Vorhang auf für... CD1-OPERA

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1 April Ausgabe 2003 D&E zum Schwerpunktthema Embedded Computing Vorhang auf für... CD1-OPERA Dokument Nr Edition 03/

2 Quo Vadis Industrielle und messtechnische Applikationen stellen zunehmende Ansprüche an die Rechenleistung eines Computerboards. Gleichzeitig sind raue Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen, insbesondere ein erhöhter Temperaturbereich. Diese Anforderungen übertrifft der neue CD1-OPERA, eine 6HE CPCI CPU von EKF. Für modulare Systeme mit passiver Backplane haben CompactPCI Systeme wegen der günstigeren Kosten VMEbus Rechner bereits überflügelt. Zum Erfolg trägt sicher auch die PXI Mess- und Automatisierungstechnik bei, die auf CPCI basiert. Manche mögen's heiß Während es allein ein hoch getakteter Pentium 4 Prozessor für Desktop Rechner auf eine Verlustleistung bis zu 82W bei einer zulässigen Die-Temperatur von höchstens 69/C bringt (P4 3,06GHz), ist auf einem CPCI Board nur eine begrenzte Leistungsaufnahme akzeptabel. Diese liegt bei etwa W für die komplette Leiterplatte, wenn man konservativ rechnet 1. Außerdem wird ein höherer Betriebstemperaturbereich angestrebt. Daher kommt für eine industrielle Rechnerkarte nur eine stromsparende CPU wie zb. der Intel Pentium 4 Mobile Prozessor in Frage. Auf dem CD1-OPERA steckt ein 2,4GHz Chip in 0,13: Technologie (Northwood ), der auch unter Vollast nicht mehr als 30W aufnimmt, und eine zulässige Sperrschichttemperatur von max. 100/C aufweist. Diese Bedingungen erlauben ein passives Kühlkonzept, wie es von vielen Anwendern gefordert wird. Dazu überdeckt ein gefrästes Profil Teile der Leiterplatte. Die Aufbauhöhe des Boards von nur 4TE bleibt dabei erhalten. Digital immer bestens im Bilde Mit dem Chipsatz 845G (Brookdale ) verfügt das Board über einen integrierten Grafikcontroller, der den Anschluss von modernen Flachbildschirmen und Röhrenmonitoren sowohl analog als auch digital per DVI-I Interface erlaubt. Die maximale Auflösung beträgt 2048 x 1536 Pixel, 16M Farben und 85Hz Bildwiederholrate. Das DVI Interface nutzt PanelLink Digital Technology (Silicon Image). Adapterstecker oder Adapterkabel sorgen für den problemlosen Betrieb älterer Geräte mit VGA Buchse (D-SUB15). 1 Auf dem CPCI Stecker J1 gibt es nur eine sehr begrenzte Anzahl von Stromversorgungspins. Im ungünstigsten Fall führen diese eine maximale Last von lediglich 1A. Die Versorgung der CPU kann keinesfalls aus der 12V Schiene erfolgen - hier existiert nur ein einziger Pin. Demnach liegt die Hauptlast auf der 5V Schiene. Mit 6 Pins für 5V (es existieren zwei weitere 5V Pins, die aber im Zusammenhang mit Hot-Swap stehen) ergeben sich 5V x 6A = 30W. Natürlich wird ein weiterer Teil der benötigten Leistung eines Boards über die 3,3V Schiene geführt, so dass die maximale Gesamtleistung um einiges höher liegt. Einige Steckverbinderhersteller geben 2A als maximalen Strom für einen einzelnen Kontakt an, damit würden sich die Leistungswerte verdoppeln

