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Serie Modulare Computersysteme, Teil 1/4 Vergleich der Architekturen

| Autor / Redakteur: Aksel Saltuklar * / Holger Heller

Der Start der Serie zeigt die Leistungsfähigkeit und Vielfalt modularer Computersysteme und ihre Skalierbarkeit. In den nächsten Folgen werden VPX/OpenVPX, MicroTCA und CompactPCI Serial im Detail vorgestellt.

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Modulare Computersysteme im Vergleich: Passive Bussysteme, 19"-Gehäuse und Einschübe in einfacher und doppelter Bauhöhe (3U/6U)
Modulare Computersysteme im Vergleich: Passive Bussysteme, 19"-Gehäuse und Einschübe in einfacher und doppelter Bauhöhe (3U/6U)
(ELMA)

Komplexe Embedded-Systeme werden gerne als modulare Systeme realisiert. Diese bieten den Vorteil der Standardisierung von physikalischen Formfaktoren und ermöglichen so die Austauschbarkeit von Hardwarekomponenten verschiedener Hersteller, was Zeit- und Kosteneinsparungen durch Wiederverwendbarkeit ermöglicht.

In den letzten Jahrzehnten beherrschten mit VME und CompactPCI Standards, die auf parallelen Datenbussen basieren, diesen Markt. Ihre Urahnen in den 1980er Jahren entstanden damals auf Basis der Busarchitekturen der großen Chiphersteller Motorola (heute Freescale) für VME und Intel für PCI-ISA (PICMG 1.0), später abgelöst durch CompactPCI (PICMG 2.x).

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Inzwischen sind beide Systeme offen für unterschiedliche CPU-Architekturen. Als aktuelle Nachfolger mit seriellen Hochleistungs-Datenbussen etablieren sich derzeit VPX/OpenVPX für VME und CompactPCI Serial für CompactPCI. Während VME ursprünglich von der IEC als ANSI/IEEE-Standard 1014 festgelegt wurde, erfolgte seit 1994 die Standardisierung von VPX/OpenVPX sowie von VME durch das VITA-Gremium. Eine wichtige Brückenfunktion zwischen VME und VPX/OpenVPX erfüllt dabei der ebenfalls von der VITA festgelegte Standard VXS, der mechanisch und protokollseitig kompatibel zu VME bereits den Einsatz von seriellen Technologien erlaubt.

CompactPCI (PICMG 2.x) und CompactPCI Serial (PICMG CPCI-S.0) werden von dem PICMG-Gremium standardisiert, wobei auch hier mit CompactPCI Plus IO (PICMG 2.30) ein Brückenstandard besteht, der mechanisch und teilweise protokollseitig kompatibel in Systemen mit hybrider Backplane die Nutzung von Modulen beider Architekturen ermöglicht. Mit MicroTCA (MTCA oder µTCA; PICMG MTCA.0) hat sich im letzten Jahrzehnt ein neuer, serielle Hochgeschwindigkeitsarchitekturen unterstützender Standard etabliert, der über keine parallelen „Altlasten“ verfügt und wie CompactPCI Serial ebenfalls vom PICMG-Gremium standardisiert wird.

Einheitliches Formfaktor-Konzept

MicroTCA hat sich aus dem in den späten 1990er Jahren neu etablierten Telekommunikationsstandard AdvancedTCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture; PICMG 3.x) entwickelt. Dieser definiert Advanced Mezzanine Cards (AMCs) mit kleinerem Formfaktor, die als eigenständige Tochterkarten die Basis für MicroTCA darstellen. Auf AdvancedTCA wird hier trotz seiner seriellen Struktur nicht eingegangen, da AdvancedTCA erstens sehr speziell auf Telekommunikation ausgelegt ist und zweitens den Platz- und Kostenrahmen der anderen hier besprochenen Standards weit überschreitet.

All den hier vorgestellten Systemen ist gemeinsam, dass sie mit passiven Bussystemen (Backplanes) arbeiten und in der Regel im 19"-Gehäusestandard verfügbar sind (Bild 1, Bild 2). Des Weiteren gibt es für alle Systeme Einschubkarten jeweils in einfacher und doppelter Bauhöhe (3U/6U bzw. Single/Double-Module), die aber nicht in allen Systemen zwingend miteinander kompatibel sind. Mit Ausnahme von MicroTCA basieren alle anderen Systeme auf dem jahrzehntelang bewährten Europakarten-Standard, der in der IEEE-Normenfamilie 1101.x beschrieben wird.

Die Module selbst haben einen Slotabstand (Pitch) von 0,8" (20,32 mm) und sind entweder als 3U im Standardformat von 100 mm x 160 mm oder als 6U mit 233,35 mm x 160 mm verfügbar. Single-MicroTCA-Module haben sich aus den Mezzanine-AMC-Modulen des AdvancedTCA-Standards entwickelt und sind mit diesen stecker- und formfaktoridentisch. Im Unterschied dazu gibt es die MicroTCA-Module in zwei verschiedenen Bauhöhen: Single- und Double-Module mit den Größen 73,5 mm x 180,6 mm und 148,5 mm x 180,6 mm und in drei Slotbreiten: Compact-, Mid- und Full-Size mit einem Slotabstand von 0,6/0,8/1,2". VXS ist wegen der Rückwärtskompatibilität mit VME nur in 6U verfügbar, CompactPCI PlusIO ist mit 6U praktisch nicht verfügbar und ist daher bei der Systemübersicht (Tabelle 1) nicht berücksichtigt.

Tabelle 1: Systemvergleich modularer Architekturen
Tabelle 1: Systemvergleich modularer Architekturen
(ELMA)

Wie werden Karten sicher ausgetauscht?

Damit jeweils nur mechanisch (Stecker!) wie auch elektrisch (Pinbelegung!) passende Module eingeschoben werden können, bieten die meisten Standards eine mechanische Kartenkodierung (Keying). Bei MicroTCA-Systemen erlaubt das Stecksystem dies nicht. Daher wird hier das Keying elektronisch über das Softwareprotokoll IPMI geregelt (E-Keying). Hierbei werden die Kartendaten zunächst abgeglichen und auf Kompatibilität geprüft. Das Protokoll erlaubt zugleich, dass die Module im laufenden Betrieb ausgetauscht werden können (Hot Swap). Für VPX-basierende Systeme befindet sich mit dem VITA46.11-Standard aktuell die Spezifikation für ein IPMI in der Entwurfsphase (Working Group Draft).

Einer der ersten Ansätze zur Erweiterung bestehender modularer Architekturen mit serieller Technologie war die Erweiterung der CompactPCI Backplane mit Gigabit Ethernet in der PICMG 2.16 vor mehr als 10 Jahren. Inzwischen sind serielle Fabrics mit Gigabit Ethernet bei allen Architekturen verfügbar.

Der wirklich große Fortschritt bei den möglichen Datenraten kam jedoch erst in den letzten Jahren mit der Einführung leistungsfähigerer Stecker: Geschirmte, differenzielle und impedanzkontrollierte Steckverbinder unterstützen alle aktuellen Hochgeschwindigkeitsprotokolle wie PCI Express, Serial Rapid IO, Serial ATA. Das am häufigsten verwendete Protokoll (PCI Express) ist für alle neuen seriellen Standards verfügbar. Unterschiedlich sind hier die Anzahl der ohne zusätzlichen Switch unterstützten Links und deren Breite.

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