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)過這十年風(fēng)風(fēng)雨雨的洗禮，CompactPCI規(guī)范已經(jīng)由當(dāng)年孤零零的PICMG2.0單一規(guī)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(guī)范群體；而CompactPCI技術(shù)也由當(dāng)初的"養(yǎng)在深閨無人識"，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)可以大規(guī)模成批量地應(yīng)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，并行總線的發(fā)展應(yīng)經(jīng)到了盡頭，CompactPCI技術(shù)的路會(huì)越走越窄；也有人說CompactPCI不過是工業(yè)計(jì)算機(jī)的一個(gè)昂貴替代品；然而時(shí)至今日，縱觀CompactPCI技術(shù)的發(fā)展，這些論斷多少顯得有些幼稚可笑。CompactPCI的路不僅沒有越走越窄，反而越走越寬：PICMG在修正原有規(guī)范的同時(shí)，不斷地將最先進(jìn)的成熟技術(shù)納入CompactPCI的規(guī)范體系，最大限度地發(fā)揮CompactPCI平臺所蘊(yùn)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)普遍感覺是CompactPCI可以做越來越多的事情，是一項(xiàng)前途無量的技術(shù)！而對于設(shè)備制造商來說，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題，從而使得他們可以用更短的TTM（Time
To Market），獲取更大的市場份額。
現(xiàn)如今CompactPCI技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域，數(shù)據(jù)通訊以及網(wǎng)絡(luò)處理領(lǐng)域取得了很廣泛的應(yīng)用，越來越多的工程師開始認(rèn)識到這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)越性；而隨著CompactPCI設(shè)備成本的不斷下降，其在各行各業(yè)的應(yīng)用規(guī)模必然不斷擴(kuò)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CompactPCI技術(shù)取得了充分的發(fā)展和長足的進(jìn)步。但同時(shí)在某些行業(yè)應(yīng)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(yīng)用（如增值業(yè)務(wù)）中獲得一些份額，而核心的運(yùn)營商級應(yīng)用全是專有設(shè)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(dāng)前電信設(shè)備的要求與CompactPCI規(guī)范，答案很明顯：
電信設(shè)備要求：
- 大容量，高密度：單臺設(shè)備可帶用戶數(shù)量越大越好。因此電信設(shè)備的板卡面積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CompactPCI的6U×160mm，以容納更多的集成電路芯片。
- 高性能，高速計(jì)算：一些采用新一代集成電路技術(shù)的CPU功耗已高達(dá)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(guī)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(yuǎn)低于高速電信設(shè)備的要求，2.5Gbps甚至10Gbps的傳輸速度已經(jīng)開始進(jìn)入人們的視線。
其它方面比如系統(tǒng)管理以及支持光纖等多種接口的Rear I/O定義等方面，CompactPCI規(guī)范也難以滿足電信設(shè)備的要求。
在這種情況下，AdvancedTCA應(yīng)運(yùn)而生。如果說PICMG"十年磨一劍"，那么這柄鋒利的寶劍就是集萬千寵愛于一身的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(jì)算平臺。其特點(diǎn)如下：
- 在結(jié)構(gòu)上AdvancedTCA與CPCI、VME一樣，都遵循成熟的IEC60297標(biāo)準(zhǔn)。
- AdvancedTCA采用先進(jìn)的Piont to Piont Switched Fabric 結(jié)構(gòu)，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(shè)備大容量、高密度的要求。
- AdvancedTCA允許每一張板卡的功耗高達(dá)200W，并可以有效地為其散熱，整個(gè)AdvancedTCA SHELF的散熱能力高達(dá)3KW。開發(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(tǒng)管理功能，開發(fā)工程師可以非常方便地對每一張板卡以及SHELF內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。而且AdvancedTCA可以支持多個(gè)系統(tǒng)控制器以冗余方式工作，極大地保證了系統(tǒng)管理的安全可靠性。
我們再回過頭來看看用戶對AdvancedTCA的反應(yīng)：
- 對于電信運(yùn)營商而言，在dvancedTCA出現(xiàn)之前，幾乎所有的電信設(shè)備都是專有設(shè)備（Propriatary Equipment），不同廠家的設(shè)備互不兼容，不可替換，一旦選定一家廠商的設(shè)備，就要面臨第二次投資，極大地造成資源浪費(fèi)！電信運(yùn)營商為此苦不堪言，一種嶄新地專用于電信設(shè)備的高性能通用平臺顯然符合他們的愿望。
- 對于電信設(shè)備制造商而言，他們也在渴望一種通用系統(tǒng)平臺，可以幫助他們有效地將多種應(yīng)用技術(shù)都統(tǒng)一到這種通用平臺上面，從而極大地節(jié)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(qiáng)他們的競爭力。
AdvancedTCA正是這樣的通用系統(tǒng)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?qū)儆谒妮x煌！
二、 AdvancedTCA 核心技術(shù)
作為新一代電信網(wǎng)絡(luò)的高性能計(jì)算平臺，AdvancedTCA融合了很多國際先進(jìn)技術(shù)，在計(jì)算性能，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，管理性能等方面都比原有計(jì)算架構(gòu)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(jié)構(gòu)
