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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(guò)這十年風(fēng)風(fēng)雨雨的洗禮，CompactPCI規范已經(jīng)由當年孤零零的PICMG2.0單一規范，發(fā)展到如今擁有二十多個(gè)個(gè)性鮮明的兄弟姐妹的規范群體；而CompactPCI技術(shù)也由當初的"養在深閨無(wú)人識"，發(fā)展到現在已經(jīng)可以大規模成批量地應用于很多行業(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(xiàn)的發(fā)展應經(jīng)到了盡頭，CompactPCI技術(shù)的路會(huì )越走越窄；也有人說(shuō)CompactPCI不過(guò)是工業(yè)計算機的一個(gè)昂貴替代品；然而時(shí)至今日，縱觀(guān)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(méi)有越走越窄，反而越走越寬：PICMG在修正原有規范的同時(shí)，不斷地將最先進(jìn)的成熟技術(shù)納入CompactPCI的規范體系，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(gè)普遍感覺(jué)是CompactPCI可以做越來(lái)越多的事情，是一項前途無(wú)量的技術(shù)！而對于設備制造商來(lái)說(shuō)，令人振奮的是似乎CompactPCI技術(shù)每發(fā)展一步，都會(huì )幫助他們解決一些平臺方面的問(wèn)題，從而使得他們可以用更短的TTM（Time To Market），獲取更大的市場(chǎng)份額。

　　現如今CompactPCI技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域，數據通訊以及網(wǎng)絡(luò )處理領(lǐng)域取得了很廣泛的應用，越來(lái)越多的工程師開(kāi)始認識到這項技術(shù)的優(yōu)越性；而隨著(zhù)CompactPCI設備成本的不斷下降，其在各行各業(yè)的應用規模必然不斷擴大，我們有理由期待屬于CompactPCI的一個(gè)輝煌前景！

2、AdvancedTCA技術(shù)

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

　　為什么呢？比較一下當前電信設備的要求與CompactPCI規范，答案很明顯：

電信設備要求：

大容量，高密度：?jiǎn)闻_設備可帶用戶(hù)數量越大越好。因此電信設備的板卡面積都遠遠大于CompactPCI的6U×160mm，以容納更多的集成電路芯片。

高性能，高速計算：一些采用新一代集成電路技術(shù)的CPU功耗已高達70W，而一張板卡擁有兩顆甚至3顆不同的CPU已不稀奇。在這種情況下，CompactPCI規范已不適用。

高帶寬，高速傳輸：即使是CompactPCI帶寬的理論值：500Mbytes/s也遠低于高速電信設備的要求，2.5Gbps甚至10Gbps的傳輸速度已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入人們的視線(xiàn)。

　　在這種情況下，AdvancedTCA應運而生。如果說(shuō)PICMG"十年磨一劍"，那么這柄鋒利的寶劍就是集萬(wàn)千寵愛(ài)于一身的AdvancedTCA。PICMG充分考慮了電信行業(yè)的要求及特點(diǎn)，精心為其量身定做了AdvancedTCA--高級電信計算平臺。其特點(diǎn)如下：

在結構上AdvancedTCA與CPCI、VME一樣，都遵循成熟的IEC60297標準。

AdvancedTCA采用先進(jìn)的Piont to Piont Switched Fabric 結構，支持多種高速串行通信技術(shù)。

AdvancedTCA的板卡面積約為CPCI板卡面積的2.5倍，而且板卡寬度也加大到1.2"（比CPCI寬0.4"），這使得單張板卡容納多顆CPU成為可能，使得CPU帶大功率散熱片成為可能，使得大容量RAM成為可能，因此AdvancedTCA板卡可以支持電信設備大容量、高密度的要求。

AdvancedTCA允許每一張板卡的功耗高達200W，并可以有效地為其散熱，整個(gè)AdvancedTCA SHELF的散熱能力高達3KW。開(kāi)發(fā)工程師可以放心地選用高性能大功耗的CPU。

AdvancedTCA擁有先進(jìn)的完善的系統管理功能，開(kāi)發(fā)工程師可以非常方便地對每一張板卡以及SHELF內部環(huán)境進(jìn)行監控。而且AdvancedTCA可以支持多個(gè)系統控制器以冗余方式工作，極大地保證了系統管理的安全可靠性。

我們再回過(guò)頭來(lái)看看用戶(hù)對AdvancedTCA的反應：

對于電信運營(yíng)商而言，在dvancedTCA出現之前，幾乎所有的電信設備都是專(zhuān)有設備（Propriatary Equipment），不同廠(chǎng)家的設備互不兼容，不可替換，一旦選定一家廠(chǎng)商的設備，就要面臨第二次投資，極大地造成資源浪費！電信運營(yíng)商為此苦不堪言，一種嶄新地專(zhuān)用于電信設備的高性能通用平臺顯然符合他們的愿望。

