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Die
Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung zur Erweiterung eines
PCI-Bussystems einer aus gestapelt angeordneten Leiterplatten gebildeten
Computereinrichtung, mit einer ersten und einer zweiten Leiterplatte,
die jeweils einen PCI-Steckverbinder
und ein Kontaktfeld, insbesondere einen Steckverbinder, aufweisen,
wobei die Kontaktfelder beim Stapeln der Leiterplatten miteinander
in elektrisch leitenden Kontakt treten sowie eine Computereinrichtung
aus gestapelten Leiterplatten.
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Für industrielle
Anwendungen, insbesondere im Bereich der Messtechnik und der Automatisierungstechnik,
werden speziell angepasste Computereinrichtungen eingesetzt, die
auch als Embedded-PCs bezeichnet werden. Derartige Embedded-PCs
sollen im Hinblick auf ihre Einsatzgebiete eine hohe Flexibilität aufweisen
und sind daher häufig
als Anordnung von gestapelt angeordneten Leiterplatten aufgebaut.
Dabei wird beispielsweise die Hauptplatine (Motherboard) des Embedded-PCs
als Stapelbasis eingesetzt, auf die eine oder mehrere auf die spezifischen
Applikationen eingerichtete Anwendungsplatinen aufgestapelt werden.
Alternativ kann die Hauptplatine auch auf einen Stapel von Anwendungsplatinen
aufgesetzt werden.
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Um
eine Kommunikation zwischen der Hauptplatine und den Anwendungsplatinen
zu ermöglichen,
werden ein oder mehrere Bussysteme eingesetzt. Diese ermöglichen
einen Datenaustausch zwischen der Hauptplatine und den Anwendungsplatinen.
Um eine Austauschbarkeit der für
die unterschiedlichen Anwendungen eingerichteten Anwendungsplatinen
zu gewährleisten,
werden diese üblicherweise
gemäß einem
vorgegebenen Standard ausgelegt. Der Standard legt insbesondere
die mechanischen Abmessungen der Leiterplatten und die Anordnung
und Auswahl des oder der Bussysteme fest. Übliche Standards für Embedded-PCs
sind beispielsweise der PC/104-Plus-Standard, der PCI/104-Standard, der PCIe/104-Standard
und der PCI/104-Express-Standard.
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Beim
PC/104-Plus-Standard sind sowohl ein ISA-Bus (Industry Standard
Architecture Bus) als auch ein PCI-Bus (Peripheral Component Interconnect
Bus) für
den Datenaustausch zwischen den Anwendungsplatinen und der Hauptplatine
des Embedded-PCs vorgesehen. Beim PCI/104-Standard kommt nur ein
PCI-Bus zum Einsatz, ein ISA-Bus ist nicht vorgesehen. Der PCIe/104-Standard umfasst einen
PCI-Bus und einen PCI-Express-Bus. Beim PCI/104-Express-Standard
kommt eine mit höherer Datenrate
kommunizierende Busarchitektur zum Einsatz. Sämtliche der vorgenannten Standards
basieren auf einer einheitlichen Leiterplattengröße sowohl für die Hauptplatine als auch
für die
darauf aufzustapelnden Anwendungsplatinen.
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Bedingt
durch die Stapelanordnung der Leiterplatten, die Verwendung von
standardisierten Steckverbindern und die begrenzte Zahl von zur
Verfügung
stehenden Verbindungskontakten der Steckverbinder können z.
B. bei Computereinrichtungen, die aus gestapelten Leiterplatten
nach einem der Standards PC/104-Plus,
PCI/104 oder PCI/104-Express aufgebaut sind, über einen PCI-Bus maximal vier
diskrete Busteilnehmer adressiert werden.
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Aus
der
DE 101 10 587
A1 ist eine Anordnung von aufeinander gestapelten Leiterplatten
bekannt, wobei eine Kommunikation zwischen den einzelnen Leiterplatten
mittels verschiedener Bussysteme vorgesehen ist. Insbesondere wird
die Verknüpfung
von hierarchisch untereinander angeordneten Bussystemen (PCI-Bus/ISA-Bus/Peripheriebus
bzw. Front-Side-Bus/X-Bus/Peripheriebus) offenbart. Die für die elektrischen
Verbindung der Leiterplatten vorgesehenen Steckverbinder sind jeweils
paarweise beidseitig an entgegengesetzten Leiterplattenoberflächen randseitig
angeordnet und können
mit Steckverbindern benachbarter Leiterplatten in zwei voneinander
beabstandeten Reihen aufgereiht werden.
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Aus
der
DE 101 29 361
A1 ist eine universale Buskoppeleinrichtung bekannt, die
einen Mikroprozessor und eine Speichereinrichtung umfasst, um Bussignale
eines ersten Bussystems an einem entsprechenden Steckverbinder als
Bussignale wenigstens eines weiteren Bussystems zur Verfügung zu stellen.
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Die
GB 2 296 999 A offenbart
spezielle Verbindungselemente zur elektrischen Kopplung einer Basisplatine
mit mehreren Tochterplatinen. Diese Verbindungselemente weisen eine
extrem große
Anzahl an Kontakten auf, die jeweils teilweise für eine Kommunikation mit einer
vorhergehenden Tochterplatine oder für eine Kommunikation mit einer
nachfolgenden Tochterplatine ausgebildet sind.
