Tema 1: Introducción a los computadores industriales.

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1 Tema 1: Introducción a los computadores industriales. INDICE: PCs industriales: características generales Dispositivos integrados en PCs industriales Inicialización del PC y ejecución de programas desde ROM Buses específicos para PCs industriales PCs Industriales: características generales VENTAJAS: Arquitectura PC a la vanguardia de los avances tecnológicos gran gama de posibilidades para sistemas empotrados Flexibilidad adaptación a multiples problemas La arquitectura basada en Intel x86 Estandarización Multitud de periféricos Altas prestaciones Componentes innovadores Arquitectura basada en buses menos coste en rediseño Plug and play Conectividad Controladores Entornos OO y facilidad para diseño de interfaces 1

2 PCs Industriales: características generales INCONVENIENTES: Necesidad de adaptación del software y hardware a la aplicación concreta Cambio en el BIOS para hardware específico. Mercado muy dinámico componentes nuevos cada 6 meses, cuando un equipo industrial debe tener un tiempo de vida entre 5 y 20 años. Elección de componentes de calidad sistemas criticos, de difícil acceso, parada de sistema imposible. PCs Industriales: características generales ASPECTOS CRÍTICOS A TENER EN CUENTA: Alta fiabilidad Sistemas críticos Difícil acceso Sustitución de componentes costosa Riesgo para la seguridad en situaciones de fallo Elección de los componentes teniendo en cuenta no solo el precio. Interferencias Electro-magnéticas Los controles EMI para PC no son tan rígidos como para adaptarse a todos los entornos médico Pueden verse afectado de EMI del entorno en el que se encuentran inmersos Adaptación de las emisiones propias y para soportar las del entorno 2

3 PCs Industriales: características generales Temperatura: PCs cuanto mas potentes más se calientan ventilación para refrigerar En sistemas empotrados puede no haber espacio para ventiladores uso de disipadores La temperatura máxima es un factor importante para el trabajo de algunos procesadores Elección del procesador como un compromiso entre prestaciones necesarias y de refrigeración Control de consumo En PCs aspecto limitado a sistemas portátiles Conceptos extrapolables a PCs industriales desconexión de sistemas que más consumen Diseño de controladores para pasar a modo ahorro de energía aseguramiento de disponibilidad de recursos cuando sean necesarios sin esperas ni fallos. PCs Industriales: características generales Características Mayor solidez mecánica y eléctrica Mayor modularidad (más tipos de tarjetas E/S, bastidores industriales, conectores etc.) Mayor capacidad para soportar software especifico (respuestas en tiempo real y preparados para respondes ante soluciones de tiempo crítico) Mejores protecciones ante ambientes hostiles con alto ruido electromagnético y condiciones ambientales duras (polvo, temperaturas extremas, variaciones de tensión bruscas y elevadas, etc.) Barato Creciente aceptación por la industrial. 3

4 PCs Industriales: características generales Tipos de PCs industriales: Estaciones de trabajo: basados en sistemas operativos específicos (UNIX) con alto nivel de procesamiento de datos y robustez Sistemas multiprocesador modulares: múltiples placas de control interconectadas por sistemas de bus de altas prestaciones. Sistemas basado en PC tradicionales con características industriales: PC proveniente del entorno de oficina adaptado al industrial; alternativa más económica para instalaciones con poco complejidad. PCs Industriales: características generales 4

5 Dispositivos integrados en PCs industriales Además de los elementos habituales en un PC (CPU, RAM, disco duro, puerto serie ) hay elementos destinados al uso industrial y sistemas de altas prestaciones: Buses de interconexión internos: Habituales: PCI, ISA Especiales: VME, Futurebus, SCSI, GPIB (IEEE 488) Específicos para PCs industriales (CompactPCI, PC/104) Elementos de comunicación externos Tarjetas de comunicación a nivel de campo Tarjetas de adquisición de datos (E/S digitales y analógicas) Comunicación serie (RS-232, RS-485, USB, FireWire) Comunicación Ethernet Sistemas redundantes de almacenamiento de datos Cajas de protección, teclados, y accesorios reforzados Sistemas de alimentación robustos Elementos de visualización: LCD, pantallas táctiles, etc. Dispositivos integrados en PCs industriales 5

