首頁>>>技術(shù)>>>cpci　　cpci產(chǎn)品　　[免費資料索取]2005PICMG/P.R.C年會暨ATCA/CPCI技術(shù)應(yīng)用峰會

十年磨一劍－CompactPCI與AdvancedTCA發(fā)展綜述

李濤 2005/04/28

一、十年 -- CompactPCI與AdvancedTCA綜述

1、CompactPCI技術(shù)

　　從1994年到2004年，CompactPCI技術(shù)已經(jīng)10歲了。經(jīng)過這十年風(fēng)風(fēng)雨雨的洗禮，CompactPCI規(guī)范已經(jīng)由當(dāng)年孤零零的PICMG2.0單一規(guī)范，發(fā)展到如今擁有二十多個個性鮮明的兄弟姐妹的規(guī)范群體；而CompactPCI技術(shù)也由當(dāng)初的"養(yǎng)在深閨無人識"，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)可以大規(guī)模成批量地應(yīng)用于很多行業(yè)。

　　十年的發(fā)展與演變，CompactPCI令人感嘆，更令人興奮！曾經(jīng)有人斷言，并行總線的發(fā)展應(yīng)經(jīng)到了盡頭，CompactPCI技術(shù)的路會越走越窄；也有人說CompactPCI不過是工業(yè)計算機的一個昂貴替代品；然而時至今日，縱觀CompactPCI技術(shù)的發(fā)展，這些論斷多少顯得有些幼稚可笑。CompactPCI的路不僅沒有越走越窄，反而越走越寬：PICMG在修正原有規(guī)范的同時，不斷地將最先進的成熟技術(shù)納入CompactPCI的規(guī)范體系，最大限度地發(fā)揮CompactPCI平臺所蘊含的巨大威力；從Hot Swap到Multi-computing,；從PMC到CompactPCI Bridging； 從Power Interface到System Management；從H.110 CTbus到包交換背板支持Gigabit Ethernet以及StarFabric，對于行業(yè)工程師而言，一個普遍感覺是CompactPCI可以做越來越多的事情，是一項前途無量的技術(shù)！而對于設(shè)備制造商來說，令人振奮的是似乎CompactPCI技術(shù)每發(fā)展一步，都會幫助他們解決一些平臺方面的問題，從而使得他們可以用更短的TTM（Time To Market），獲取更大的市場份額。

　　現(xiàn)如今CompactPCI技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域，數(shù)據(jù)通訊以及網(wǎng)絡(luò)處理領(lǐng)域取得了很廣泛的應(yīng)用，越來越多的工程師開始認(rèn)識到這項技術(shù)的優(yōu)越性；而隨著CompactPCI設(shè)備成本的不斷下降，其在各行各業(yè)的應(yīng)用規(guī)模必然不斷擴大，我們有理由期待屬于CompactPCI的一個輝煌前景！

2、AdvancedTCA技術(shù)

　　毋庸置疑，十年來CompactPCI技術(shù)取得了充分的發(fā)展和長足的進步。但同時在某些行業(yè)應(yīng)用中，CompactPCI也暴露出一些弱點和不足之處。在電信領(lǐng)域，CompactPCI
并不成功，僅在一些邊緣應(yīng)用（如增值業(yè)務(wù)）中獲得一些份額，而核心的運營商級應(yīng)用全是專有設(shè)備（Propriatary Equipment）的天下，你幾乎看不到CompactPCI的影子。

　　為什么呢？比較一下當(dāng)前電信設(shè)備的要求與CompactPCI規(guī)范，答案很明顯：

電信設(shè)備要求：
　　在這種情況下，AdvancedTCA應(yīng)運而生。如果說PICMG"十年磨一劍"，那么這柄鋒利的寶劍就是集萬千寵愛于一身的AdvancedTCA。PICMG充分考慮了電信行業(yè)的要求及特點，精心為其量身定做了AdvancedTCA--高級電信計算平臺。其特點如下：
我們再回過頭來看看用戶對AdvancedTCA的反應(yīng)：
　　AdvancedTCA正是這樣的通用系統(tǒng)平臺，它凝聚了多方面關(guān)注的目光，象一顆光芒四射的新星正在冉冉升起，走向?qū)儆谒妮x煌！

二、 AdvancedTCA 核心技術(shù)