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Aus
der
DE 199 30 421
B4 ist eine PCI-Buserweiterungseinrichtung bekannt, mit
deren Hilfe ein auf einer Hauptplatine eines Computersystems angeordneter
PCI-Bussteckplatz um mehrere zusätzliche
PCI-Bussteckplätze
erweitert werden kann. Hierzu ist eine Erweiterungsplatine vorgesehen,
die senkrecht zur Hauptplatine in den PCI-Steckverbinder eingesteckt
wird. Die Erweiterungsplatine trägt mehrere
PCI-Steckplätze,
die mit Hilfe einer geeigneten Buskoppeleinrichtung dem sekundären PCI-Bussystem
zugeordnet sind. Die Busteilnehmer für den sekundären PCI-Bus
werden ihrerseits senkrecht zur Erweiterungsplatine eingesteckt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Leiterplattenanordnung
sowie eine Computereinrichtung zu schaffen, die bei einfacher Anpassung der
Stapelrichtung eine Kommunikation einer erweiterten Busteilnehmerzahl
mit einer Hauptplatine eines Embedded-PCs ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird für
eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei
ist vorgesehen, dass auf einer der Leiterplatten ein Buskoppler
angeordnet ist, der für
eine Bereitstellung eines sekundären
PCI-Bussystems und für
eine Kopplung des sekundären
PCI-Bussystems mit dem von der Computereinrichtung bereitgestellten PCI-Bussystem,
das ein primäres
PCI-Bussystem bildet, eingerichtet ist, wobei das Kontaktfeld versetzt zu
Kontaktflächen
für die
PCI-Steckverbindungen
auf der Leiterplatte angeordnet ist.
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Eine
der Leiterplatten ist mit einem PCI-Stecker versehen, die andere
Leiterplatte weist eine PCI-Buchse auf, womit die Leiterplattenanordnung
in einen über
PCI-Steckverbinder gekoppelten Leiterplattenstapel eingeschleift
werden kann. Bei den PCI-Steckverbindern handelt es sich vorzugsweise um
die in Embedded-PCs üblichen
PCI-Steckverbinder.
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Die
elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterplatten wird durch
die Kontaktfelder gewährleistet,
die an gegenüberliegenden
Oberflächen der
elektrisch miteinander zu verbindenden ersten und zweiten Leiterplatte
vorgesehen sind und die beim Stapeln der Leiterplatten miteinander
in elektrisch leitenden Kontakt treten. Mittels der Kontaktfelder
wird eine unmittelbare Signalübertragung
zwischen den beiden gegenüberliegenden
Leiterplatten, vorzugsweise ohne die Zwischenschaltung von Kabelverbindungen,
ermöglicht.
Das heißt,
dass der Weg, den die elektrischen Signale zwischen den beiden Leiterplatten
zurücklegen
müssen,
durch die korrespondierend ausgebildeten Kontaktfelder bestimmt wird
und gleich groß wie
oder nur geringfügig
größer als
der Abstand der einander gegenüberliegenden Oberflächen der
Leiterplatten ist. Vorteilhaft ist, dass der elektrische Kontakt
zwischen den Kontaktfeldern zwangsläufig beim Stapeln der Leiterplatten
hergestellt wird, so dass für
die elektrische Kopplung der Leiterplatten keine weiteren Maßnahmen
mehr erforderlich sind.
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Als
Kontaktfelder können
beispielsweise an einer Leiterplatte federelastische Elemente angebracht
sein, die in der gestapelten Anordnung der Leiterplatten an der
gegenüberliegenden
Leiterplatte auf elektrisch leitenden Flächen aufliegen.
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Als
korrespondierende Steckverbinder ausgeführte Kontaktfelder ermöglichen
eine zuverlässige
lösbare
elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten. Dadurch können die
Leiterplatten unabhängig
voneinander hergestellt werden und ein Austausch einzelner Leiterplatten
innerhalb der Leiterplattenanordnung ist leicht vorzunehmen. Eine Steckverbindung
ermöglicht
zudem eine stabile mechanische Kopplung der Leiterplatten.
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Bei
einer aus gestapelt angeordneten Leiterplatten gebildeten Computereinrichtung
sind die PCI-Steckverbindungen für
die jeweiligen PCI-Bussysteme in einer Linie angeordnet. Das heißt, dass die
PCI-Steckverbindung einer nachfolgenden Leiterplatte an der gleichen
Stelle wie die PCI-Steckverbindung einer vorausgehenden Leiterplatte
angeordnet ist. Um in einfacher Weise eine Entkopplung des sekundären PCI-Bussystems vom
primären
PCI-Bussystem zu erreichen, sind die für die elektrische Verbindung
zwischen den Leiterplatten der Leiterplattenanordnung vorgesehenen
Kontaktfelder erfindungsgemäß abseits
der in Linie angeordneten PCI-Steckverbinder vorgesehen, wodurch
die gewünschte
Entkopplung ohne großen
Layout-Aufwand auf
den Leiterplatten erreicht werden kann.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Leiterplatteneinrichtung
kann ein Embedded-PC auch bei mehr als vier Busteilnehmern für den PCI-Bus
als einheitlicher und kompakter Leiterplattenstapel angeordnet werden.
Die für
die Erweiterung des PCI-Bussystems vorgesehene Leiterplattenanordnung
lässt sich
bezüglich
der Stapelanordnung unterbrechungsfrei an geeigneter Stelle zwischen
die Hauptplatine und die damit zu koppelnden Applikationsplatinen einreihen.