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16 Inicialización del PC BIOS = Basic Input Output System (sistema básico de entrada/salida) Software especifico guardado en memoria no volátil no se pierde cuando se apaga el sistema, no depende del buen funcionamiento de disco. Permite el arranque del sistema sin necesidad de ningún recurso externo. Situado en la placa base Algunos fabricantes colocan el BIOS en RAM al inicializar el PC (Shadow BIOS) necesidad de realineamiento de los vectores de interupción. PnP (plug and play) Tecnología que permite conectar y asignar recursos sin conflictos automaticamente a los dispositivos conectaos al PC. Inicialización del PC El sistema BIOS de un PC estándar desempeña en realidad cuatro funciones independientes: Proceso de carga inicial del software. Programa de inventario y comprobación del hardware. Inicialización de determinados dispositivos hardware, carga de cierto software básico e inicio del Sistema Operativo. Servicios de soporte software para determinados dispositivos hardware del sistema. 16

17 Inicialización del PC La carga inicial del software Un hardware sin sistema operativo no es capaz de hacer nada útil Cómo se carga el software despues de conectarlo a suministro de enegía? Cuando se da tensión a la fuente de alimentación y desaparecen los transitorios se genera un señal llamada GOOD POWER El conjunto de chips que tiene la placa base recibe esa señal y general la señal de RESET al procesador evitamos que el procesador empiece trabajar prematuramente. Cuando arranca el procesador no tiene nada en la memoria ni en sus registros internos el sistema se dirige a un posición fija de la memoria FFFF0h. En esa dirección hay una instrucción de salto a lugar donde esta el programa de carga del sistema (bootstrap). Inicialización del PC Inventario de recursos y comprobación del hardware La primera parte del programa de la BIOS consiste en la comprobación del hardware, en caso de existir errores graves se detiene el sistema y emite una serie de pitidos que codifican el problema y eventualmente un mensaje en pantalla. El orden de comprobación es: Chequéo de registros del procesador Puesta a cero del temporizador 8253/8254 para refresco de RAM. Puesta a cero del acceso directo a memoria, DMA, para refresco de la RAM en el canal 0. Verificar que el refresco es operativo (los primeros PC's usaban RAM dinámica). Verificar la memoria RAM baja (0/16-64 KB). Cargar los vectores de interrupción y asignarles espacio en la zona de memoria baja. 17

18 Inicialización del PC Orden de comprobación (continuación): Inicializar los dispositivos de video y teclado. Determinar el tamaño de la RAM adicional y comprobar su funcionamiento (el recuento que se ve en pantalla). Si llegado a este punto existiera algún error en la memoria se mostraría un mensaje de error (el dispositivo de video ya está operativo). Inicializar los puertos COM (comunicaciones serie), LPT (comunicaciones paralelo) y de juegos Inicializar, en su caso, el sistema de disquete. Inicializar el sistema de disco. Explorar el área de usuario de la ROM. Llamar el interruptor de bootstrap. Inicialización del PC La comprobación del dispositivo de video incluye ejecutar un trozo de código almacenado en el propia tarjeta de video cuando se arranca un PC lo primero que aparece es la imformación del fabricante de la tarjeta de video. La etapa de POST se omite en el caso de un arranque en caliente (pulsación del botón de RESET) Tras la etapa de POST se recorre la memoria en busca de código almacenado en los dispositivos, necesario par la inicialización de los mismos tarjetas de red, dispositivos SCSI, discos duros Información de la BIOS Si la BIOS soporta PnP se asignan a los dispositivos encontrados los recursos que necesiten Finalmente se muestra en pantalla un resumen 18

19 Inicialización del PC Inicialización La tarea de POST prepara el hardware disponible. En la inicialización se cargan en RAM ciertas tablas y programas básicos para el manejo a bajo nivel de los dispositivos vectores de interrupciones Carga del sistema Búsqueda en disquetes, CD-ROM, disco duro, el orden puede ser configurable en la mayoría de la BIOS actuales. Si no encuentra aparece un mensaje de error en el pantalla. Inicialización del PC y ejecución de programas desde ROM El sistema básico de entrada/salidas Instrucciones básicas para acceder a los dispositivos de E/S teclados, pantalla, puertos serie, controladores de disco. (vectores de interrupción). Proporciona compatibilidad ofrece un interfaz comun y posibilita que un mismo software se ejecute en cualquier Pc con independencia de cómo este diseñado el hardware. El lema de los diseñadores de los PCs fue: deje que el BIOS lo haga, no se enrede con el control directo Cuando un programa necesita acceder a un dispositivo se lo pide en última instancia a la BIOS. 19

