Bild 1: Der G20 ist der erste CompactPCI Serial Single-Board-Computer von MEN.

Bild 1: Der G20 ist der erste CompactPCI Serial Single-Board-Computer von MEN.MEN Mikro Elektronik GmbH

CompactPCI Serial ein würdiger Nachfolger

Der PICMG-Standard CompactPCI Serial oder auch kurz CPCI-S.0 ist Anfang März 2011 endgültig verabschiedet worden. Bei der Definition des CPCI-S.0-Standards standen drei Faktoren im Vordergrund: Die Nutzung modernster Technologien (serielle Schnittstellen anstelle paralleler Busse), kostenoptimiertes, robustes Design und die Rückwärtskompatibilität zu existierenden Lösungen. CompactPCI hat in CompactPCI Serial einen würdigen Nachfolger für einen wichtigen branchenübergreifenden Standard der nächsten Dekade gefunden.

Bis heute basieren die meisten modularen Computer auf dem weltweit geschätzten CompactPCI- Standard (PICMG 2.0). Die seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen werden je nach Bedarf proprietär über benutzerdefinierte Pins realisiert. Dies führt aber leider zu zunehmender Inkompatibilität der Baugruppen verschiedener Hersteller, was kundenspezifische Rückwandplatinen zum Anschluss der seriellen Busse erforderlich macht. Der CompactPCI-Serial-Standard beinhaltet verschiedene Richtlinien für Interoperabilität, wie zum Beispiel die Reihenfolge für das Auffüllen von Schnittstellen oder die unbedingte universelle Nutzbarkeit jedes Steckplatzes. Dies ermöglicht den individuellen Aufbau eines Systems mit Karten unterschiedlicher Hersteller und Busplatinen, die nicht erst anwenderspezifisch angepasst werden müssen – basierend auf der bewährten und zweifelsfrei robusten 19-Zoll-Technologie.
Bei CPCI-S.0 ist der parallele PCI-Bus durch das High-Speed-Interface PCI Express ersetzt worden. Die Übertragungsrate hat sich dabei gegenüber dem alten parallelen Bus um den Faktor 300 erhöht. Da CompactPCI Serial auch die nächsten seriellen Busgenerationen, wie zum Beispiel SATA 3.0, PCIe 2.0 und USB 3.0 unterstützen soll, muss der Backplanestecker 10 Gbit/s und mehr sicher übertragen können. Der in diesem Standard eingeführte AirMax VS-Steckverbinder (FCI, Amphenol TCS) unterstützt Übertragungsfrequenzen von 12 Gbit/s und mehr, ohne besondere Schirmmaßnahmen und mit einer höheren Signaldichte als bei herkömmlichen 2-mm-Steckverbindern (Bild 2).

Bild 2: AirMax VS-Steckverbinder von FCI.

Bild 2: AirMax VS-Steckverbinder von FCI.

AirMax VS-Steckverbinder

Außerdem sollen die Interfaces wie PCI Express, Serial ATA, USB und Ethernet Base-T nicht alternativ, sondern parallel – also gleichzeitig – im System zur Verfügung stehen. Das erhöht deutlich die Flexibilität, macht aufwändige Kodierungen überflüssig, erfordert aber auch ein hohe Anzahl von Steckkontakten im Systemslot-Steckverbinder. AirMax VS bietet Platz für bis zu 184 Pinpaare auf einem 3-HE-Board und erlaubt durch die hohe Pinanzahl neben den Anforderungen an den System-Slot auch die Nutzung einer Menge freier Pins für kundenspezifische Rear-I/O auf Peripheriebaugruppen.
Im Gegensatz zu CompactPCI befindet sich der Stiftstecker auf der Steckkarte, der Buchsenstecker auf der Backplane – also wie bei VMEbus-Systemen. Damit gehören verdrückte Pins auf der Backplane der Vergangenheit an.

Sternarchitektur

CompactPCI Serial basiert auf einer einfachen vollständigen Sternarchitektur, gleichberechtigt für PCI Express (optional auch Serial Rapid IO, SRIO), SATA bzw. SAS und USB (Bild 3).