這是一種全新的數(shù)據(jù)連接結(jié)構(gòu)，在這種"交換結(jié)構(gòu)"的支持下，任何一次數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通路通向任何它想去的連接器的任何Pin。這種數(shù)據(jù)連接是通過一種交換元件動(dòng)態(tài)地對數(shù)據(jù)通路進(jìn)行連接和斷開，從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
AdvancedTCA Fabric 接口信道是建立在LVDS(低壓差分信號)差分對基礎(chǔ)之上，電氣特性需求是建立在3.125GHz 信號基礎(chǔ)之上。數(shù)據(jù)編碼使用8b/10b
編碼機(jī)制 。AdvancedTCA A中兩塊板卡的基本連接單元稱作通路，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(gòu)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?fù)涞牟煌�，分為Dual Star（雙星型），Dual-Dual Star（雙-雙星型），F(xiàn)ull Mesh（全網(wǎng)狀）三種結(jié)構(gòu)。
A． Dual Star結(jié)構(gòu)
Dual Star是所有Switched Fabric中最基本的配置結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)
Dual-Dual Star連接兩個(gè)獨(dú)立的且冗余的Fabric結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)
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(jié)點(diǎn)板卡（Node
boards）。全網(wǎng)狀背板可以支持所有類型板卡并且兼容Multi-Fabric系統(tǒng)。
下圖是全網(wǎng)狀背板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖
由下而上依次為：電源層，系統(tǒng)管理層，模擬測試總線，基本接口，更新總線，F(xiàn)ull Mesh Fabric接口。其中，系統(tǒng)管理總線基于IPMI，并設(shè)計(jì)為冗余使用，以確保系統(tǒng)管理安全可靠。系統(tǒng)管理總線可以是I2C總線，也可以是星型連接方式�；窘涌趧t是一個(gè)雙星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)湫问�，所有信號的連接與交換都要通過背板，因此背板的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，完整的背板測試手段…，這些都是決定系統(tǒng)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(dá)10Gbps的Full
Mesh背板，并且通過了嚴(yán)格的模擬測試。
2．AdvancedTCA Shelf的散熱技術(shù)
這應(yīng)該是AdvancedTCA各項(xiàng)技術(shù)中難度最大，最不易實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)技術(shù)了！PICMG3.0規(guī)定了單板熱量高達(dá)200W，單臺Shelf熱量高達(dá)3KW左右，如何有效散去這3KW熱量顯然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)！在這種情況下，只有全面的，綜合運(yùn)用各種手段的散熱方案才能解決問題：
a) 采用散熱能力強(qiáng)，通風(fēng)量大的渦輪式風(fēng)機(jī)，且可以支持智能化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
b) Shelf 整體設(shè)計(jì)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(dǎo)，沿著預(yù)先設(shè)計(jì)好的通道運(yùn)行。
c) 因?yàn)锳TCA板卡深度較大，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證前端插卡有充分的冷卻風(fēng)流通過，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(jié)構(gòu)滿足ATCA規(guī)范的散熱要求。
e) 還要考慮機(jī)柜的情況：當(dāng)機(jī)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(dāng)機(jī)柜完全封閉的情況下，熱空氣很難及時(shí)排到機(jī)柜外面去，會(huì)造成熱空氣在機(jī)柜內(nèi)部循環(huán)，導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，這時(shí)風(fēng)冷已無法達(dá)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為例來介紹ATCA的散熱技術(shù)：
其技術(shù)規(guī)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(jù)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(biāo)記5-->
Condition A： 4個(gè)Ricool Blowers 以75%的轉(zhuǎn)速運(yùn)行：
Condition B：3個(gè)Ricool Blower以100%轉(zhuǎn)速運(yùn)行：
根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果分析，威圖公司確定了其13U ATCA Shelf的整體設(shè)計(jì)，并確保其完全符合AdvancedTCA規(guī)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(dāng)系統(tǒng)對散熱的要求甚至高于ATCA規(guī)范的定義（3KW/shelf）時(shí)
- 當(dāng)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(qū)域時(shí)
- 當(dāng)客戶需要更加緊湊的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(diào)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循環(huán)管道與工業(yè)空調(diào)的循環(huán)系統(tǒng)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(qū)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(tǒng)管理等，這里因?yàn)槠�，不再一一介紹。
CompactPCI與AdvancedTCA的應(yīng)用介紹
A． CompactPCI應(yīng)用介紹：