　　作為新一代電信網(wǎng)絡(luò)的高性能計算平臺，AdvancedTCA融合了很多國際先進技術(shù)，在計算性能，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，管理性能等方面都比原有計算架構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。AdvancedTCA的核心技術(shù)分析如下：

1. Point-to-Point Switched Fabric 點對點交換結(jié)構(gòu)

　　這是一種全新的數(shù)據(jù)連接結(jié)構(gòu)，在這種"交換結(jié)構(gòu)"的支持下，任何一次數(shù)據(jù)釋放，不管它在哪一個連接器的哪一個Pin，都有一條單向的數(shù)據(jù)通路通向任何它想去的連接器的任何Pin。這種數(shù)據(jù)連接是通過一種交換元件動態(tài)地對數(shù)據(jù)通路進行連接和斷開，從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　AdvancedTCA Fabric 接口信道是建立在LVDS(低壓差分信號)差分對基礎(chǔ)之上，電氣特性需求是建立在3.125GHz 信號基礎(chǔ)之上。數(shù)據(jù)編碼使用8b/10b 編碼機制 。AdvancedTCA A中兩塊板卡的基本連接單元稱作通路，一個通路由4個端口組成，每個端口又由兩對差分信號組成，構(gòu)成了AdvancedTCA Fabric 接口的最小連接單元。端口的兩對差分信號被映像成一收一發(fā)的傳輸模式。下圖描繪了一個差分對、一個端口、以及一個通路的針腳分布。


　　Switched Fabric按照拓撲的不同，分為Dual Star（雙星型），Dual-Dual Star（雙-雙星型），F(xiàn)ull Mesh（全網(wǎng)狀）三種結(jié)構(gòu)。

A． Dual Star結(jié)構(gòu)
　　Dual Star是所有Switched Fabric中最基本的配置結(jié)構(gòu)。支持Dual Star的背板包括兩個Hub slot，其它的slot都作為Node slot，如圖所示：


B． Dual-Dual Star結(jié)構(gòu)
　　Dual-Dual Star連接兩個獨立的且冗余的Fabric結(jié)構(gòu)，Hub slot被指定位于邏輯slot 1，2，3&4。每一個Node slot支持最少4個通道，每一個通道由8個差分傳輸對組成，這些通道連接所有的slot，組成Fabric接口。

C． Full Mesh結(jié)構(gòu)
　　全網(wǎng)狀背板提供slot與slot之間最大限度的連接。所有的slot都是相同的連接方式，并且可以支持交換板卡（Switch boards）或者節(jié)點板卡（Node boards）。全網(wǎng)狀背板可以支持所有類型板卡并且兼容Multi-Fabric系統(tǒng)。

下圖是全網(wǎng)狀背板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖


　　由下而上依次為：電源層，系統(tǒng)管理層，模擬測試總線，基本接口，更新總線，F(xiàn)ull Mesh Fabric接口。其中，系統(tǒng)管理總線基于IPMI，并設(shè)計為冗余使用，以確保系統(tǒng)管理安全可靠。系統(tǒng)管理總線可以是I2C總線，也可以是星型連接方式�；窘涌趧t是一個雙星型的拓撲結(jié)構(gòu)具有冗余的交換slot和以太網(wǎng)BAST-T信號,在PICMG3.0中提供IP傳輸。

　　不管采用何種拓撲形式，所有信號的連接與交換都要通過背板，因此背板的設(shè)計及工藝是至關(guān)重要的！信號完整性的考慮，EMC措施的適用，高速傳輸背板的設(shè)計經(jīng)驗，完整的背板測試手段…，這些都是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素！例如威圖公司已經(jīng)生產(chǎn)出帶寬高達10Gbps的Full Mesh背板，并且通過了嚴(yán)格的模擬測試。

2．AdvancedTCA Shelf的散熱技術(shù)

　　這應(yīng)該是AdvancedTCA各項技術(shù)中難度最大，最不易實現(xiàn)的一項技術(shù)了！PICMG3.0規(guī)定了單板熱量高達200W，單臺Shelf熱量高達3KW左右，如何有效散去這3KW熱量顯然是一個很大的挑戰(zhàn)！在這種情況下，只有全面的，綜合運用各種手段的散熱方案才能解決問題：

