistent gegen mechanische und thermische Belastungen. Der Original-PC/104-Standard basiert auf der PC-Industrial-Standard-Architektur (ISA). Im Lauf der Jahre hat sich PC/104 parallel zu der Einführung schnellerer Bussysteme stetig weiterentwickelt und neue PC-Technologien wie PCI und PCI-Express übernommen. Und das bei voller Rückwärtskompatibilität. So sind heute fünf Standards mit verschiedenen Kombinationen der Bussysteme verfügbar.

PC/104 Standards.Kontron

In der Pole-Position für SFF-Systemdesigns

Und genau dieses komfortable Stackable-Konzept mit validierten, langzeitverfügbaren COTS Building Blocks und die integrierte Flexibilität der unterschiedlichen Erweiterungsbusse machen PC/104 heutzutage attraktiver als je zuvor. Insbesondere da Markteinführungszeit und Entwicklungskosten entscheidende Kriterien für OEMs bei der Wahl eines Embedded-Formfaktors sind. Anwendungsfelder für PC/104 lassen sich in nahezu jedem vertikalen Marktsegment finden, inklusive derjenigen mit sehr hohen Anforderungen an Langzeitverfügbarkeit und Robustheit, wie beispielsweise Transport- und Verkehrswesen, die Automatisierung sowie der Verteidigungstechnik. Marktsegmente, die zudem auch nach langen Produktlebenszyklen und individuellen I/Os verlangen.

Was ist mit dem Legacy-Support?

PC/104 bietet somit gute Voraussetzungen für eine gute Zukunft im SFF-Trend und OEMs finden innerhalb dieses Embedded-Standards das komplette Spektrum an generischen PC-Bussystemen und I/O-Erweiterungsboards. Allerdings nur so lange es auch SBCs mit aktuellen Prozessoren und vollem ISA-Support gibt. Mit der Einführung neuer PC-Bussysteme wie PCI und PCI-Express, wurden jedoch zahlreiche Komponenten wie das BIOS ROM, die Realtime Clock sowie Interrupt- und DMA-Controller in die Chipsätze integriert. Auch machte Intel ab dem Controller-Hub ICH6 sogar die klassischen ISA-Speicherbereiche, die für Datenaustausch und Kommunikation zwischen CPU und ISA-Board benötigt werden, unzugängig für den Nutzer. Das macht ISA-Support auf heutigen Prozessoren und Chipsätzen zu einer echten Herausforderung.

ISA-Support – Nur volle Kompatibilität bringt Vorteile

Die Legacy-Interrupt-Belegung des Microspace MSM-eO(-N).Kontron

Dabei ist der Marktbedarf nach ISA immer noch immens im PC/104-Segment. Unabhängige Marktforschungsunternehmen gehen davon aus, dass mindestens 50 Prozent aller PC/104-Installationen entweder auf PC/104 (ISA) oder PC/104-Plus (ISA und PCI) basieren. Damit ist es Aufgabe der Board-Hersteller PC/104-Plus-SBCs zu entwickeln, die vollen Support für ISA und PCI bieten. Denn nur mit dieser vollen Kompatibilität sind sie als echtes „Drop-in-Replacement“ für alle ISA- und PCI-Erweiterungsboards zu nutzen und machen damit eine Hard- und Softwareumstellung für OEMs überflüssig.

Für einen vollen Hard- und Software-kompatiblen ISA-Support auf SBCs mit neuesten Prozessoren und Chipsätzen müssen Board-Hersteller hardwareseitig vier Voraussetzungen erfüllen. Dazu zählen ein ISA-kompatibles Interrupt-System, ISA-konforme I/O Ports und Speicherbereiche sowie frei definierbare DMA-Kanäle. Diese Hardware-Kompatibilität mit aktueller Prozessortechnologie zu erfüllen, ist allerdings nicht einfach. Da die typischen Low-Pin-Busse wie LPC und SPI nicht tauglich für vollen ISA-Hardware-Support sind, suchte Kontron nach einer Prozessor/Chipsatz-Kombination für volle ISA-Kompatibilität.

Eine Lösung, die sehr gute Voraussetzungen für die Kombination von ISA und neuester Prozessortechnologie bot, ist die AMD-Embedded-G-Series. Der Grund liegt in dem Controller-Hub AMD A55E, der volle PCI-Unterstützung integriert. Insbesondere die Möglichkeit den ISA- Speicherbereich auf den PCI-Bus abzubilden, ermöglichte Kontron den Einsatz einer PCI-auf-ISA-Bridge, die vollen Zugriff auf den Speicherbereich ermöglicht und damit Hardware-kompatiblen ISA-Support auf dem Kontron PC/104-Plus Single-Board-Computer MSM-eO(-N) einzudesignen. Eine geeignete PCI-zu-ISA-Bridge einzubinden, ist allerdings nur der erste Schritt in einem komplexen Prozess, der nicht nur tiefgehendes Hardware-Wissen voraussetzt, sondern auch nach einer umfassenden Software-Expertise verlangt, beispielsweise für den DMA-Zugriff.