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Der
als elektronisches Bauelement oder als Gruppe von elektronischen
Bauelementen ausgeführte
Buskoppler hat die Aufgabe, die über
das primäre
PCI-Bussystem bereitgestellten Befehle an das sekundäre PCI-Bussystem
weiterzuleiten und die Busteilnehmer des sekundären PCI-Bussystems zu koordinieren.
Der Buskoppler leitet auch die von den Busteilnehmern des sekundären PCI-Bussystems bereitgestellten
Signale an das primäre
PCI-Bussystem weiter.
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Der
Buskoppler ermöglicht
somit eine Kommunikation zwischen den unabhängig voneinander arbeitenden
primären
und sekundären
PCI-Bussystemen. Dabei stellt er sich sowohl für das primäre PCI-Bussystem als auch für das sekundäre PCI-Bussystem
als normaler Busteilnehmer dar. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
dient der Buskoppler zusätzlich
noch als Arbiter, der Zugriffskollisionen zwischen den einzelnen
Busteilnehmern des sekundären
PCI-Bussystems verhindert. Alternativ kann die Funktion des Arbiters
von einem diskreten elektronischen Bauteil oder einer Bauteilgruppe
ausgeführt
werden. Mit Hilfe von derartigen Leiterplattenanordnungen kann eine
baumartige Struktur von PCI-Busteilnehmern aufgebaut werden, bei
der auf jeder Bussystem-Ebene beispielsweise eine Vervierfachung
der Busteilnehmeranzahl erreichbar ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste
und/oder die zweite Leiterplatte jeweils beidseitig für eine positionsgleiche Anbringung
der PCI-Steckverbindung eingerichtet sind. Die für die elektrische Verbindung
mit den primären
und sekundären
PCI-Bussystemen vorgesehenen PCI-Steckverbinder
können
somit je nach Aufbauweise der Computereinrichtung wahlweise an den
Oberseiten oder den Unterseiten der jeweiligen Leiterplatten angebracht
werden. Die PCI-Steckverbinder
sind unabhängig
von der Wahl der Seite der Leiterplatte jeweils an der gleichen
Position angebracht. Wenn die größten Oberflächen der
Leiterplatte als Projektionsebenen für die beidseitig positionsgleich
anbringbaren PCI-Steckverbinder
angesehen werden, so sind die Projektionen der PCI-Steckverbinder
unabhängig
von der Wahl der Bestückungsseite
auf der Leiterplatte deckungsgleich. Durch die positionsgleiche
Anbringung wird eine unproblematische Integration der Leiterplatten
in einen Leiterplattenstapel mit in einer Linie angeordneten PCI-Steckverbindern
gewährleistet.
Bei einer Ausführung
der PCI-Steckverbinder als bedrahtete Bauelemente, deren Anschlussdrähte durch
Durchkontaktierungen in den Leiterplatten geführt werden, ist eine wahlweise und
positionsgleiche Anbringung der PCI-Steckverbindung auf der Oberseite
oder der Unterseite der Leiterplatte ohne weiteres möglich. Dabei
werden die Kontaktdrähte
der PCI-Steckverbinder
entweder von der Oberseite oder von der Unterseite der Leiterplatte in
die Durchkontaktierungen eingesteckt.
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Bei
einer Ausführung
eines PCI-Steckverbinders als oberflächenmontierbares SMD-Bauteil
(surface mount device) sind sowohl auf der Oberseite als auch auf
der Unterseite der Leiterplatte an der gleichen Position entsprechende
Kontaktflächen
zum Auflöten
des SMD-PCI-Steckverbinders vorzusehen. Sowohl beim Einsatz bedrahteter
PCI-Steckverbinder als auch beim Einsatz von oberflächenmontierbaren
PCI-Steckverbindern kann durch die positionsgleiche Anbringung auf
jeweils einer der beiden Seiten der jeweiligen Leiterplatte eine
einfache Anpassung auf in unterschiedlichen Stapelrichtungen aufgebaute
Computereinrichtungen ohne eine Änderung
des Layouts der Leiterplatten erreicht werden. Die Anpassung an
die jeweilige Stapelrichtung ist somit nur eine Bestückungsvariante
im Hinblick auf die Bestückung
der Steckverbinder.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste
und/oder die zweite Leiterplatte jeweils beidseitig, insbesondere
positionsgleich, für
die Anbringung eines Kontaktfelds eingerichtet sind. Üblicherweise
wird das Kontaktfeld auf derjenigen Oberfläche der Leiterplatte angeord net, die
nicht mit der PCI-Steckverbindung ausgerüstet ist. Die erste und die
zweite Leiterplatte können
dadurch wahlweise abhängig
von der Anordnung der PCI-Steckverbinder, die an einander entgegengesetzten
Oberflächen
der Leiterplatten anzubringen sind, an den einander zugewandten
Oberflächen
der Leiterplatten mit den korrespondierenden Kontaktfeldern zur
elektrischen Verbindung der Leiterplatten ausgerüstet werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste
und/oder die zweite Leiterplatte mit einer ISA-Busschnittstelle versehen sind. Eine
Computereinrichtung, die neben einem PCI-Bussystem auch ein ISA-Bussystem
aufweist und aus gestapelt angeordneten Leiterplatten gebildet ist,
wird auch als PC/104-Plus-Embedded-PC bezeichnet. Da bei der ISA-Busschnittstelle
eine Adressierung der einzelnen Leiterplatten hardwareseitig auf
der Leiterplatte erfolgt, ist im Gegensatz zum PCI-Bussystem auch
bei mehr als vier Busteilnehmern keine Auftrennung in mehrere Bussysteme
erforderlich.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste
und/oder die zweite Leiterplatte mit, insbesondere vom Buskoppler
ansteuerbaren, Schnittstellenkontakten versehen sind, die für eine Bereitstellung
von Daten zur Datenübertragung über ein
weiteres Busprotokoll oder zur Anbringung einer Schnittstelleneinrichtung
für das
weitere Busprotokoll eingerichtet sind. Die zusätzlichen Schnittstellenkontakte
erlauben beispielsweise eine Kommunikation des Embedded-PCs mit
Peripheriegeräten,
die nicht unmittelbar über
einen ISA- oder PCI-Bus angesteuert werden können. Typische Vertreter derartiger
Geräte
sind beispielsweise Drucker. Der Datenaustausch mit derartigen Peripheriegeräten wird
erfindungsgemäß über das
primäre
oder das sekundäre
PCI-Bussystem und die zugeordneten Schnittstellenkontakte vorgenommen.