作為高性能高可靠性的計(jì)算平臺，CompactPCI技術(shù)在很多行業(yè)都取得了廣泛的應(yīng)用，例如：電信增值業(yè)務(wù)包括彩鈴，彩話等，軍用通信系統(tǒng)，海軍聲納探測設(shè)備，雷達(dá)監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)機(jī)器控制設(shè)備，測量測控平臺，鐵道信號監(jiān)測系統(tǒng)，航天航空領(lǐng)域，石油測井計(jì)算平臺等等。
下面以威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)為例，介紹CompactPCI技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用：
A． ComapctPCI在海軍聲納探測技術(shù)中的應(yīng)用：
系統(tǒng)要求：大容量CompactPCI系統(tǒng)，背板可以支持20個(gè)DSP處理板卡，并保證充足的電力供應(yīng)，足夠的散熱能力，以及穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
威圖配置：12U 20slot CompactPCI系統(tǒng)，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(yīng)，同時(shí)支持5+1冗余。系統(tǒng)圖片如下圖：
該系統(tǒng)目前已通過海上試驗(yàn)，威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)以穩(wěn)定的性能保證了海上試驗(yàn)的最終成功。
B． CompactPCI在移動(dòng)增值業(yè)務(wù)——彩鈴系統(tǒng)中的應(yīng)用
作為彩鈴系統(tǒng)中最重要的設(shè)備——Voice Processing Unit的計(jì)算平臺。
系統(tǒng)要求：支持8個(gè)slot CompactPCI插卡（其中語音卡7個(gè)），支持4個(gè)熱插拔SCSI硬盤，支持Raid 0，1，3，5；支持風(fēng)扇故障報(bào)警顯示，支持交流電源冗余雙輸入且保證1000W電力供應(yīng)；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
威圖配置：8 slot H.110 CompactPCI背板，2個(gè)熱插拔SCSI硬盤模組（每一組支持2個(gè)熱插拔SCSI硬盤），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(tǒng)配置如下圖：
目前該系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場運(yùn)行了一年半多的時(shí)間，威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)以良好的質(zhì)量，穩(wěn)定的運(yùn)行獲得了用戶的一致好評。
B．AdvancedTCA應(yīng)用介紹：
AdvancedTCA的設(shè)計(jì)目的就是作為電信應(yīng)用的高級計(jì)算平臺，因此AdvancedTCA可以作為通用計(jì)算平臺在各種各樣的電信行業(yè)應(yīng)用中找到自己的位置，如下圖所示：
AdvancedTCA在電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的位置如下圖所示：
下面通過威圖公司AdvancedTCA Shelf在電信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用來具體說明ATCA技術(shù)的巨大優(yōu)勢：
1． ATCA在流媒體/IPTV中的應(yīng)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(tǒng)集成商從運(yùn)營商那里得到300，000個(gè)請求的訂單，為滿足客戶要求，需要配置以下系統(tǒng)：
1500 sets PC-server：For Example：Dell2850 2U
150個(gè)19“42U機(jī)柜：假設(shè)一個(gè)機(jī)柜安裝10個(gè)Dell2850
這意味著運(yùn)營商必須為這150個(gè)新增機(jī)柜準(zhǔn)備近300平方米面積的機(jī)房，這對于運(yùn)營商來說是非常非常高昂的成本，因此運(yùn)營商拒絕此方案。
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(jī)柜就可以了，這大大節(jié)省了運(yùn)營商的運(yùn)營成本，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(yīng)用
在采用ATCA技術(shù)之前，GSM基站控制器由3臺ETSI 機(jī)柜系統(tǒng)組成，總共約有200多塊處理板卡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗繁復(fù)雜，單卡處理能力偏弱，而且系統(tǒng)總成本偏高。
后來客戶采用威圖公司的13U ATCA Shelf作為基站控制器的處理平臺，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，只需要兩臺ATCA Shelf就可以代替原來的3臺機(jī)柜設(shè)備！
而且性能大為提高，穩(wěn)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ATCA技術(shù)在電信行業(yè)影響日漸擴(kuò)大，ATCA在電信行業(yè)的應(yīng)用必然越來越廣泛。
威圖公司簡介：
威圖公司是一家來自德國的跨國公司，在全球擁有50家子公司，20家工廠（其中包括威圖在加拿大滑鐵盧地區(qū)的子公司Kaparel —— 著名的CompactPCI/AdvancedTCA廠商），共8000余名員工。主營產(chǎn)品一共分為七大類，其中CPCI/ATCA產(chǎn)品屬于其第二大類產(chǎn)品。威圖公司是PICMG(PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)廠商聯(lián)盟)的主任委員，也是PICMG的發(fā)起者之一，是最“原始”的CPCI/ATCA廠商。威圖公司的CPCI/ATCA產(chǎn)品擁有多項(xiàng)獨(dú)特的專利技術(shù)，并以開放式架構(gòu)，兼容性好，配置靈活，定制性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而著稱于業(yè)界。公司內(nèi)有多名資深員工先后在PICMG，IEEE等國際標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范組織中擔(dān)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(nèi)提供最先進(jìn)的，符合PICMG最新規(guī)范的CPCI/ATCA產(chǎn)品。
PICMG/P.R.C 供稿 CTI論壇編輯
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