La storia dei bus I/O industriali: S-100, ISA, PC104, VERSAbus e VMEbus

Introduzione

L’automazione di un sistema industriale si è evoluta parecchio ma il punto di forza è rimasto, per la maggior parte, basato su architetture PLC (Programmabile Logic Controller), usati principalmente in grossi impianti industriali.

I più noti produttori di componentistica elettrica ed elettronica hanno sviluppato linee di PLC sempre più potenti.

Ma usare un PLC in certe applicazioni di controllo, ove siano necessari i supporti per Interfaccia Operatore (HMI), connettività e – possibilmente – multiprocessing è spesso difficile se non impossibile.

Per cui si sono spesso utilizzati, e si usano tutt’ora, sistemi industriali di controllo basati su schede con diversi modi di interconnessione fra di loro.

Qui di seguito citiamo i più significativi.

Alle origini

Il primo sistema semi-industriale di interconnessione fu il bus “S-100”. Era un backplane passivo con connettori a 100pin e veniva impiegato per ospitare in uno slot una scheda CPU (generalmente basata sul microprocessore Motorola 68020) e, negli altri slot, le relative schede di espansione, con funzioni di I/O di vario tipo.

Era il lontano 1974.

Da lì si sono sviluppati sistemi di interconnessione (“bus”) di vario tipo. La filosofia è basata per lo più su un backplane con connettori che ospitano una scheda CPU (o anche più CPU) e diverse schede di I/O ed espansione di memoria.

A questo punto però occorre distinguere i due “mondi” usati per le applicazioni industriali: il “mondo basato su PC” e quello “basato su schede industriali con microprocessori/microcontrollori”.

Il Mondo PC

BUS ISA
Con l’impiego dei PC in ambiente industriale si è fatto largo uso di schede cosiddette “add-on” per gestire le funzioni di I/O verso il processo.

Il sistema di interconnessione era il ben noto “ISA” (“Industry Standard Architecture”), con performance molto limitata ma adeguata ai vecchi processori Intel di 30 anni e più fa.

“ISA” è un bus parallelo che supporta dati a 8/16bit.

BUS PC104
Quando si è voluto dare un fattore di forma più affidabile ed industriale al bus ISA, sono apparse schede di formato quadrato con connessioni a pin. Il formato PC104 permetteva (e tutt’ora permette) di creare “stack” di schede infilate l’una sull’altra, con il bus ISA in comune a tutte.

BUS PCI
Con l’evoluzione dei processori x86 il bus si è evoluto nel bus PCI. Sempre parallelo, è diventato molto popolare, e le schede add-on PCI sono tutt’ora molto diffuse. Il BUS PCI ha performance decisamente più elevate del vecchio ISA e permette flussi di dati a 32 bit.

BUS PC104+
Con l’avvento del bus PCI il formato di schede PC104 si è evoluto, aggiungendo un ulteriore connettore inseribile a stack. Le nuove schede hanno assunto il nome di “PC104+”.

PCI Express
Ora molti sistemi basati su architetture PC utilizzano il nuovo bus di interconnessione “PCI-Express (PCIE)” che consiste di varie linee seriali ad altissima velocità (da 1 a 16 linee, chiamate “lanes”). Se si ingegnerizza un PC, specie se di formato “boxato” per ospitare schede di I/O di vario tipo, è preferibile usare una espansione PCIE.

Il Mondo delle schede µC

Per avere una maggiore flessibilità di I/O e maggiore robustezza del sistema di controllo, sono sorti sistemi di interconnessione che hanno avuto molta popolarità.

VERSAbus

Il bus Versabus era un'architettura di bus di sistema utilizzata nei computer minicomputer della serie PDP-11 sviluppati da Digital Equipment Corporation (DEC) negli anni '70. Questo bus consentiva la comunicazione tra la CPU, la memoria e i vari dispositivi periferici all'interno del sistema, utilizzando una topologia asincrona per facilitare l'espansione modulare e l'integrazione di nuove schede di interfaccia.

L'architettura del Versabus supportava il trasferimento dati a 16 bit, con un set di segnali dedicati per la gestione dell'accesso alla memoria e il controllo delle interruzioni, permettendo una configurazione flessibile e l'interconnessione di componenti hardware eterogenei all'interno dello stesso sistema.

VMEbus

Il più famoso è senza dubbio il BUS VME (“Versa Module Eurocard”).

Originato dalla Motorola, è stato usato in ambienti industriali difficili, e anche in ambiente militare.

La scheda CPU sicuramente più nota e famosa era la “MVME162” (Motorola) che è tutt’ora molto ricercata come ricambistica in applicazioni strategiche: controllo di reattori in impianti chimici e petroliferi, laminatoi, applicazioni navali etc., dove è preferibile trovare anche a caro prezzo una scheda ricondizionata ma perfettamente funzionante, piuttosto che spendere cifre enormi per rifare tutto il sistema di controllo dell’impianto.

Che cosa offre CJB

CJB negli anni si è specializzata per supportare la ricambistica VME e la ricambistica di alcune schede funzionali con bus PCI e ISA e PC104(+).

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