1,、工業(yè)計算機技術(shù)的發(fā)展
從PCI到CompactPCI到AdvancedTCA,，工業(yè)計算機正經(jīng)歷一次革命性的變化。
傳統(tǒng)的PCI結(jié)構(gòu)的工業(yè)計算機,，是一種典型的計算架構(gòu),。高度集中的數(shù)據(jù)處理方式、不可擴展的系統(tǒng)總線,、功能簡單的外圍設(shè)備是這種傳統(tǒng)的計算機體系結(jié)構(gòu)的最大的特點,。在這樣的系統(tǒng)中，CPU或主板是整個系統(tǒng)的“計算中心”,，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)擴展能力等方面都受到很大的制約,，任何一點形成瓶頸或發(fā)生故障都會使整個系統(tǒng)陷入癱瘓,。這一切，使傳統(tǒng)的PCI結(jié)構(gòu)的工業(yè)計算機的應(yīng)用受到很多限制,。
在PCI基礎(chǔ)上發(fā)展而成的CompactPCI工業(yè)計算機,，是一種比較先進的擴展的計算架構(gòu)。在這種新型的計算機體系結(jié)構(gòu)中,，CPU或主板不再是整個系統(tǒng)的“計算中心”,，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)交換總線進行傳輸，也可以通過擴展的H.110通信總線或客戶自定義的方式實現(xiàn)更多的業(yè)務(wù),。CompactPCI工業(yè)計算機,，采用了比PCI工業(yè)計算機更加穩(wěn)固的、易于維護的,、具有良好散熱特性和EMC特性的機械結(jié)構(gòu),，采用了開放化、模塊化的,、可擴展的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，采用了熱拔插、系統(tǒng)管理,、冗余設(shè)計等先進的設(shè)計思想,，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)測控、航空航天和國防軍工等關(guān)鍵行業(yè),。
無論是PCI工業(yè)計算機還是CompactPCI工業(yè)計算機,，都沒有擺脫傳統(tǒng)的計算架構(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),，以先進的通信架構(gòu)取代傳統(tǒng)的計算架構(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)計算機徹底擺脫了各種制約,，進入了一個全新的發(fā)展時期,。ATCA因為具有更先進的性能、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算機,、通信設(shè)備制造商和運營服務(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 的各項優(yōu)點，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)和相對較低的系統(tǒng)成本，為下一代工業(yè)計算機和測控系統(tǒng)提供了更先進的解決方案,。
2,、MicroTCA的技術(shù)特點
MicroTCA是一個完全模塊化的系統(tǒng)平臺，主要包括AMC模塊,、MCH模塊,、電源模塊、高速背板,、機箱和風(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可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理（CPU/NPU/DSP/FPGA）,、數(shù)據(jù)存儲（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,、互連方式和擴展能力等方面都有很大的優(yōu)勢。
表1 AMC模塊與PMC模塊的對比
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+機箱管理模塊（Fabric+Carrier+ShMC）,。每個MCH可以對12個AMC提供數(shù)據(jù)交換和管理功能，每個系統(tǒng)最多可以有4個MCH通過Update Channel互連,，實現(xiàn)多達48個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AMC最多可以有21個可配置的高速數(shù)據(jù)接口，每個MCH最多可以有60個可配置的高速數(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，在背板上實現(xiàn)mesh結(jié)構(gòu)的點到點的直接連接,。
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Power Module有16個DC輸出通道，可分別對12個AMC,、2個MCH和2個風(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的每個模塊都有兩個IPMI接口,，Power Module通過IPMB-0對MCH進行在位偵測和上電控制，MCH通過IPMB-L對所有AMC模塊進行在位偵測,、使能和物理地址識別,，所有的MCH和AMC都可以通過特定的IP接口與上一級的系統(tǒng)管理模塊相連，實行更為復(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,、細顆粒的功能模塊的同時,，也采用了符合IEC 60297、 IEC 60917的非常靈巧的機箱結(jié)構(gòu),，可以根據(jù)配置規(guī)模和應(yīng)用環(huán)境進行選擇,。圖5是幾種典型的MicroTCA機箱結(jié)構(gòu)示意。
圖5 MicroTCA的機箱結(jié)構(gòu)
在可靠性設(shè)計方面,，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MCH和Power Module,、采用簡單的星形拓?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)控和機箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求更高的環(huán)境,，多個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)和機箱管理系統(tǒng)等也要采取更多的HA（High Available）設(shè)計,。
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
- 梯級化的可靠性設(shè)計
- 較低的開發(fā)和應(yīng)用成本
- 較少的產(chǎn)品開發(fā)時間
- 更長的產(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,，必將在新一代的網(wǎng)絡(luò)通信邊緣接入設(shè)備、嵌入式測量和控制設(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的市場預(yù)測
4、參考文獻
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成員的研究報告,。
由于MicroTCA還在繼續(xù)發(fā)展和完善之中，作者對這一新技術(shù)的理解也不夠全面和深入,，所以,，本文內(nèi)容僅供參考，請勿作為產(chǎn)品設(shè)計依據(jù),。