Eine Ansteuerung der Schnittstellenkontakte kann insbesondere mit
Hilfe des zugeordneten Buskopplers erfolgen. Die zusätzlich vorgesehenen
Schnittstellenkontakte ermöglichen
somit eine verbesserte Raumausnutzung für die Leiterplattenanordnung
und für
die aus gestapelt angeordneten Leiterplatten gebildete Computereinrichtung.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schnittstellenkontakte
dem sekundären
PCI-Bussystem zugeordnet sind. Die Anzahl der zur Ansteuerung der
einzelnen Busteilnehmer im Rahmen des PCI-Bussystems zur Verfügung stehenden
Auswahlsignalgruppen ist bei einer aus gestapelt angeordneten Leiterplatten
gebildeten Computereinrichtung üblicherweise
auf vier begrenzt. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Schnittstellenkontakte
nicht über
eine diskrete Auswahlsignalgruppe des PCI-Bussystems angesprochen
werden müssen,
sondern bevorzugt direkt mit dem Buskoppler verbunden sind. Somit
können
die Schnittstellenkontakte direkt und ohne Vorliegen einer über das PCI-Bussystem
zu übertragenden
Auswahlsignalgruppe vom Buskoppler angesteuert werden. Die erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung
tritt gegenüber
dem primären
PCI-Bussystem als einzelner Busteilnehmer auf, der lediglich eine
einzige Auswahlsignalgruppe zur Ansteuerung benötigt. Im sekundären PCI-Bussystem
stehen durch die vorzugsweise vorgesehene direkte Kopplung der Schnittstellenkontakte mit
dem Buskoppler trotzdem die vier Auswahlsignalgruppen zur individuellen
Ansteuerung von vier weiteren Busteilnehmern zur Verfügung.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schnittstellenkontakte
und der Buskoppler auf unterschiedlichen Leiterplatten angeordnet
sind. Dadurch kann eine vorteilhafte Raumausnutzung durch eine gleichmäßige Verteilung
der für
die Schnittstellenkontakte und für
den Buskoppler notwendigen Bauteile auf den Leiterplatten erreicht werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schnittstellenkontakte
auf der Leiterplatte angeordnet sind, die mit dem PCI-Steckverbinder
für das
sekundäre
PCI-Bussystem versehen
ist. Dies ermöglicht
eine zusätzliche
Nutzung der entsprechenden Leiterplatte als Schnittstellenleiterplatte
ohne eine Verbindung zu der Leiterplatte, die mit dem Buskoppler
ausgerüstet
ist und somit eine Doppelnutzung dieser Leiterplatte.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf wenigstens
einer der Leiterplatten wenigstens ein programmierbarer Baustein zur
Ansteuerung der Schnittstellenkontakte angeordnet ist. Dieser programmierbare
Baustein, der insbesondere als FPGA (Field Programmable Gate Array) oder
als CPLD (Complex Programmable Logic Device) ausgeführt sein
kann, ermöglicht
die gewünschte
Doppelnutzung der entsprechenden Leiterplatte entweder in der erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung
oder als diskrete Schnittstellenplatine in einem PCI-Bussystem.
Je nach Anwendungsfall kann der Programmierbaustein mit einer entsprechenden Software
ausgestattet werden, die entweder eine vom Buskoppler abhängige oder
unabhängige
Datenübertragung
zwischen den Schnittstellenkontakten und dem PCI-Bussystem ermöglicht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schnittstellenkontakte
mit einer Schnittstelleneinrichtung, vorzugsweise einer USB-Schnittstelle,
insbesondere einer USB-B-Schnittstelle gekoppelt sind. Dadurch wird
ein Anschließen
einer Vielzahl unterschiedlicher Peripheriegeräte an die aus gestapelten Leiterplatten
gebildete Computereinrichtung ermöglicht. Die USB-Schnittstelle
kann vorzugsweise als USB-A-, USB-B- oder Mikro-USB-Schnittstelle
ausgebildet werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der
ersten und/oder der zweiten Leiterplatte wenigstens eine Zusatzfunktion
vorgesehen ist, die vom Buskoppler oder von einem programmierbaren
Baustein ansteuerbar ist. Dadurch wird eine weitere Verbesserung
der Raumausnutzung in der erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung
erreicht. Bei der Zusatzfunktion kann es sich beispielsweise um
eine zusätzliche
Schnittstelleneinrichtung handeln, die eine Kommunikation mit Peripheriegeräten über ein
weiteres, von ISA und PCI unterschiedliches Busprotokoll ermöglicht.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das PCI-Bussystem
als PCI-Express-Bussystem eingerichtet ist. Das PCI-Express-Bussystem
ermöglicht
im Vergleich mit dem PCI-Bussystem die Übertragung erheblich höherer Datenraten.
