Setzen Sie auf Standards?

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1 Setzen Sie auf Standards? von Kay Klockmann, powerbridge Computer Burgwedel, 1. Januar 200 In den vergangenen Jahren wurde der Markt von Steuerungen durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Standards und indifferenten Lösungen geprägt. Ein dominierender Standard, wie der VMEbus, war nicht vorhanden. Stattdessen werden vielfach Industrie-PCs oder Speicher Programmierbare Steuerungen (SPS) aus Kostengründen und der einfachen Beherrschbarkeit der Software eingesetzt, wo eine skalierbare Architektur oft weitaus sinnvoller ist. Erst durch die Festschreibung des MicroTCA Standards durch die PICMG im Jahre 2006 mit seiner durchgängigen Architektur kamen Produkte auf den Markt, die diese Themen endlich zu praxisgerechten Lösungen führten. Serielle Hochgeschwindigkeitsverbindungen, Systemüberwachung, effiziente Kühlung sowie Redundanzkonzepte damit werden die Kundenanforderungen nach dem heutigen Stand der Technik umgesetzt. Keine andere Systemarchitektur bietet so viele Möglichkeiten und Ansätze zu kostengünstigen Lösungen bei gleichzeitiger langer Verfügbarkeit der Komponenten. Setzen Sie also auf Standards! Bild 1: Simple MicroTCA Systemlösungen für Embedded Applikationen

2 MicroTCA und AdvancedMC Der MicroTCA Standard definiert eine komplette Systemumgebung, die das direkte Stecken von AdvancedMC-Modulen mit einer geswitchten seriellen Busarchitektur ermöglicht. Der Standard beschreibt die Größe und die Eigenschaften des Moduls, sowie die Art des seriellen Interconnect (PCIe, SATA, GbE, SRIO). -Module sind von außen steckbar und im laufenden Betrieb wechselbar (Hot-Swap). Damit wird die Wartungsfreundlichkeit eines derartigen Systems erhöht. Bild 2: Mid-size Core 2 Duo CPU-Modul Die MicroTCA Spezifikation beschreibt einen Funktions- und Leistungsumfang, der auf den Einsatz in Telekommunikationsanwendungen, Industrie, Medizin- und Wehrtechnik ausgelegt ist. Seine Grundlage ermöglicht die Realisierung von sehr kompakten, skalierbaren, hochleistungsfähigen und zuverlässigen Systemen. Dazu zählen die kleine kompakte Bauform, die hohe mögliche Verlustleistung, eine hohe Zahl von seriellen high-speed Links, die Servicefreundlichkeit, das System-Management und die Robustheit der MicroTCA Mechanik. Ein MicroTCA System bietet bis zu zwölf Steckplätze für -Module und erfordert einen oder opt. zwei MicroTCA Carrier Hubs (MCH) und ein bis opt. vier Module (PM). Diese Komponenten beinhalten Funktionen (z.b. Switching, Management, Takterzeugung), die für den Betrieb eines Systems notwendig sind. Lediglich der Funktionsumfang des MCH lässt sich in gewissem Rahmen variieren. Darüber hinaus gibt es noch weitere Argumente, die den MicroTCA Standard für ihre Einsatzgebiete so interessant machen: MicroTCA ist eine Technologie, die über einen Zeitraum von 10 Jahren und darüber hinaus als stabile Plattform für Industrielle Anwendungen genutzt werden kann. Investitionssicherheit ist ein weiteres wesentliches Argument für diese Technologie. Diese Perspektive bietet heute kein anderer existierender Standard, und es ist auch keine vergleichbare und so zukunftsorientierte Lösung in Sicht. Der MicroTCA Standard definiert eine Reihe von Eigenschaften wie z.b. switched Fabrics und Redundanzkonzepte, die in vielen Applikationen nicht erforderlich sind oder genutzt werden können. Genau an dieser Stelle setzt Simple MicroTCA auf. Es macht den MicroTCA Standard damit ebenso in kostensensitiven Applikationen einsetzbar bis hin zu komplexen Architekturen.