對于電信設備制造商而言，他們也在渴望一種通用系統平臺，可以幫助他們有效地將多種應用技術(shù)都統一到這種通用平臺上面，從而極大地節省了研發(fā)和生產(chǎn)的成本，大大縮短新技術(shù)的TTM（Time To Market），增強他們的競爭力。

　　AdvancedTCA正是這樣的通用系統平臺，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，走向屬于它的輝煌！

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(jìn)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(diǎn)對點(diǎn)交換結構

　　這是一種全新的數據連接結構，在這種"交換結構"的支持下，任何一次數據釋放，不管它在哪一個(gè)連接器的哪一個(gè)Pin，都有一條單向的數據通路通向任何它想去的連接器的任何Pin。這種數據連接是通過(guò)一種交換元件動(dòng)態(tài)地對數據通路進(jìn)行連接和斷開(kāi)，從而實(shí)現高速數據傳輸。

　　AdvancedTCA Fabric 接口信道是建立在LVDS(低壓差分信號)差分對基礎之上，電氣特性需求是建立在3.125GHz 信號基礎之上。數據編碼使用8b/10b 編碼機制。AdvancedTCA A中兩塊板卡的基本連接單元稱(chēng)作通路，一個(gè)通路由4個(gè)端口組成，每個(gè)端口又由兩對差分信號組成，構成了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(gè)差分對、一個(gè)端口、以及一個(gè)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），Full Mesh（全網(wǎng)狀）三種結構。

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

B． Dual-Dual Star結構
　　Dual-Dual Star連接兩個(gè)獨立的且冗余的Fabric結構，Hub slot被指定位于邏輯slot 1，2，3&4。每一個(gè)Node slot支持最少4個(gè)通道，每一個(gè)通道由8個(gè)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結構
　　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）或者節點(diǎn)板卡（Node boards）。全網(wǎng)狀背板可以支持所有類(lèi)型板卡并且兼容Multi-Fabric系統。

下圖是全網(wǎng)狀背板數據結構示意圖

　　由下而上依次為：電源層，系統管理層，模擬測試總線(xiàn)，基本接口，更新總線(xiàn)，Full Mesh Fabric接口。其中，系統管理總線(xiàn)基于IPMI，并設計為冗余使用，以確保系統管理安全可靠。系統管理總線(xiàn)可以是I2C總線(xiàn)，也可以是星型連接方式。基本接口則是一個(gè)雙星型的拓撲結構具有冗余的交換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(guò)背板，因此背板的設計及工藝是至關(guān)重要的！信號完整性的考慮，EMC措施的適用，高速傳輸背板的設計經(jīng)驗，完整的背板測試手段…，這些都是決定系統成敗的關(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(guò)了嚴格的模擬測試。

2．AdvancedTCA Shelf的散熱技術(shù)

　　這應該是AdvancedTCA各項技術(shù)中難度最大，最不易實(shí)現的一項技術(shù)了！PICMG3.0規定了單板熱量高達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(gè)很大的挑戰！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(wèn)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節轉速。
　　b) Shelf 整體設計充分考慮科學(xué)順暢的風(fēng)流通道，使得風(fēng)流可以得到正確引導，沿著(zhù)預先設計好的通道運行。
　　c) 因為ATCA板卡深度較大，需要通過(guò)結構設計保證前端插卡有充分的冷卻風(fēng)流通過(guò)，使得板卡上的所有“熱點(diǎn)”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的結構滿(mǎn)足ATCA規范的散熱要求。
　　e) 還要考慮機柜的情況：當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；當機柜完全封閉的情況下，熱空氣很難及時(shí)排到機柜外面去，會(huì )造成熱空氣在機柜內部循環(huán)，導致環(huán)境溫度升高，這時(shí)風(fēng)冷已無(wú)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(lái)介紹ATCA的散熱技術(shù)：

其技術(shù)規格如下：
Standard system Version VA-1 (Rittal ShMC)

19” x 13 U x 385 mm deep

14 x 6 HP for front boards and RTM

14 Slot backplane with bussed IPMI

4 x fan RiCool

2/4 PEM plugged at the rear

Prepared for 2 x Rittal ShMC (rear)

Interchangeable filter frame

其中4個(gè)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)
<--圖片標記5-->
Condition A： 4個(gè)Ricool Blowers 以75%的轉速運行：

Condition B：3個(gè)Ricool Blower以100%轉速運行：

　　根據試驗的結果分析，威圖公司確定了其13U ATCA Shelf的整體設計，并確保其完全符合AdvancedTCA規范對散熱的要求。

B．威圖液體冷卻技術(shù)

液體冷卻技術(shù)適用范圍：

當系統對散熱的要求甚至高于A(yíng)TCA規范的定義（3KW/shelf）時(shí)

當ATCA Shelf處于相對密閉的環(huán)境，或者存在溫度非常高的“熱點(diǎn)“區域時(shí)