20 Ejecución de programas desde ROM Necesaria para evitar el uso de discos duros debido a: Presencia de vibraciones Limitaciones de espacio Limitaciones de consumo Aumento de la fiabilidad Usando la etapa de POST del arranque Cuando el BIOS busca programas en la ROM de los dispositivos, cargar en esa ROM el programa a ejecutar. La BIOS busca la secuencia 0x55 0xAA, si la encuentra ejecuta el código que venga a continuación Útil para sistema pequeño No hay posibilidad de uso de otros dispositivo ni de los servicios del BIOS, ni de uso de Sistemas Operativos. Ejecución de programas desde ROM Uso de FLASH ROM conectados a la controladora IDE Dispositivos que físicamente son una memoria ROM Interfaz con el sistema como si fueran un disco duro tiene tabla de particiones, sertor de arranque, y sistema de ficheros Se almacena en la FLASH ROM el sistema operativo y el programa a ejecutar y se usa normalmente. Evita el uso de disco duros, pero de forma transparente al sistema Posibilidad de uso de todos los dispositivos conectados y de los servicios del BIOS y del Sistema Operativo 20

21 Buses específicos para PCs industriales Compact PCI (Peripheral Component Internconnect) PCI adaptado para aplicaciones empotradas y/o industriales. Compatible eléctricamente con le PCI Componentes y tecnología estandarizadas en el mundo industrial Es una especificación abierta mantenida por la PCIMG (PCI Industrial Computer Manufaturers Group) asociación de fabricantes de equipos para aplicaciones industriales (creada en 1994). Diseñado bajo el concepto de Backplane pasivo. Buses específicos para PCs industriales Tarjetas basadas en el estándar eurocard con dos tamaños, el 3U compatible con PCI 64 bits y 6U para cuando se necesitan tamaños mayores. Contiene líneas dedicadas para alimentación, reloj, tierra además de todas la propias de PCI 64 bits. Conectores basados en pin/socket, Conectores robustos permiten una fijación fuerte al backplane, adecuados para situaciones donde existen vibraciones 21

22 Buses específicos para PCs industriales Conexión vertical de las tarjetas facilitando el flujo de aire para la refrigeración del sistema El sistema de backplane permite el reseteo, la sincronización y el arbitraje de todas la tarjetas conectadas. Totalmente compatible con el PCI desarrollado por Intel 256 registros de configuración, PnP, transparencia de dispositivos. Funcionalidad hot swap desconexión de una tarjeta sin necesidad de detener el sistema util en sistemas criticos. Especialmente diseñada para sistemas en tiempo real. Compact PCI a la vanguardia de los avances tecnológicos en capacidad, rendimiento y fiabilidad de los dispositivos. Buses específicos para PCs industriales PC 104 El tamaño de los componentes basados en arquitectura PC limita su uso en sistemas empotrados. PC 104 son unas especificaciones de BUS basados en ISA y adaptados a las necesidades de los sistemas empotrados. El PC 104 se adapta a las necesidades de los sistemas empotrados gracias a: Reducción del tamaño de las placas (90 by 96 mm) Eliminación de los backplanes, sustituidos por un bus autoapilable. Minimizando el número de componentes, el consumo de energía (1-2 Wats por modulo). 22

23 Buses específicos para PCs industriales Dos especificaciones uno de 8 bits y otros de 16 que corresponden con la tecnología PC y PC/AT. Coda uno con la posibilidad de uso de dos tipos de conectores, con 64 pines o dos el de 64 y uno de expansión de 40. Posibilidad de combinación de placas con los dos tipos de conectores los de deben esta en la base de la pila. Buses específicos para PCs industriales Incluye líneas dedicadas para relojes, alimentación, control del bus e interrupciones. Especificaciones eléctricas que fijan el consumo máximo de cada placa El consumo total es la sumo de los consumos de todas la placas. 23

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