　　a) 采用散熱能力強，通風(fēng)量大的渦輪式風(fēng)機，且可以支持智能化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
　　b) Shelf 整體設(shè)計充分考慮科學(xué)順暢的風(fēng)流通道，使得風(fēng)流可以得到正確引導(dǎo)，沿著預(yù)先設(shè)計好的通道運行。
　　c) 因為ATCA板卡深度較大，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計保證前端插卡有充分的冷卻風(fēng)流通過，使得板卡上的所有“熱點”都可以得到有效冷卻。
　　d) 需要做熱量以及風(fēng)流量的模擬測試，以確保ATCA Shelf的結(jié)構(gòu)滿足ATCA規(guī)范的散熱要求。
　　e) 還要考慮機柜的情況：當(dāng)機柜不封閉的情況下，風(fēng)冷方式可以勝任ATCA Shelf的散熱工作；當(dāng)機柜完全封閉的情況下，熱空氣很難及時排到機柜外面去，會造成熱空氣在機柜內(nèi)部循環(huán)，導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，這時風(fēng)冷已無法達到散熱目的，必須選用其它散熱方式，如液體冷卻。

A．威圖風(fēng)冷散熱技術(shù)：

　　下面我們以威圖公司的13U AdvancedTCA Shelf為例來介紹ATCA的散熱技術(shù)：

其技術(shù)規(guī)格如下：
Standard system Version VA-1 (Rittal ShMC)
其中4個渦輪式冷卻風(fēng)扇按照上下兩層排列，
將冷卻風(fēng)流自下而上吸入，從后面排出。

其風(fēng)流通道如圖所示：


根據(jù)13U ATCA Shelf，威圖公司做了熱量以及風(fēng)量的模擬分析：
Heat and Flow simulation per CFD
(Computational Fluid Dynamics)
<--圖片標(biāo)記5-->
Condition A： 4個Ricool Blowers 以75%的轉(zhuǎn)速運行：


Condition B：3個Ricool Blower以100%轉(zhuǎn)速運行：


　　根據(jù)試驗的結(jié)果分析，威圖公司確定了其13U ATCA Shelf的整體設(shè)計，并確保其完全符合AdvancedTCA規(guī)范對散熱的要求。

B．威圖液體冷卻技術(shù)

液體冷卻技術(shù)適用范圍：
液體冷卻技術(shù)圖解：


　　散熱原理： 由工業(yè)空調(diào)提供冷卻循環(huán)水，板卡上的“熱點”安裝液體散熱片，散熱片通過循環(huán)管道以及特殊連接器與背板連接，背板上由特殊連接器通過循環(huán)管道與工業(yè)空調(diào)的循環(huán)系統(tǒng)相連。板卡可以正常插拔，不會牽連循環(huán)管道。


用于連接冷卻循環(huán)水的特殊連接器：（如下圖示）

　　特點： 使用蒸餾水，帶輸入輸出連接端子，安裝于背板上部Zone3區(qū)域。


液體冷卻技術(shù)圖示：


3．AdvancedTCA的其它核心技術(shù)還包括：電源管理，系統(tǒng)管理等，這里因為篇幅所限，不再一一介紹。

CompactPCI與AdvancedTCA的應(yīng)用介紹

A． CompactPCI應(yīng)用介紹：
作為高性能高可靠性的計算平臺，CompactPCI技術(shù)在很多行業(yè)都取得了廣泛的應(yīng)用，例如：電信增值業(yè)務(wù)包括彩鈴，彩話等，軍用通信系統(tǒng)，海軍聲納探測設(shè)備，雷達監(jiān)測設(shè)備，實時機器控制設(shè)備，測量測控平臺，鐵道信號監(jiān)測系統(tǒng)，航天航空領(lǐng)域，石油測井計算平臺等等。

下面以威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)為例，介紹CompactPCI技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用：

A． ComapctPCI在海軍聲納探測技術(shù)中的應(yīng)用：
　　系統(tǒng)要求：大容量CompactPCI系統(tǒng)，背板可以支持20個DSP處理板卡，并保證充足的電力供應(yīng)，足夠的散熱能力，以及穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

　　威圖配置：12U 20slot CompactPCI系統(tǒng)，12個冷卻風(fēng)扇風(fēng)道自下而上，6顆250W CPCI 電源保證1500W的電力供應(yīng)，同時支持5+1冗余。系統(tǒng)圖片如下圖：


　　該系統(tǒng)目前已通過海上試驗，威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)以穩(wěn)定的性能保證了海上試驗的最終成功。

B． CompactPCI在移動增值業(yè)務(wù)——彩鈴系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　作為彩鈴系統(tǒng)中最重要的設(shè)備——Voice Processing Unit的計算平臺。