當客戶(hù)需要更加緊湊的ATCA Shelf（例如10U或更低..）時(shí)

液體冷卻技術(shù)圖解：

　　散熱原理：由工業(yè)空調提供冷卻循環(huán)水，板卡上的“熱點(diǎn)”安裝液體散熱片，散熱片通過(guò)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(guò)循環(huán)管道與工業(yè)空調的循環(huán)系統相連。板卡可以正常插拔，不會(huì )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(diǎn)：使用蒸餾水，帶輸入輸出連接端子，安裝于背板上部Zone3區域。

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，系統管理等，這里因為篇幅所限，不再一一介紹。

CompactPCI與AdvancedTCA的應用介紹

A． CompactPCI應用介紹：
作為高性能高可靠性的計算平臺，CompactPCI技術(shù)在很多行業(yè)都取得了廣泛的應用，例如：電信增值業(yè)務(wù)包括彩鈴，彩話(huà)等，軍用通信系統，海軍聲納探測設備，雷達監測設備，實(shí)時(shí)機器控制設備，測量測控平臺，鐵道信號監測系統，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系統為例，介紹CompactPCI技術(shù)在行業(yè)中的應用：

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

　　威圖配置：12U 20slot CompactPCI系統，12個(gè)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，同時(shí)支持5+1冗余。系統圖片如下圖：

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

B． CompactPCI在移動(dòng)增值業(yè)務(wù)——彩鈴系統中的應用

　　作為彩鈴系統中最重要的設備——Voice Processing Unit的計算平臺。

　　系統要求：支持8個(gè)slot CompactPCI插卡（其中語(yǔ)音卡7個(gè)），支持4個(gè)熱插拔SCSI硬盤(pán)，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；系統運行穩定可靠。

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

　　目前該系統已經(jīng)在現場(chǎng)運行了一年半多的時(shí)間，威圖公司的CompactPCI系統以良好的質(zhì)量，穩定的運行獲得了用戶(hù)的一致好評。

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

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

　　下面通過(guò)威圖公司AdvancedTCA Shelf在電信網(wǎng)絡(luò )中的應用來(lái)具體說(shuō)明ATCA技術(shù)的巨大優(yōu)勢：

1． ATCA在流媒體/IPTV中的應用：
　　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(gè)請求，系統集成商從運營(yíng)商那里得到300，000個(gè)請求的訂單，為滿(mǎn)足客戶(hù)要求，需要配置以下系統：

　　1500 sets PC-server：For Example：Dell2850 2U
　　150個(gè)19“42U機柜：假設一個(gè)機柜安裝10個(gè)Dell2850
　　這意味著(zhù)運營(yíng)商必須為這150個(gè)新增機柜準備近300平方米面積的機房，這對于運營(yíng)商來(lái)說(shuō)是非常非常高昂的成本，因此運營(yíng)商拒絕此方案。

而采用AdvancedTCA之后又如何呢？
　　一個(gè)ATCA board可以處理300個(gè)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(gè)機柜就可以了，這大大節省了運營(yíng)商的運營(yíng)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 )基站控制器中的應用
　　在采用ATCA技術(shù)之前，GSM基站控制器由3臺ETSI 機柜系統組成，總共約有200多塊處理板卡，系統結構冗繁復雜，單卡處理能力偏弱，而且系統總成本偏高。

　　后來(lái)客戶(hù)采用威圖公司的13U ATCA Shelf作為基站控制器的處理平臺，整個(gè)系統結構大為簡(jiǎn)化，只需要兩臺ATCA Shelf就可以代替原來(lái)的3臺機柜設備！

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

威圖公司簡(jiǎn)介：

　　威圖公司是一家來(lái)自德國的跨國公司，在全球擁有50家子公司，20家工廠(chǎng)（其中包括威圖在加拿大滑鐵盧地區的子公司Kaparel —— 著(zhù)名的CompactPCI/AdvancedTCA廠(chǎng)商），共8000余名員工。主營(yíng)產(chǎn)品一共分為七大類(lèi)，其中CPCI/ATCA產(chǎn)品屬于其第二大類(lèi)產(chǎn)品。威圖公司是PICMG(PCI工業(yè)計算機廠(chǎng)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(chǎng)商。威圖公司的CPCI/ATCA產(chǎn)品擁有多項獨特的專(zhuān)利技術(shù)，并以開(kāi)放式架構，兼容性好，配置靈活，定制性強等優(yōu)點(diǎn)而著(zhù)稱(chēng)于業(yè)界。公司內有多名資深員工先后在PICMG，IEEE等國際標準或規范組織中擔任要職。基于如此雄厚的實(shí)力，威圖公司可以在第一時(shí)間內提供最先進(jìn)的，符合PICMG最新規范的CPCI/ATCA產(chǎn)品。

PICMG/P.R.C 供稿 CTI論壇編輯

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