1、工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展
從PCI到CompactPCI到AdvancedTCA，工業(yè)計(jì)算機(jī)正經(jīng)歷一次革命性的變化。
傳統(tǒng)的PCI結(jié)構(gòu)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，是一種典型的計(jì)算架構(gòu)。高度集中的數(shù)據(jù)處理方式、不可擴(kuò)展的系統(tǒng)總線、功能簡(jiǎn)單的外圍設(shè)備是這種傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的最大的特點(diǎn)。在這樣的系統(tǒng)中，CPU或主板是整個(gè)系統(tǒng)的“計(jì)算中心”，PCI總線是數(shù)據(jù)傳遞的唯一通道，數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)傳輸能力、系統(tǒng)擴(kuò)展能力等方面都受到很大的制約，任何一點(diǎn)形成瓶頸或發(fā)生故障都會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓。這一切，使傳統(tǒng)的PCI結(jié)構(gòu)的工業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用受到很多限制。
在PCI基礎(chǔ)上發(fā)展而成的CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)，是一種比較先進(jìn)的擴(kuò)展的計(jì)算架構(gòu)。在這種新型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，CPU或主板不再是整個(gè)系統(tǒng)的“計(jì)算中心”，外圍設(shè)備更加智能化和模塊化，集中分散式的數(shù)據(jù)處理方式取代了高度集中的數(shù)據(jù)處理方式；PCI總線也不再是數(shù)據(jù)傳遞的唯一通道，大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以通過星型或雙星結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)交換總線進(jìn)行傳輸，也可以通過擴(kuò)展的H.110通信總線或客戶自定義的方式實(shí)現(xiàn)更多的業(yè)務(wù)。CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)，采用了比PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)更加穩(wěn)固的、易于維護(hù)的、具有良好散熱特性和EMC特性的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用了開放化、模塊化的、可擴(kuò)展的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了熱拔插、系統(tǒng)管理、冗余設(shè)計(jì)等先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，因此，具有更高的性能和可靠性，正在被越來越多的應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)測(cè)控、航空航天和國(guó)防軍工等關(guān)鍵行業(yè)。
無論是PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)還是CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)，都沒有擺脫傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)和電平方式傳輸?shù)牟⑿锌偩€，這成為影響其性能進(jìn)一步提高的最大的障礙。
PICMG于2002年發(fā)布的ATCA（Advanced Telecommunication Computing Architecture）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以先進(jìn)的通信架構(gòu)取代傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)，以低壓差分方式的高速串行總線取代電平方式的低速并行總線，以可配置的多樣化的接口和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取代單一的PCI傳輸模式。這種革命性的變化，使工業(yè)計(jì)算機(jī)徹底擺脫了各種制約，進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)期。ATCA因?yàn)榫哂懈冗M(jìn)的性能、更好的模塊化的結(jié)構(gòu)和更加完善的系統(tǒng)管理方式，正在被越來越多的高性能計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)服務(wù)商選定為新一代產(chǎn)品的解決方案。
PICMG最近發(fā)布的MicroTCA（Micro Telecommunications Computing Architecture）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，充分采納、沿用了ATCA 的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，把ATCA中的AMC模塊（Advanced Mezzanine Card）作為系統(tǒng)的基本配置單元，以更小的體積、更緊湊的結(jié)構(gòu)和相對(duì)較低的系統(tǒng)成本，為下一代工業(yè)計(jì)算機(jī)和測(cè)控系統(tǒng)提供了更先進(jìn)的解決方案。
2、MicroTCA的技術(shù)特點(diǎn)
MicroTCA是一個(gè)完全模塊化的系統(tǒng)平臺(tái)，主要包括AMC模塊、MCH模塊、電源模塊、高速背板、機(jī)箱和風(fēng)扇模組等部分。MicroTCA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 MicroTCA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
MicroTCA的功能模塊有6種可選擇的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如圖2所示。
圖2 AMC的標(biāo)準(zhǔn)尺寸
AMC是MicroTCA的基本功能模塊，它與ATCA中的AMC在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣特性、接口類型和連接方式等方面都完全兼容。ATCA中的AMC可以直接應(yīng)用于MicroTCA。用AMC可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理（CPU/NPU/DSP/FPGA）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（CF/HDD/CDR）、數(shù)據(jù)通信（GbE/10GbE/xDSL/xPON/RF）和數(shù)據(jù)I/O功能。與CPCI系統(tǒng)的PMC模塊（PCI Mezzanine Card）相比，AMC在結(jié)構(gòu)、功能、性能、互連方式和擴(kuò)展能力等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。