3 Simple MicroTCA auf einen Blick Simple MicroTCA definiert einen reduzierten und eindeutigen Funktionsumfang für ein MicroTCA System mit dem Ziel MicroTCA durch Vereinfachung und Kostenreduzierung für den Embedded Bereich nutzbar zu machen. Die Kosten eines Simple MicroTCA Basissystems betragen nur etwa ein Drittel der Kosten eines Standardsystems! Seit der Einführung von Simple MicroTCA Anfang 2007 sind bereits zahlreiche Systeme in den verschiedensten Industrieanwendungen erfolgreich zum Einsatz gekommen. Die Simple MicroTCA (SMTCA) Spezifikation beschreibt Computersysteme mit Steckplätzen für AdvancedMC-Module. Die aufwendigen MCH und Module des MicroTCA Standards werden nicht benötigt. Trotzdem sind die vollständige Kompatibilität zum AdvancedMC Standard und die Vorteile von MicroTCA in diesen Systemen weiterhin gegeben. Die deutliche Kostenreduzierung erlaubt den Einsatz in Applikationen wie Bildverarbeitung in Industrie und Medizintechnik, schnelle Datenerfassung, Maschinensteuerungen und Kommunikation. Möglich wird dies durch Reduzierung und eindeutige Definition des MicroTCA Funktionsumfangs, und zwar im Einzelnen durch folgende Maßnahmen: 1. Definition dedizierter Steckplätze für ein CPU-Modul und mehrere I/O-Module 2. Beschränkung auf.1 Typ 1 Verbindungen (PCIe x1) zwischen CPU und I/O- Steckplätzen, sowie optional kundenspezifische Verbindungen zwischen - Steckplätzen 3. dem Verzicht auf Switched Fabrics 4. Ersatz des MicroTCA Moduls durch ein einfaches Netzteil, DC/DC-Konverter oder externe 12V Stromversorgung 5. Ersatz der notwendigen MCH- und PM-Funktionen durch ein kostenoptimiertes Simple MicroTCA Support Modul (SSM) 6. Unterstützung für bis zu 26 I/O-Steckplätze 7. Gigabit Ethernet (GbE) Switching kann optional verwendet werden Cooling Unit #n Cooling Unit #2 Cooling Unit #1 PCIe Switch PCIe Clock Fan & PSU Monitor SSM ( #0) Mgmt Converter SCMC Control 2 GbE Supply #n Supply #1 Backplane Interconnect #1 CPU #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 # Bild 3: Simple MicroTCA System Blockschaltbild

4 Wie funktioniert Simple MicroTCA? SMTCA definiert -Steckplatz 0 als SSM-Slot und Steckplatz 1 als CPU-Slot. Die Ports 4-11 des CPU-Slots werden auf einen 8-fach PCIe Switch auf dem SSM geführt, und von hier aus als x1 Lanes jeweils zu den Ports 4 (.1 Typ 1 Verbindung) der I/O- Steckplätze (-Steckplatz 2 bis N) geroutet. Für den CPU-Steckplatz wird ein CPU-Modul mit einem PCIe x8 bzw. einem PCIe x4 Ports (.1 Typ 4 oder 8) benötigt. Selbstverständlich können auch I/O-Steckplätze mit CPU-Modulen bestückt werden. Einem -Modul im I/O-Slot steht in jedem Fall ein PCIe x1 Port über den PCIe Switch, sowie abhängig vom Steckplatz die Ports 0-3 und 8-11 zur Kommunikation mit benachbarten Steckplätzen zur Verfügung. Der Port 1 oder die Ports 0 und 1 (abhängig vom jeweiligem System) des CPU- Slots werden über RJ-45 Buchsen in der Frontplatte des SSM aus dem System geführt. Damit stehen je nach verwendetem System oder CPU-Modul ein oder zwei GbE Ports extern zur Verfügung. Für Anwendungen, die Ethernet Switching erfordern, kann ein GbE Switch -Modul in einem I/O-Slot bestückt werden. Von diesem bestehen Verbindungen zu den Ports 0 aller Steckplätze. SMTCA unterstützt keine switched Fabrics. Für die Ports 1 gibt es feste Verbindungen zwischen den I/O-Steckplätzen. Für alle Ports 2 und 3 (.3) aller Slots definiert SMCTA Verbindungen zwischen benachbarten Steckplätzen, die normalerweise als SATA oder SAS Schnittstelle zum Anschluß von Massenspeichern verwendet werden. In der Fat Pipes Region (Ports 4 bis 7, sowie 8 bis 11) sind für die Kommunikation von I/O-Modulen untereinander zusätzlich feste Verbindungen definiert. Damit wird der Einsatz von SMTCA auch in kostensensitiven Telekommunikationsanwendungen möglich. Taktleitungen Die Taktsignale jedes Steckplatzes sind zu den benachbarten Steckplätzen verbunden: Steckplatz 1 TCLKB zu Steckplatz 2 TCLKA, Steckplatz 2 TCLKB zu Steckplatz 3 TCLKA, usw.. Die TCLKB des letzten Steckplatzes sind mit TCLKA von Steckplatz 1 verbunden. TCLKC und TCLKD sind ebenso verbunden wie TCLKA und TCLKB. Bild 4: Verdrahtung der Telecom Taktsignale