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Für eine Computereinrichtung
wird die Aufgabe der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs
15 gelöst.
Die nach einem der Standards PC/104-Plus, PCI/104, PCIe/104 oder
PCI/104-Express
gebildete Computereinrichtung kann durch Verwendung wenigstens einer
erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung
eine deutlich größere Anzahl von
Busteilnehmern ansprechen und von diesen bereitgestellte Daten verarbeiten.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
die an Hand der Zeichnung dargestellt sind. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer aus gestapelt angeordneten Leiterplatten
aufgebauten Computereinrichtung mit einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Erweiterungsmoduls,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Erweiterungsmoduls,
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3 eine
detaillierte Darstellung des Erweiterungsmoduls gemäß 1,
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4 eine
abgewandelte Ausführungsform des
Erweiterungsmoduls gemäß 3,
und
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5 eine
schematische Darstellung von auf dem Erweiterungsmodul gemäß 3 angeordneten
logischen Einheiten.
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Bei
der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden bei den unterschiedlichen
Ausführungsformen
für identische
bzw. funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Ein
in der 1 dargestellter Embedded-PC 10 umfasst
eine Hauptplatine 12, die mit nicht näher bezeichneten elektronischen
Bauelementen zur Bereitstellung der Grundfunktionen des Embedded-PCs 10 ausgestattet
ist. Der Embedded-PC 10 ist nach dem Standard PC/104-Plus
aufgebaut, bei dem eine Datenübertragung
sowohl über
ein PCI-Bussystem als auch über
ein ISA-Bussystem
vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist die Hauptplatine 12 mit
einem PCI-Stecker 14 und einem ISA-Stecker 16 versehen, die
zur Datenübertragung
an Applikationsplatinen 18, 20, 22, dienen.
Diese sind mit nicht näher
dargestellten Bauelementen für
Messzwecke oder zur Ansteuerung von nicht dargestellten Maschinenkomponenten
ausgerüstet.
Aufgrund der Randbedingungen des Standards PCI/104-Plus können über das
PCI-Bussystem insgesamt vier Busteilnehmer individuell adressiert
werden.
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Der
zuunterst angeordneten Applikationsplatine 22 ist ein Erweiterungsmodul 24 zugeordnet,
das eine Ankopplung zusätzlicher
PCI-Busteilnehmer an den von der Hauptplatine 12 bereitgestellten
primären
PCI-Bus ermöglicht.
Das Erweiterungsmodul 24 umfasst zwei Erweiterungsplatinen 26, 28,
die für eine
Umsetzung des von der Hauptplatine 12 über den PCI-Stecker 14 bereitgestellten
primären PCI-Bussystems
auf ein sekundäres,
vom Erweiterungsmodul 24 bereitgestelltes PCI-Bussystem
eingerichtet sind. Mit Hilfe des Erweiterungsmoduls 24 kann
die Anzahl der in einer Reihe gestapelt angeordneten Applikationsplatinen 18, 20, 22, 30,
die über das
primäre
PCI-Bussystem mit
der Hauptplatine 12 des Embedded-PCs 10 kommunizieren,
von vier auf sieben erweitert werden. Dazu wird zwischen die dritte
Applikationsplatine 22 und eine vierte Applikationsplatine 30 entsprechend
der Darstellung der 1 das zur Erweiterung des PCI-Bussystems
vorgesehene, aus den beiden Erweiterungsplatinen 26, 28 gebildete
Erweiterungsmodul 24 eingebaut und elektrisch eingeschleift,
das für
sich gesehen ebenfalls einen PCI-Busteilnehmer für den primären PCI-Bus darstellt. Sofern
die Applikationsplatinen 18, 20, 22, 30 und/oder
die Erweiterungsplatinen 26, 28 mit zusätzlichen
Schnittstellen versehen sind, kann durch Nutzung dieser Schnittstellen
die Zahl der Busteilnehmer weiter erhöht werden.
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Die
Applikationsplatine 30 ist Busteilnehmer in dem vom Erweiterungsmodul 24 bereitgestellten sekundären PCI-Bussystem
und kann über
das Erweiterungsmodul 24 mit dem von der Hauptplatine 12 des
Embedded-PCs 10 bereitgestellten primären PCI-Bussystem kommunizieren. An der Unterseite der
Applikationsplatine 30 können weitere, nicht dargestellte
Applikationsplatinen und/oder zusätzliche Erweiterungsmodule
angekoppelt werden.