　　系統(tǒng)要求：支持8個slot CompactPCI插卡（其中語音卡7個），支持4個熱插拔SCSI硬盤，支持Raid 0，1，3，5；支持風(fēng)扇故障報警顯示，支持交流電源冗余雙輸入且保證1000W電力供應(yīng)；系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

　　威圖配置：8 slot H.110 CompactPCI背板，2個熱插拔SCSI硬盤模組（每一組支持2個熱插拔SCSI硬盤），一個Raid Controller支持Raid 0，1，3，5等，交流雙輸入模塊，4個250WCPCI電源支持3+1冗余。系統(tǒng)配置如下圖：


　　目前該系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場運行了一年半多的時間，威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)以良好的質(zhì)量，穩(wěn)定的運行獲得了用戶的一致好評。

B．AdvancedTCA應(yīng)用介紹：
　　AdvancedTCA的設(shè)計目的就是作為電信應(yīng)用的高級計算平臺，因此AdvancedTCA可以作為通用計算平臺在各種各樣的電信行業(yè)應(yīng)用中找到自己的位置，如下圖所示：


AdvancedTCA在電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的位置如下圖所示：


　　下面通過威圖公司AdvancedTCA Shelf在電信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用來具體說明ATCA技術(shù)的巨大優(yōu)勢：

1． ATCA在流媒體/IPTV中的應(yīng)用：
　　在采用ATCA技術(shù)之前，流媒體處理平臺一般采用PC-server。一臺PC-server可以處理200個請求，系統(tǒng)集成商從運營商那里得到300，000個請求的訂單，為滿足客戶要求，需要配置以下系統(tǒng)：

　　1500 sets PC-server：For Example：Dell2850 2U
　　150個19“42U機柜：假設(shè)一個機柜安裝10個Dell2850
　　這意味著運營商必須為這150個新增機柜準(zhǔn)備近300平方米面積的機房，這對于運營商來說是非常非常高昂的成本，因此運營商拒絕此方案。

而采用AdvancedTCA之后又如何呢？
　　一個ATCA board可以處理300個流媒體請求，一臺ATCA Shelf可以取代15臺PC-server，因此采用ATCA shelf作為流媒體處理平臺，只需要30多個機柜就可以了，這大大節(jié)省了運營商的運營成本，因而該方案受到他們的歡迎并被最終采納。

2．ATCA在GSM網(wǎng)絡(luò)基站控制器中的應(yīng)用
　　在采用ATCA技術(shù)之前，GSM基站控制器由3臺ETSI 機柜系統(tǒng)組成，總共約有200多塊處理板卡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗繁復(fù)雜，單卡處理能力偏弱，而且系統(tǒng)總成本偏高。

　　后來客戶采用威圖公司的13U ATCA Shelf作為基站控制器的處理平臺，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，只需要兩臺ATCA Shelf就可以代替原來的3臺機柜設(shè)備！

　　而且性能大為提高，穩(wěn)定性，可靠性都得到了極大的保證，并且有效地降低了成本。
　　隨著ATCA技術(shù)在電信行業(yè)影響日漸擴大，ATCA在電信行業(yè)的應(yīng)用必然越來越廣泛。

威圖公司簡介：

　　威圖公司是一家來自德國的跨國公司，在全球擁有50家子公司，20家工廠（其中包括威圖在加拿大滑鐵盧地區(qū)的子公司Kaparel —— 著名的CompactPCI/AdvancedTCA廠商），共8000余名員工。主營產(chǎn)品一共分為七大類，其中CPCI/ATCA產(chǎn)品屬于其第二大類產(chǎn)品。威圖公司是PICMG(PCI工業(yè)計算機廠商聯(lián)盟)的主任委員，也是PICMG的發(fā)起者之一，是最“原始”的CPCI/ATCA廠商。威圖公司的CPCI/ATCA產(chǎn)品擁有多項獨特的專利技術(shù)，并以開放式架構(gòu)，兼容性好，配置靈活，定制性強等優(yōu)點而著稱于業(yè)界。公司內(nèi)有多名資深員工先后在PICMG，IEEE等國際標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范組織中擔(dān)任要職。基于如此雄厚的實力，威圖公司可以在第一時間內(nèi)提供最先進的，符合PICMG最新規(guī)范的CPCI/ATCA產(chǎn)品。

PICMG/P.R.C 供稿 CTI論壇編輯


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