5 Rear-I/O Die Ports 12 bis 15 und 17 bis 20 eines jeden -Steckplatzes sind als zwei separate 20-pol Stiftleisten auf der Rückseite der Backplane herausgeführt. Jede Stiftleiste führt Ground, lokale Management- (MP) und Payload- (PP) heraus. Diese Stiftleisten können für Rear-I/O, Inter-Slot-Verbindungen, z.b. TDM Bus, Taktverteilung, o.ä. genutzt werden. Bild 5: Stiftleisten für Rear-I/O oder Inter-Slot-Verbindungen Tabelle 1: Rear-I/O Steckerbelegung Das Modul (PM) der MicroTCA Spezifikation wird durch eine einfache 12V Stromversorgung ersetzt. Hier sind selbstverständlich AC- oder DC-Eingang, sowie auch redundante oder externe Stromversorgungen möglich. Die Erzeugung der relativ geringen Leistung für die Management-Spannungsversorgung erfolgt durch einen DC/DC-Konverter. Zu den Funktionen des MicroTCA Moduls gehört die Steuerung der Versorgungsspannungen der -Steckplätze ( Control Funktionen). Ein SMTCA System stellt die gleiche Funktionalität zur Verfügung und bietet Hot-Swap-Fähigkeit für alle -Steckplätze.

6 Einfache Systemarchitektur Was ist nun der Unterschied zu einem MicroTCA System? Die hervorstechendste Eigenschaft von SMTCA ist die einfache Systemarchitektur. Der Kostenvorteil gegenüber MicroTCA Systemen ist erheblich. Damit werden die Vorteile von MicroTCA und AdvancedMC-Modulen in Industrieapplikationen nutzbar gemacht. Die primäre Kommunikation findet auf PCIe Basis statt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit GbE Switching ins System zu integrieren. Auch mit Switch -Modul bleiben die klare, einfache Architektur und der Kostenvorteil gegenüber MicroTCA Systemen erhalten. Grundsätzlich ist der Einsatz aller AdvancedMC-Modulformate in einem Simple MicroTCA System möglich. Die Spezifikation empfiehlt single mid-size als Standardformat. Die von powerbridge Computer lieferbaren SMTCA Systeme bieten bis zu single- und/oder double mid-size Steckplätze und sind in Stromversorgung und Kühlung für 40W Verlustleistung pro -Modul ausgelegt. Da diese hohe Verlustleistung in Industrieanwendungen in der Regel nicht oder nur in einzelnen Steckplätzen benötigt wird, sind alternativ auch preiswertere Systeme mit kleinerer Netzteilleistung erhältlich. Was leistet das Simple MicroTCA Support Modul? Das Simple MicroTCA Support Modul (SSM) stellt die Grundfunktionen zum Betrieb eines SMTCA Systems bereit. Es generiert für alle -Steckplätze den PCIe Takt auf FCLKA. Zu den Funktionen des SSM gehört die Überwachung der Versorgungsspannungen und der bis zu acht Lüfter im System. Diese Aufgaben übernimmt der Simple MicroTCA Carrier Management Controller (SCMC) auf dem SSM, der auch die Verbindung zu den Management Ports der -Steckplätze herstellt. Über einen Fast Ethernet Port steht das Management Interface extern zur Verfügung. Simple MicroTCA beschreibt ein System aus einem CPU-Slot und mehreren I/O-Slots. Das SSM unterstützt neben einem CPU-Steckplatz acht I/O-Steckplätze mit PCIe x1 Ports und Control Funktionen. Darüber hinaus können bis zu 18 weitere -Steckplätze mit Control Funktionen gesteuert werden. Diese Steckplätze können zwar nicht über PCI Express kommunizieren, aber z.b. Slot-zu-Slot Verbindungen oder GbE Kommunikation über ein Switch -Modul verwenden.