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Bei
der in der 1 dargestellten ersten Ausführungsform
des Erweiterungsmoduls 24 sind die Erweiterungsplatinen 26, 28 und
die Applikationsplatinen 18, 20, 22, 30 auf
der Oberseite mit einer ISA-Buchse 32 und auf der Unterseite
mit ei nem ISA-Stecker 34 versehen. Die ISA-Buchsen 32 und ISA-Stecker 34 sind
an den Applikationsplatinen 18, 20, 22, 30 sowie
an den Erweiterungsplatinen 26, 28 in einer durchgehenden
Linie korrespondierend zum ISA-Stecker 16 auf der Hauptplatine 12 angeordnet.
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Auf
der Oberseite der Erweiterungsplatine 26 ist eine PCI-Buchse 36 angeordnet,
die für
eine Verbindung des Erweiterungsmoduls 24 mit dem am PCI-Stecker 14 auf
der Hauptplatine 12 des Embedded-PCs 10 bereitgestellten
primären
PCI-Bussystem eingerichtet
ist.
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An
der Unterseite der Erweiterungsplatine 26 ist ein Steckverbinder 38 angebracht,
der versetzt gegenüber
der PCI-Buchse 36 angeordnet
ist und der zur internen Datenübertragung
von der Erweiterungsplatine 26 auf die Erweiterungsplatine 28 vorgesehen
ist. Zu diesem Zweck ist an der Oberseite der Erweiterungsplatine 28 ein
korrespondierender Steckverbinder 40 angeordnet. An der
Unterseite der Erweiterungsplatine 28 ist ein PCI-Stecker 42 angebracht,
an dem der vom Erweiterungsmodul 24 bereitgestellte sekundäre PCI-Bus
bereitgestellt wird und von dort auf die Applikationsplatine 30 übertragen
werden kann.
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Sämtliche
der bei der Ausführungsform
gemäß 1 vorgesehenen
PCI-Stecker 14, 42; PCI-Buchsen 36; Steckverbinder 38, 40 sowie ISA-Buchsen 32 und
ISA-Stecker 34 sind als bedrahtete Bauelemente ausgeführt, deren
Kontaktdrähte durch
entsprechende Bohrungen in den Platinen 18, 20, 22, 26, 28, 30 geführt sind.
Dadurch kann eine positionsgleiche Bestückung der jeweiligen Steckverbinder
wahlweise auf der Oberseite oder auf der Unterseite der jeweiligen
Platinen erfolgen, ohne dass dafür
besondere Maßnahmen,
insbesondere für
das Layout der Leiterplatten 18, 20, 22, 26, 28, 30 getroffen
werden müssen.
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Um
in einfacher Weise eine mechanische und elektrische Auftrennung
zwischen dem am PCI-Stecker 14 von der Hauptplatine 12 bereitgestellten
primären
PCI-Bussystem und dem für
die Ansteuerung zusätzlicher
Busteilnehmer von dem Erweiterungsmodul 24 bereitgestellten
sekundären PCI-Bussystem
zu erreichen, sind die Steckverbinder 38, 40 versetzt
zu den PCI-Buchsen 36 und
den PCI-Steckern 42 der Applikationsplatinen 18, 20, 22, 30 angeordnet.
Dadurch ist es möglich,
eine oder mehrere Applikationsplatinen 18, 20, 22, 30 oder
ein zusätzliches
Erweiterungsmodul 24 an das sekundäre PCI-Bussystem anzuschließen, ohne
dass hierzu technische Änderungen
an den Applikationsplatinen 18, 20, 22, 30 erforderlich
wären.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform eines Erweiterungsmoduls 124 sind
für die
interne Datenübertragung
zwischen den Erweiterungsplatinen 26 und 28 kompakt
ausgeführte,
oberflächenmontierte
Steckverbinder (SMD-Steckverbinder) 138, 140 vorgesehen.
Diese ermöglichen
eine besonders enge Anordnung der beiden Erweiterungsplatinen 26, 28.
Der an der Unterseite der ersten Erweiterungsplatine 26 angebrachte
ISA-Stecker 134 weist
verlängerte
Kontaktdrähte
auf, die durch entsprechende Bohrungen in der zweiten Erweiterungsplatine 28 geführt sind
und direkt in die ISA-Buchse einer nicht dargestellten Applikationsplatine
gesteckt werden können.
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Die 3 zeigt
eine detaillierte Darstellung der Ausführungsform des Erweiterungsmoduls 24 gemäß der 1,
bei der einige wesentliche elektronische Bauelemente eingezeichnet
sind, während weniger
wichtige Bauelemente aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt sind.
Auf einer Oberseite der Erweiterungsplatine 26 des Erweiterungsmoduls 24,
die in der Anordnung gemäß 1 der
Hauptplatine 12 zugewandt ist, ist ein schematisch dargestellter
integrierter Schaltkreis angeordnet, der den Buskoppler 44 bildet.
Der Buskoppler 44 gewährleistet die
elektronische Umsetzung des über
die PCI-Buchse 36 eingeschleiften
primären
PCI-Bussystems auf das am PCI-Stecker 42 bereitzustellende
sekundäre PCI-Bussystem.
Weiterhin kommt dem Buskoppler 44 die Aufgabe zu, die auf
der zweiten Erweiterungsplatine 28 angeordneten Eingangs-Ausgangs-Schnittstellenkontakte 46 anzusteuern.
Die Schnittstellenkontakte 46 können beispielsweise mit einem
aufsteckbaren USB-Schnittstellenmodul, vorzugsweise für eine USB-B-Schnittstelle, verbunden sein.