3 Vergissmeinnicht Zum Anschluss von Massenspeichern wie Festplatte und DVD Schreiber verfügt der CD1-OPERA über ein Ultra ATA/100 Interface. Wahlweise kann auf diesen Port über einen 44-poligen on- Board Steckverbinder zugegriffen werden (passend für 2,5" Hard Disks), oder es erfolgt der rückseitige Abgriff mit Hilfe eines Transition Moduls. Diese Möglichkeit wird gern genutzt, wenn der schnelle Tausch der CPU Karte vorrangig ist. Auch der Floppy-Disk Port steht per Rear-I/O zur Verfügung. Ein Stecksockel für ATA CompactFlash Karten ermöglicht die Nutzung von Silicon-Disks. CF Karten sind mittlerweile mit einer Kapazität von mehreren Gigabyte verfügbar und erlauben daher sogar Installation und Boot eines komplexen Betriebssystems. Hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens und der Immunität gegenüber Schock und Vibration sind Flash Speicherkarten optimal; wenn es jedoch vorrangig auf die Zugriffsgeschwindigkeit und Kapazität ankommt, haben natürlich konventionelle IDE Festplatten die Nase weit vorn. Der CD1-OPERA erlaubt selbstverständlich auch den Mix beider Speichertechnologien. Das weiter unten beschriebene Mezzanine Interface erlaubt wahlweise das Zustecken des PMC Moduls DE1-PUMA, das einen IDE Controller mit on-board 1,8" Festplatte enthält. So eine Lösung ist z.b. interessant für kompakte Blade Systeme. Das Herz jedes Rechners ist - das RAM. Die Standard-Technologie stellen derzeit DDR Speicher dar. Als Hauptspeicher für Embedded Systeme bieten sich vor allem SO-DIMM200 Module an, die gegenüber den in Desktop Rechnern gebräuchlichen Riegeln erheblich kleinere Abmessungen aufweisen. Im CD1-OPERA kommt wahlweise ein 512MB oder 1GB Modul zum Einsatz. Wir sind drin Erst zaghaft beginnt sich Gigabit Ethernet zu etablieren. Dabei sorgt diese Technologie nicht nur für einen souveränen Datendurchsatz, sondern gibt die Netzinfrastruktur (Switches und Backbone) auch schneller wieder frei für andere Teilnehmer. So lassen sich die oft geforderten Echtzeiteigenschaften eines Netzes, die im Grunde auf eine virtuelle Punkt-zu-Punkt Verbindung hinauslaufen, leichter realisieren. Der CD1-OPERA verfügt gleich über drei unabhängige Gigabit Ethernet Controller. Zwei Ports sind über die Frontplatte abgreifbar. Gern genutzt wird so die Möglichkeit der Trennung von Netzen, zb. durch Splitten in eine Feldbus-Ebene und das Office- Netz, wobei der CD1-OPERA die Aufgabe des Routers übernimmt. Ein weiterer Gigabit Ethernet Port steht konform zum PICMG 2.16 Standard am CPCI Steckverbinder J3 bereit. Die Norm 2.16 beschreibt die Vernetzung von Boards über die CPCI Backplane und weist nicht nur einen Ausweg aus der Bandbreitenbegrenzung des PCI Bus, sondern bietet gleichzeitig die bewährten Ethernet Protokollmechanismen an. Alle Gigabit Ethernet Ports sind selbstverständlich auch kompatibel zu den klassischen Standards 100Mb/s und 10Mb/s

4 Huckepack Im Pflichtenheft des CD1-OPERA stand die Möglichkeit zum modularen Ausbau mit Hilfe von Mezzanine Modulen ganz oben an. Weite Verbreitung haben PMC Karten gefunden. Diese belegen jedoch viel Raum durch vergleichsweise große Abmessungen. Pfiffiger sind da die von MEN eingeführten PC MIP Module. Vom Interface her sehr ähnlich, belegen PC MIP Mezzanine Boards jedoch nur den Teil der Fläche eines PMC Moduls. Wie auch immer - der CD1-OPERA kann alternativ mit zwei PC MIP Mezzanine Modulen oder einer PMC Karte bestückt werden. Sowohl frontseitige I/O Steckverbinder wie auch die Rear-I/O Übergabe an J5 sind vorgesehen. Von Herren und Knechten Auf jeder CPCI Backplane gibt es genau einen 'System Slot'. Exakt hier steckt die System-CPU, die man auch als Master bezeichnen könnte. Zur Entkopplung des Backplane CPCI Bus vom lokalen PCI Bus dient auf dem CD1-OPERA eine so genannte PCI Bridge. Alle anderen CPCI Steckplätze auf der Backplane werden als 'Peripheral Slots' bezeichnet und dienen normalerweise zur Systemerweiterung mit CPCI I/O Boards, wie zb. SCSI, FireWire, A/D und D/A Karten. Wie lässt sich jedoch unter diesen Bedingungen ein Multi-Prozessor System realisieren? Das Zauberwort heißt 'Non-Transparent PCI-Bridge'. Mit einer solchen Bridge sind CPU Boards als Slaves auch auf den Peripheral Slots einsetzbar. Damit lässt sich die Gesamtperformance eines Systems drastisch steigern, indem Teilaufgaben jeweils von einer eigenen Rechnerkarte bearbeitet werden. Der CD1-OPERA verfügt über eine moderne PCI Bridge vom Typ HINT HB6, die sich für die transparente (System Slot) oder non-transparente (Peripheral Slot) Betriebsart konfigurieren lässt. Zusätzlich ist der CD1-OPERA mit einem Hot-Swap Controller entsprechend der 'Full Hot Swap' Spezifikation PICMG 2.1 ausgestattet. Dies erlaubt den Austausch von CPU Karten auf Peripheriesteckplätzen im laufenden Betrieb. Messen - Prüfen - Automatisieren Eine immer stärkere Bedeutung gewinnen PXI Systeme (National Instruments) für Mess- und Automatisierungsaufgaben. PXI steht für 'PCI extensions for Instrumentation' und setzt auf CompactPCI auf. Zusätzlich werden jedoch noch Zeit- und Triggersignale spezifiziert. Der CD1-OPERA erzeugt bzw. verarbeitet diese Signale in einem PXI Controller, der über ein FPGA realisiert wurde. Damit eignet sich dieses Board hervorragend für PXI Systeme