Bild 3: Stern-Architektur.

Bild 3: Stern-Architektur.Alle Bilder MEN

Es gibt einen System-Slot und bis zu acht Peripherie-Slots. Die Anschlussbelegung dieser Slots ist aber deckungsgleich. Ein Pin informiert das eingesteckte Board, ob es sich in einem System- oder in einem Peripherie-Slot befindet. So ist es möglich, ein System-Slot-Board (in der Regel ein CPU-Board) auch in jeden Peripheriesteckplatz einzustecken. Ein Steckplatz bildet eine Ausnahme – die sogenannte Fat-Pipe – welcher mit einem besonders breiten PCI-Express-Link an den System-Slot angebunden ist und beispielsweise für eine High-End-Grafikerweiterung genutzt werden kann. Für ein System mit bis zu 9 Slots werden keine Bridges oder Switches benötigt (Bild 4).

Bild 4: CompactPCI Serial 9-Slot Backplane.

Bild 4: CompactPCI Serial 9-Slot Backplane.

Das bedeutet nicht, dass man keine Switch-Fabrics in ein CompactPCI-Serial-System integrieren könnte, wenn man komplexe Strukturen aufbauen möchte, aber man muss es eben nicht.

Full-Mesh Architektur

Ethernet ist nicht als Stern verdrahtet, sondern als sogenanntes „Full-Mesh“. Bei Full-Mesh-Architekturen ist jeder der neun Slots mit jedem der anderen acht Slots über eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung verbunden (Bild 5).

Bild 5: Mesh-Architektur.

Bild 5: Mesh-Architektur.

Das Verdrahtungsschema ist dabei so gewählt, dass drei Steckplätze vollständig vernetzt sind, auch wenn ein CPU-Board beispielsweise nur zwei Ethernet-Interfaces unterstützt – auch ohne Switches, Routing usw. Da jede Karte mit jeder anderen Baugruppe ohne Switch direkt kommuniziert, kann man Multi-Processing-Systeme schnell und einfach aufbauen, sogar ohne eine spezielle Software.
Im Gegensatz zu anderen Konzepten basiert die Ethernet-Übertragung auf der Backplane auf den bewährten Standards für Kupferverbindungen 100/1000/10GbaseT. Der Vorteil besteht in der unbeschränkten Interoperabilität auch bei verschiedenen Geschwindigkeiten. Optional ist die galvanische Trennung möglich und damit die Rückwirkungsfreiheit der Boards gewährleistet. So können mehrere Systeme einfach miteinander verbunden werden, wobei ein defektes Board nicht gleich das gesamte System lahm legt. Dies ist besonders für redundante, sicherheitskritische Systeme wichtig.

Hybrid-CompactPCI/CompactPCI Serial-Systeme

Um keinen scharfen Schnitt zu CompactPCI zu haben, wurde CompactPCI-PlusIO als Unterspezifikation zum CompactPCI-Basisstandard ins Leben gerufen. Sie soll eine weiche Migration ermöglichen. CompactPCI PlusIO definiert ein einheitliches Pinout auf dem P2-Steckverbinder des 32-bit-CompactPCI-Systemslots, auf dem die 4 neuen seriellen Busse PCIe, GbE, SATA und USB definiert sind. Somit ist ein Aufbau von Hybrid-CompactPCI/CompactPCI Serial-Systemen möglich (Bild 6).

Bild 6: Hybrid-Chassis CompactPCI/CompactPCI Serial.

Bild 6: Hybrid-Chassis CompactPCI/CompactPCI Serial.

Die CPU spricht auf dem P1-Steckverbinder die parallelen CompactPCI-Slots im System an, und der P2-Bereich ist an die schnellen seriellen CompactPCI-Serial-Slots angeschlossen. Systemkomponenten, wie beispielsweise langsame I/O-Karten, können auf CompactPCI erhalten bleiben. Daher müssen nur spezielle Karten, die eines der neuen Protokolle oder mehr Bandbreite benötigen, auf die neue Technologie umgestellt werden.