表1 AMC模塊與PMC模塊的對(duì)比
表2 AMC的背板接口類型
MCH（MicroTCA Controller & Hub）是MicroTCA的系統(tǒng)控制、管理和數(shù)據(jù)交換模塊，之前曾被稱為虛擬載卡管理器（VCM--Virtual Carrier Manager），即，MicroTCA系統(tǒng)的MCH相當(dāng)于ATCA系統(tǒng)的交換模塊+AMC載卡+機(jī)箱管理模塊（Fabric+Carrier+ShMC）。每個(gè)MCH可以對(duì)12個(gè)AMC提供數(shù)據(jù)交換和管理功能，每個(gè)系統(tǒng)最多可以有4個(gè)MCH通過Update Channel互連，實(shí)現(xiàn)多達(dá)48個(gè)AMC的數(shù)據(jù)交換和管理。MCH的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
圖3 MCH的結(jié)構(gòu)框圖
每個(gè)AMC最多可以有21個(gè)可配置的高速數(shù)據(jù)接口，每個(gè)MCH最多可以有60個(gè)可配置的高速數(shù)據(jù)接口，這些接口通過MicroTCA背板及MCH的交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。AMC模塊可以通過MCH在背板上以star、dual star、star fabric方式連接，也可以不通過MCH，在背板上實(shí)現(xiàn)mesh結(jié)構(gòu)的點(diǎn)到點(diǎn)的直接連接。
圖4 Dual star 結(jié)構(gòu)的MicroTCA系統(tǒng)互聯(lián)方式
MicroTCA的Power Module，把系統(tǒng)輸入的DC48V電源或AC電源轉(zhuǎn)換成DC12V，通過背板為其他MicroTCA模塊提供電源供應(yīng)和功率管理功能，類似于ATCA系統(tǒng)的PEM和載卡上的DC/DC Converter。每個(gè)Power Module有16個(gè)DC輸出通道，可分別對(duì)12個(gè)AMC、2個(gè)MCH和2個(gè)風(fēng)扇模組供電。與CPCI電源一樣，MicroTCA的Power Module也支持N+1的冗余工作模式。
MicroTCA的每個(gè)模塊都有兩個(gè)IPMI接口，Power Module通過IPMB-0對(duì)MCH進(jìn)行在位偵測(cè)和上電控制，MCH通過IPMB-L對(duì)所有AMC模塊進(jìn)行在位偵測(cè)、使能和物理地址識(shí)別，所有的MCH和AMC都可以通過特定的IP接口與上一級(jí)的系統(tǒng)管理模塊相連，實(shí)行更為復(fù)雜的系統(tǒng)監(jiān)控、配置和管理功能。
由于要面向小規(guī)模的系統(tǒng)應(yīng)用，MicroTCA采用小尺寸、細(xì)顆粒的功能模塊的同時(shí)，也采用了符合IEC 60297、 IEC 60917的非常靈巧的機(jī)箱結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)配置規(guī)模和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇。圖5是幾種典型的MicroTCA機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意。
圖5 MicroTCA的機(jī)箱結(jié)構(gòu)
在可靠性設(shè)計(jì)方面，MicroTCA也根據(jù)不同的應(yīng)用要求提供了不同的選擇。比如，在可靠性要求低的系統(tǒng)中，可以只有1個(gè)MCH和Power Module、采用簡(jiǎn)單的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以只有1組風(fēng)扇甚至沒有風(fēng)扇，可以沒有系統(tǒng)監(jiān)控和機(jī)箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求比較高的系統(tǒng)中，MCH、Power Module和風(fēng)扇模組要采用1+1冗余，MCH和AMC模塊之間的通信要采用雙星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要有基本的系統(tǒng)監(jiān)控和機(jī)箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求更高的環(huán)境，多個(gè)MCH和AMC之間的通信則要采用Star Fabric或Full Mesh的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和機(jī)箱管理系統(tǒng)等也要采取更多的HA（High Available）設(shè)計(jì)。
3、MicroTCA的應(yīng)用前景
從前面的介紹可以看出，MicroTCA具有如下先進(jìn)特性：
- 完全兼容AMC和ATCA
- 標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊
- 可配置的業(yè)務(wù)類型
- 可擴(kuò)展的背板傳輸帶寬
- 緊湊的物理結(jié)構(gòu)
- 靈活的應(yīng)用方式
- 梯級(jí)化的可靠性設(shè)計(jì)
- 較低的開發(fā)和應(yīng)用成本
- 較少的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間
- 更長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期
MicroTCA雖然是PICMG最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于它是從ATCA和AMC發(fā)展而來，產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用環(huán)境都已經(jīng)基本形成，再加上PICMG數(shù)百家成員的積極推動(dòng)，必將在新一代的網(wǎng)絡(luò)通信邊緣接入設(shè)備、嵌入式測(cè)量和控制設(shè)備、圖形圖像處理設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、智能交通、航空航天和軍工等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。
圖6 MicroTCA的市場(chǎng)預(yù)測(cè)
4、參考文獻(xiàn)
本文根據(jù)PICMG Micro Telecommunications Computing Architecture Short Form Specification MTCA.0 , September 21st, 2006編寫，部分圖片和數(shù)據(jù)摘自MTCA.0及PICMG成員的研究報(bào)告。
由于MicroTCA還在繼續(xù)發(fā)展和完善之中，作者對(duì)這一新技術(shù)的理解也不夠全面和深入，所以，本文內(nèi)容僅供參考，請(qǐng)勿作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)依據(jù)。