5 Brauchtumspflege Über die so genannten Legacy Ports braucht man an dieser Stelle nicht viele Worte verlieren. Dazu gehören Anschlussmöglichkeiten für PS/2 Keyboard und Maus ebenso wie die klassischen seriellen Interfaces und die Parallel-Schnittstelle, teilweise über die Frontplatte des CD1-OPERA erreichbar, und teilweise über die rückwärtigen Steckverbinder geführt. Zunehmend werden diese Schnittstellen ja durch USB abgelöst. Der CD1-OPERA bietet gleich mehrere USB Ports (2.0 Highspeed und 1.1 kompatibel) für die Nutzung über die Frontplatte und auch als Rear-I/O. Basic Instinct Von den meisten Anwendern wird die Bedeutung des BIOS (Basic Input/Output System) für das einwandfreie Funktionieren nicht nur der Zentraleinheit, sondern des Gesamtsystems, gern unterschätzt. Das BIOS ist eben nicht nur Selbsttest und Urlader, sondern nimmt Initialisierung und Konfiguration zahlloser lokaler Register und externer PCI Sub-Busse vor. So manches unerklärliche Systemverhalten findet in einem schlecht abgestimmten BIOS seine Erklärung. Mittlerweile hat sich ein modernes BIOS zu einem kleinen Betriebssystem entwickelt, das sogar Protokolle wie USB beherrschen muss, um schon beim Systemstart die Bedienung von USB Keyboard und Maus oder den Boot von einem externen USB Laufwerk zu ermöglichen. Für den CD1-OPERA hat EKF ein Phoenix BIOS lizensiert. Dieses gilt allgemein als das derzeit leistungsfähigste und am besten dokumentierte BIOS. Dies erlaubt EKF die qualifizierte Pflege des BIOS, sei es zur Beseitigung von eventuellen Bugs oder im Hinblick auf funktionale Erweiterungen. Wie allgemein üblich ist das BIOS in einem Flash Speicher untergebracht, der die Überprogrammierung erlaubt, falls ein Update erforderlich sein sollte. Der Flash Baustein ist auf dem CD1-OPERA gleich doppelt angeordnet; dies erlaubt Redundanz durch eine Sicherungskopie des BIOS oder die Nutzung für anwenderspezifische BIOS Erweiterungen. Aus deutschen Landen... Der CD1-OPERA ist eine universelle CPU mit hoher Rechenleistung, für allein stehende Anwendungen ebenso geeignet wie für voll ausgebaute CPCI Systeme bis hin zu Cluster- Rechnern. EKF bietet eine dreijährige Garantie und umfassenden Anwendersupport, gegebenenfalls durch Spezialisten der Entwicklung. Bei aller gebotenen Bescheidenheit ist der CD1-OPERA ein solides Stückchen deutsche Technik. Wir können fast alles, sogar etwas hochdeutsch

6 Blockschaltbild CD1-OPERA - 6 -

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8 Anordnung Steckverbinder CD1-OPERA EKF Elektronik GmbH Philipp-Reis-Str HAMM Germany Internet Fax. +49 (0)2381/ Tel. +49 (0)2381/ info@ekf.de