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Digital-Kompendium Compact PCI Serial CompactPCI Serial Architekturüberblick

Redakteur: Holger Heller

CompactPCI Serial ist eine Weiterentwicklung des bewährten CompactPCI. Der neue Basisstandard der PICMG mit der Bezeichnung CPCI-S.0 ersetzt die parallelen Signale komplett durch schnelle serielle Datenübertragung und führt einen neuen Steckverbinder ein.

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Gleichberechtigt für PCI Express: Sternarchitektur bei CompactPCI Serial
Gleichberechtigt für PCI Express: Sternarchitektur bei CompactPCI Serial
(Bild: VBM-Archiv)

Damit unterstützt CompactPCI Serial alle modernen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und bleibt gleichzeitig mechanisch kompatibel zur IEEE 1101 und dem Europakartenformat. CompactPCI Serial basiert auf einer einfachen, vollständigen Sternarchitektur gleichberechtigt für PCI Express (optional auch Serial Rapid IO, SRIO), SATA bzw. SAS und USB. Der System-Slot unterstützt bis zu acht solcher Peripherie-Slots. Für ein System mit bis zu neun Steckplätzen werden keine Bridges oder Switches benötigt.

An sich sind alle Peripherie-Slots identisch. Lediglich zwei sind mit einem besonders breiten PCI-Express-Link an den System-Slot angebunden, einer sogenannten Fat Pipe. Diese Steckplätze können beispielsweise für eine High-End-Grafikerweiterung genutzt werden.

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Ethernet ist nicht als Stern verdrahtet sondern als vollständig vermaschtes Netz (Full Mesh). Bei Full-Mesh-Architekturen ist jeder der neun Slots mit jedem der anderen acht Slots über eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung angekoppelt. Das Verdrahtungsschema ist dabei so gewählt, dass – wenn eine CPU-Karte beispielsweise nur zwei Ethernet-Schnittstellen unterstützt – drei Steckplätze vollständig vernetzt sind – auch ohne Switches, Routing usw.

Im Gegensatz zu anderen Konzepten basiert die Ethernet-Übertragung auf der Backplane auf den bewährten Standards für Kupferverbindungen 100BASE-T, 1000BASE-T und 10GBASE-T. Der Vorteil besteht in der unbeschränkten Interoperabilität auch bei verschiedenen Geschwindigkeiten. Zumindest optional ist die galvanische Trennung möglich und damit die Rückwirkungsfreiheit der Boards gewährleistet. Dies ist für redundante, sicherheitskritische Systeme von Bedeutung. Außerdem können mehrere Systeme einfach miteinander verbunden werden.

Zusätzlich steht eine Reihe von Signalen zur Unterstützung dieser Schnittstellen sowie zur allgemeinen Systemverwaltung bereit, etwa für Reset, IPMB, Hot-Plug, geographische Adressierung usw.

Zur Stromversorgung stehen 12 V zur Verfügung, die für einen 3-HE-Steckplatz eine Belastung bis zu 60 Watt erlaubt. Das gilt auch für die Peripherie-Steckplätze. Die Interfaces stehen hier zudem alle gleichzeitig zur Verfügung. Dies ist zum Beispiel wichtig für Standards wie PCI Express Mini Cards, die sowohl USB- als auch PCI-Express-Unterstützung erwarten.

Sternarchitektur mit Ethernet-Mesh

Die Architektur von CompactPCI Serial entspricht also einem einfachen Stern aus einem System-Slot und bis zu acht Peripherie-Slots, kombiniert mit dem vollständigen Mesh für Ethernet. Die Anschlussbelegung für Ethernet von System- und Peripherie-Slot ist deckungsgleich. Ein Pin informiert die eingesteckte Baugruppe, ob sie sich in einem System- oder in einem Peripherie-Slot befindet.

So ist es möglich, ein System-Slot-Board (in der Regel eine CPU-Karte), auch in jeden Peripheriesteckplatz einzustecken. Natürlich werden dann nicht alle Schnittstellen funktionieren können – SATA in der Regel nicht, Ethernet aber immer. CompactPCI Serial unterstützt somit trotz der Sternstruktur symmetrisches Multiprocessing mit bis zu neun CPUs in einem System – ohne Bridges und ohne spezielle Backplane. Mit Bridges sind noch mehr denkbar.

Der neue Steckverbinder – AirMax für raue Umgebungen

Der Einsatz eines neuen Steckverbinders ermöglicht die erforderliche hohe Signaldichte und die hohen Übertragungsfrequenzen von 12 GBit/s und mehr. Der AirMax-Stecker (FCI, Amphenol TCS) bietet Platz für bis zu 184 Pin-Paare auf einer 3-HE-Baugruppe. Die hohe Pin-Anzahl ist besonders wegen der bereits erwähnten Sternarchitektur moderner Rechner für den System-Slot wichtig. Er erlaubt aber auch die Nutzung einer Menge freier Pins für kundenspezifische Rear-I/O auf Peripheriebaugruppen. Die Mechanik des Steckers berücksichtigt die Anforderungen der IEEE 1101 und die Anmutung erinnert sehr an die bewährten 2-mm-Steckverbinder des CompactPCI-Standards.

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