7 Simple MicroTCA Support Modul auf einen Blick System Management PCIe x1 Ports für 8 -Steckplätze PCIe Takterzeugung für -Steckplätze Control Funktion für -Steckplätze, erweiterbar auf bis zu 26 Steckplätze Zwei externe GbE Ports Fast Ethernet Management Port Erzeugung der Management Versorgungsspannung Überwachung und temperaturabhängige Steuerung von 0 bis 8 Lüftern Überwachung von 1 bis 4 Stromversorgungen Überwachung von Management und Payload Einstellbare Systemadresse (Chassis Number) RJ45 2 GbE Interface 2 1 Port 0/1 PCIe Bridge PCIe Clock x1 x Port 4 1 Port FCLKA MP Mgmt Supply RJ45 Fast LEDs Voltage Supervision Mgmt Controller Control 8 PP MPon PPon Enable Presence FAN FAN Ctrl IBMB-L Carrier Number Temp. Sensor GA[2:0], PS0, PS1 Bild 6: Blockschaltbild des Simple MicroTCA Support Moduls

8 Bild 7: Simple MicroTCA Support Modul Screenshot Bild 8: Simple MicroTCA Support Module fungiert als Shelf Manager und stellt die Grundfunktionen des System zur Verfügung

9 Reserven für zukünftige Entwicklungen Der klar definierte Funktionsumfang eines Simple MicroTCA Systems erlaubt den Einsatz in einem weiten Bereich von Anwendungen wie z.b. Medizintechnik, Industrieautomation, Verkehrstechnik, Wehrtechnik und Telekommunikation. -Module, kombinierbar in Systemen basierend auf Simple MicroTCA, MicroTCA bis hin zu ATCA ermöglichen wettbewerbsfähige Systemlösungen in nie dagewesener Durchgängigkeit. Der - Standard als gemeinsame Basis ermöglicht einer Applikation jederzeit das Upgrade von einem Simple MicroTCA System auf ein Standard MicroTCA System oder hin zu höchstleistungsfähigen AdvancedTCA Systemen in durchgängiger Software-Architektur. Bild : Backplaneverdrahtung eines typischen Simple MicroTCA Systems, Slot 0 ist SSM-Steckplatz, Slot 1 ist CPU-Steckplatz, Slots 1-8 sind IO-Steckplätze, Slot 5 kann als Switch Steckplatz verwendet werden, Ports der Steckplätze 1-4 und 6-7 sind für Rear-I/O reserviert

10 Systembeispiele: Bild 10: RackPak/SM2 2HE 1" SMTCA System mit 8 mid-size Steckplätzen, Abbildung mit SSM und Adlink CPU-Modul Bild 11: MicroPak/7 SMTCA System mit 7 mid-size Steckplätzen für Wandmontage, Abbildung mit SSM, Adlink CPU-Modul und powerbridge Computer PASM-M80H 80 GB SSD-Modul

11 Systembeispiele (cont.): Bild 12: RackPak/SM4 4HE 1" SMTCA System mit 12 mid-size Steckplätzen, Abbildung mit SSM, Adlink CPU-Modul und zwei powerbridge Computer PASM-M80H 80 GB SSD-Modulen Bild 13: MicroPak/ SMTCA System mit mid-size Steckplätzen für Wandmontage, Abbildung mit SSM, Adlink CPU-Modul, 16-fach GbE-Switch mit 4 Frontpanel Ports und powerbridge Computer PASM-M80H 80 GB SSD-Modul