Den Schnittstellenkontakten 46 sind mehrere, nicht näher bezeichnete
Schnittstellenbausteine zugeordnet. Die Schnittstellenkontakte 46 sind
auf der logischen Sekundärseite
des Buskopplers 44 angeordnet und werden bei der dargestellten
Ausführungsform
vom Buskoppler 44 unmittelbar angesteuert. Somit wird für Datenübertragungen
vom primären
oder sekundären
PCI-Bussystem an die Schnittstellenkontakte 46 keine eigene
Auswahlsignalgruppe des PCI-Bussystems
benötigt.
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Das
Erweiterungsmodul 24 dient somit in einer Doppelfunktion
sowohl zur Umsetzung der Signale zwischen dem primären und
dem sekundären PCI-Bussystem
als auch zur Bereitstellung der Schnittstellenfunktion. Das Erweiterungsmodul 24 kann
durch seine Ausgestaltung und Anordnung im primären PCI-Bussystem von der Hauptplatine 12 mit einer
einzigen Auswahlsignalgruppe angesprochen werden und verhält sich
im primären
PCI-Bussystem wie
ein üblicher
Busteilnehmer.
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Durch
eine nicht dargestellte, kaskadierte Anordnung mehrer Erweiterungsmodule 24 können weitere
Applikationsplatinen an gesprochen werden und mit der Hauptplatine 12 des
Embedded-PCs 10 kommunizieren.
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Bei
der Ausführungsform
des Erweiterungsmoduls 24 gemäß den 1 und 3 ist
vorgesehen, dass das Erweiterungsmodul 24 unterhalb der Hauptplatine 12 und
gegebenenfalls unterhalb der Applikationsplatinen 18, 20, 22 angeordnet
wird. Die Verbindung zum primären
PCI-Bussystem erfolgt mit Hilfe der PCI-Buchse 36.
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Das
Erweiterungsmodul 224 gemäß 4 ist für eine gegenüber der
Ausführungsform
gemäß den 1 und 3 entgegengesetzte
Stapelrichtung vorgesehen. Um eine korrekte Einschleifung des Erweiterungsmoduls 224 in
die PCI-Bussysteme zu gewährleisten,
ist die Erweiterungsplatine 26 auf ihrer Unterseite mit
dem PCI-Stecker 42 versehen, während die Erweiterungsplatine 28 auf
ihrer Oberseite mit der PCI-Buchse 36 ausgerüstet ist.
Zwischen den beiden Erweiterungsplatinen 26, 28 sind die
Steckverbinder 38, 40 angeordnet. Somit handelt es
sich bei dem Erweiterungsmodul 224 lediglich um eine Bestückungsvariante
des Erweiterungsmoduls 24 mit der in einfacher Weise eine
entgegengesetzte Stapelrichtung des Embedded-PCs berücksichtigt werden
kann. Dadurch kann eine kostengünstige
Anpassung der Erweiterungsplatinen 26, 28 an die
Gegebenheiten des jeweiligen Embedded-PCs gewährleistet werden.
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Änderungen
am Layout der Erweiterungsplatinen 26, 28 sind
hierzu nicht erforderlich.
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Durch
die Ausführung
der Erweiterungsmodule 24, 124 mit zwei Erweiterungsplatinen 26, 28 und
der Anbringung des Buskopplers 44 auf der Erweiterungsplatine 26 sowie
der Schnittstellenkontakte 46 auf der Erweiterungsplatine 28 kann
die Erweiterungsplatine 28 auch einzeln als regulärer Busteilnehmer
in einem PCI-Bussystem eingesetzt werden. In diesem Fall dient die
Erweiterungsplatine 28 zur Bereitstellung der zusätzlichen
Schnittstellenfunktion, ohne dass dazu die elektrische Ankopplung
an die Erweiterungsplatine 26 notwendig wäre. Eine
Ansteuerung der Schnittstellenkontakte 46 und einer damit
verbundenen, nicht dargestellten Schnittstelleneinrichtung erfolgt
in diesem Fall über
das PCI-Bussystem, das über
den PCI-Steckverbinder auf der Erweiterungsplatine 28 bereitgestellt
wird.
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Dies
stellt einen weiteren Vorteil der gewählten Aufbauweise dar, da für eine eigenständige Verwendung
der Erweiterungsplatine 28 lediglich eine geeignete Programmierung
eines nicht dargestellten programmierbaren Bausteins, der den Schnittstellenkontakten 46 zugeordnet
ist, vorgenommen werden muss. Dies kann entweder durch geeignete
Programmierung eines frei programmierbaren FPGA- oder CPLD-Bausteins
oder durch hardwareseitiges Setzen (Einstellen von Jumper-Schaltern
oder Bestücken
bzw. Entfernen von 0-Ohm-Widerständen)
entsprechender elektrischer Verbindungen auf der Erweiterungsplatine 28 realisiert
werden.
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Bei
einer nicht dargestellten Ausführungsform
der Erweiterungsplatine 28 sind die Schnittstellenkontakte 46 derart
eingerichtet, dass unterschiedliche Schnittstellenadapter oder Tochterplatinen
zur Aufnahme unterschiedlicher Schnittstellenstecker und/oder Kommunikationsschaltkreise
oder -buchsen angebracht werden können. Zusammen mit einer entsprechenden
Programmierung des den Schnittstellenkontakten 46 zugeordneten
FPGA-Bausteins kann somit eine Vielzahl von unterschiedlichen Schnittstellentypen
in einfacher Weise bereitgestellt werden. Diese Möglichkeit
zur Ankopplung unterschiedlicher Tochterplatinen an die Schnittstellenkontakte 46 wird
auch als Huckepacklösung oder „Piggyback”-Konfiguration
bezeichnet.