ISA Interrupt-System

Als erstes gilt es, ein konfigurierbares Interrupt-System für eine ISA-kompatible Geräte-Verwaltung zu erstellen. Heutige PC-Systeme sind nicht mehr auf 16 Interrupts beschränkt und haben keine fixe Zuweisung der IRQs zu bestimmten Funktionen. Für ISA-basierte Applikationen muss die PIC-basierte Interrupt-Verwaltung wieder abgebildet werden, um den ISA-Boards eine kompatible Umgebung zu bieten. Um möglichst viele freie IRQs bereitzustellen, hat Kontron zudem die ISA-Interrupts frei gemacht, die auf nicht mehr benötigte Legacy-Geräte verweisen, wie zum Beispiel für Floppy und PS/2-Maus. Damit stehen diese IRQs nun Nutzern für andere Aufgaben zur Verfügung.

ISA I/O-Ports

Im zweiten Schritt galt es, die typischen ISA I/O für die Kommunikation zwischen ISA-Geräten und dem Prozessor bereitzustellen. Frühere ISA-Designs lösten lediglich die ersten 10 bit der Adresse auf. Das begrenzte die Zahl auf dem ISA-Bus auf 1024 I/O-Ports, was sie zu einer wertvollen Ressource machte. Moderne Systeme dekodieren die vollen 16 bit der Adresse. Sie weisen den unteren Bereich (0 bis FFFh) der internen Peripherie und/oder dem LPC-Bus zu. Der obere Bereich (1000h bis FFFFh) ist für PCI reserviert. Auf PCI-Systemen wird dieser obere Bereich für die Plug & Play-Konfiguration genutzt. In der Regel wird keiner dieser oberen Ports auf ISA geroutet. Auf dem Microspace MSM-eO(-N) werden alle ungenutzten PCI Cycles auf ISA abgebildet (siehe Bild 2) und stehen damit dem ISA-Bus zur Verfügung. Dadurch gewinnen OEMs zusätzliche wertvolle Ressourcen für ihre applikationsspezifischen I/O-Boards, was die ISA-Konfiguration vereinfacht.

ISA I/O-Port-Map des Microspace MSM-eO(-N).Kontron

ISA-Speicherbereiche

Die dritte Voraussetzung ist ein ISA-kompatibler 8 und 16 bit Speicherbereich, der für den Datenaustausch zwischen dem ISA-Board und der CPU benötigt wird. Auf dem Microspace MSM-eO(-N) wurde der Chipsatz so konfiguriert, dass der Adressbereich zwischen 640 kB und 1 MB (A0000 bis DFFFFh) zugängig ist. Das BIOS belegt die obersten 128 kB ab E0000h. Die On-board-Grafik (sofern vorhanden) beansprucht den Bereich von A0000 bis C7FFFh. Die unbenutzten Bereiche von A0000h bis DFFFFh überträgt das MSM-eO(-N) auf den ISA-Bus und überlässt dem User den Zugriff auf den Bereich von C8000h (A0000h für Board ohne Grafik) bis DFFFFh.

Die Speicherbelegung des Microspace MSM-eO(-N).Kontron

Die komplexeste Aufgabe bestand allerdings darin, den Direct Memory Access (DMA) für die Erweiterungsboards mit vollem 8 und 16 bit DMA-Support bereitzustellen. Dies erforderte eine individuelle Programmierung der Firmware. Da die im AMD-Controller-Hub A55E integrierten DMA-Controller keinen Zugriff auf die PCI-auf-ISA-Bridge ermöglichen, setzte Kontron auf eine dedizierte Hardware- und Firmware-Programmierung. Der Chipsatz des Microspace MSM-eO(-N) weist zwei 8237 DMA-Controller für eine volle PC/AT-Kompatibilität auf. Aber die DMA-Controller des Chipsatzes können keine Übertragungen zwischen dem PCI-Bus und dem Host-Bus initiieren. Daher integriert die ITE 8888 PCI-zu-ISA-Bridge zwei zusätzliche 8237 DMA-Controller. Ein Distributed DMA wurde implementiert, um die ISA-DMA-Controller und die Chipsatz-internen DMA-Controller simultan zu betreiben. Die DMA-Kanäle für den ISA-Bus werden im BIOS-Setup konfiguriert und das System allokiert den DMA-Kanal vom System-Controller auf den ITE8888 DMA-Controller.

Vergleich der ISA-Ressourcen zwischen dem ursprünglichen ISA-Bus und dem Kontron Microspace MSM-eO(-N). Die Werte IRQs, I/O-Ports, Speicherbereiche und DMA-Kanäle sind nahezu kongruent, sehr gute ISA-Kompatibilität gewährleistet.Kontron

PC/104: Die hohe Kunst der Flexibilität

Wenn es um die Integration neuester Prozessortechnologie in existierenden und neuen Applikationen geht, bietet PC/104 ein breites Angebot an aktuellen und Legacy-PC-Bussen. Mit dem PC/104-plus-Single-Board-Computer MSM-eO(-N) bietet Kontron neueste Prozessortechnologie für ein Upgrade von ISA- und PCI-basierten Designs. OEMs profitieren dadurch von einer höheren Investitionssicherheit ihrer bestehenden Designs. Damit ist PC/104 immer noch einer der besten Standards für die schnelle Entwicklung von langzeitverfügbaren und robusten SFF-Applikationen. OEMs erhalten bei PC/104 passende SBCs für ihre Legacy-Boards, oder sie können sich für ein neues Systemdesign entscheiden. Aber egal wofür sie sich heute entscheiden, die Entscheidung für PC/104, die sie in der Vergangenheit getroffen haben, bietet ihnen auch heute noch hohe Flexibilität auf COTS Level.

(ah)