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In
der 5 ist der logische Aufbau des in der 3 gezeigten
Erweiterungsmoduls 24 näher dargestellt.
Der auf der Erweiterungsplatine 26 angeordnete Buskoppler 44 wird über die
Datenleitungen 50 mit den Bussignalen des an der PCI-Buchse 36 anliegenden
primären
PCI-Bussystems versorgt. Eine Auswahl des Buskopplers 44 als
PCI-Busteilnehmer erfolgt über die
Auswahlleitungsgruppe 52, auf der eine geeignete Auswahlsignalgruppe
bereitgestellt werden kann. Dem Buskoppler 44 sind über eine
Steckverbindung 54 auf der Erweiterungsplatine 28 angeordnete
Schnittstellenkontakte 46 zugeordnet, auf die beispielsweise
eine USB-Schnittstellenkarte aufgesteckt werden kann. Die Datenübertragung
vom Buskoppler 44 an die Schnittstellenkontakte 46 und
an die nicht dargestellten Applikationsplatinen über das sekundäre PCI-Bussystem
erfolgt über nicht
näher dargestellte
parallele Datenleitungen 56.
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Eine
Auswahl des jeweils aktiven Busteilnehmers unter insgesamt vier
nicht dargestellten Applikationsplatinen kann über jeweils vier parallel geführte, nicht
näher dargestellte
Auswahlleitungsgruppen 58 vorgenommen werden. Eine der
Auswahlleitungsgruppen 58 weist einen Zweig zu den Schnittstellenkontakten 46 auf.
Bei der in 5 dargestellten Erweiterungsplatine 28 ist
der Zweig von der Auswahlleitungsgruppe 58 zu den Schnittstellenkontakten 46 unterbrochen,
so dass die Schnittstellenkontakte 46 ausschließlich durch
ein unmittelbar vom Buskoppler 44 über eine diskrete Auswahlleitungsgruppe 60 ausgegebenes
Auswahlsignal unabhängig
vom übrigen sekundären PCI-Bussystem
angesprochen werden kann. Somit stehen für das sekundäre PCI-Bussystem
die insgesamt vier vorgesehenen Gruppen von Auswahlleitungen 58 voll
zur Verfügung.
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Die
Datenleitungen 56 und die Auswahlleitungsgruppen 58 sind
auf einen PCI-Stecker 42 geführt, von wo aus eine Datenübertragung
an eine oder mehrere Applikationsplatinen und/oder Erweiterungsmodule
erfolgen kann.
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Bei
einer nicht dargestellten Verwendung der Erweiterungsplatine 28 ohne
die Erweiterungsplatine 26, insbesondere als PCI-USB-Schnittstellenplatine, wird
der zuden Schnittstellenkontakten 46 geführte Zweig
der Auswahlleitungsgruppe 58 durch 0-Ohm-Widerstände geschlossen
und eine Auswahl der Schnittstellenkontakte 46 kann dann
in üblicher Weise über eine
vom PCI-Stecker 42 bereitgestellte und über die Auswahlleitungsgruppe 58 übertragene Auswahlsignalgruppe
erfolgen.
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Bei
einer nicht dargestellten Ausführungsform
der Leiterplatte 28 ist in den Schnittstellenkontakten 46 ein
FPGA zugeordnet, der sowohl mit der für diese Ausführungsform
nicht unterbrochenen Auswahlleitungsgruppe 58 als auch
mit der Auswahlleitungsgruppe 60 verbunden ist. Der FPGA
kann so programmiert werden, dass eine Auswahl der Schnittstellenkontakte 46 bei
Kombination der Leiterplatte 28 mit der Leiterplatte 26 nur
bei Vorliegen eines Auswahlsignals auf der Auswahlleitungsgruppe 60 erfolgt.
Wird die Leiterplatte 28 als PCI-Schnittstellenplatine ohne die Leiterplatte 26 eingesetzt,
ist der FPGA so programmiert, dass er unter Verwendung einer Auswahlsignalgruppe
auf der Auswahlsignalleitungsgruppe 58 angesprochen werden
kann.
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Zusätzlich zu
den auf der zweiten Erweiterungsplatine 28 angebrachten
Schnittstellenkontakten 46 kann eine weitere Schnittstelle 62 auf
der ersten Erweiterungsplatine 26 vorgesehen sein, die ebenfalls
sekundärseitig
am Buskoppler 44 angeordnet ist und ebenfalls über eine
separate Auswahlleitungsgruppe 64 angesprochen werden kann.
Bei der Schnittstelle 62 kann es sich um eine vordefinierte Schnittstelle,
beispielsweise eine USB-Schnittstelle, oder um eine frei wählbare Eingangs-Ausgangs-Schnittstelle
handeln. Für
die Schnittstelle 62 wird ein entsprechender Steckeradapter
auf der ersten Erweiterungsplatine 26 angebracht und es
wird eine entsprechende Programmierung des Buskopplers 44 oder
eines nachgeschalteten FPGA-Bausteins zur korrekten Adressierung
der ausgewählten Schnittstellentype
vorgesehen.