Backplanes für CompactPCI Serial

Auf einen Blick

CompactPCI Serial-Backplanes: Schneller und höhere Leistungsdichte

CompactPCI Serial-Backplanes haben doppelt so viele Signale und weniger Platz zwischen den Steckverbindern, wodurch sich eine hohe Leistungsdichte ergibt. Für diesen neuen Bus hat Schroff Backplanes für die Maximalkonfiguration mit neun Slots, einem Systemslot und acht Peripherieslots, entwickelt.

Um keinen scharfen Schnitt zu CompactPCI zu haben, wurde die CompactPCI PlusIO-Spezifikation (PICMG 2.30) als Unterspezifikation zur CompactPCI-Basisspezifikation ins Leben gerufen. Sie ermöglicht eine weiche Migration. CompactPCI PlusIO definiert ein einheitliches Pinout auf dem P2-Steckverbinder des 32-bit-CompactPCI-Systemslots, auf dem die vier neuen seriellen Busse PCIe, GbE, S-ATA und USB definiert sind. Somit ist ein Aufbau von Hybrid-CompactPCI/CompactPCI Serial-Systemen (Bild 1) möglich. 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. Die Übertragungsrate hat sich dabei gegenüber dem alten parallelen Bus um den Faktor 300 erhöht. Anstatt der ca. 150 Verbindungen bei CompactPCI sind es bei CompactPCI Serial über 360, davon 340 Highspeed-Verbindungen. 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.

Backplanes

Für beide Spezifikationen hat Schroff bereits Backplanes und komplette Systeme entwickelt. Als Backplanes stehen beispielsweise 8 Slot Hybrid-Backplanes mit drei CompactPCI-Peripherieslots, einem CompactPCI PlusIO-Systemslot und vier CompactPCI Serial-Peripherieslots zur Verfügung (Bild 2). Diese Backplanes gibt es in zwei verschiedenen Versionen, mit und ohne Rear I/O auf den CompactPCI Serial-Slots. Sie stellen die Maximalkonfiguration für hybride Systeme dar und können somit für alle möglichen Applikationen eingesetzt werden. Weitere Backplanes mit kleinerer Slotanzahl sind bereits in Vorbereitung, wie zum Beispiel eine 5-Slot-Variante.

Für CompactPCI Serial hat Schroff zunächst ebenfalls Backplanes für die Maximalkonfiguration mit neun Slots, einem Systemslot und acht Peripherieslots, entwickelt. Somit sind auch hier unterschiedlichste Applikationen möglich. Es gibt es sogar verschiedene Backplane-Versionen, wobei PCIe, USB und S-ATA bei allen als Single Star ausgeführt werden. Eine Version ist ebenfalls mit einem Single Star für Gigabit Ethernet ausgeführt, während die andere Version eine Full-Mesh-Verdrahtung im GbE-Bereich hat und somit für den Aufbau von Prozessorfarmen oder Clustern bestens geeignet ist. Beide beschriebenen Versionen gibt es mit und ohne Rear I/O.

CompactPCI Serial-Backplanes haben doppelt so viele Signale und weniger Platz zwischen den Steckverbindern, wodurch sich eine hohe Leistungsdichte ergibt. Dadurch werden Signalleitungen zwangsweise sehr eng geführt und können zuviel Übersprechen verursachen. Übersprechen aber trägt wie Reflexionen zum Rauschen und Jitter bei. Das Geschick des Designers erfordert den richtigen Kompromiss für Leitungsdichte und die Zahl der Lagen zu finden und generell Impedanzdiskontinuitäten zur verringern. Die 3D-Modellierung der Leiterplattenelemente und Simulation des gesamten Übertragungskanals zur Bestimmung der Bitfehlerrate ist eine sehr hilfreiche Methode, Boards und Backplanes im ersten Entwurf mit einer ausreichend niedrigen Bitfehlerrate zu designen.

Mechanik und Stromversorgung

Der mechanische Aufbau der CompactPCI Serial-Systeme (Bild 3) entspricht dem 8 Slot CompactPCI-System 3+1 von Schroff mit integrierter 1 HE-Lüfterschublade. Ausgestattet mit einer Backplane finden hier bis zu neun 3HE-Leiterkarten Platz, der Systemslot befindet sich links (Bild 2).Dort können ohne konstruktive Änderungen auch CPUs mit doppelter Breite eingesetzt werden. Außerdem steht genügend Platz zum Beispiel zum Einbau von Festplatten zur Verfügung. Zusätzlich ist im hinteren Bereich ein Einbauraum für Rear-I/O-Karten vorhanden.

Je nach Kundenwunsch stehen zwei Netzgerätetypen für die Stromversorgung zur Verfügung. Das 19“-Netzgerät (3 HE, 8 TE, 160 TE) mit einer Ausgangsleistung von 250 W und rückseitigem IEC-Kaltgerätenetzeingang hat sogar geringere Toleranzen bei den Grenzwerten für beispielsweise Ströme und Spannungen als es die Spezifikation vorgibt. Dies zahlt sich vor allem bei Einsatz von Multicore-Prozessoren aus. Dieses Netzgerät gibt es für kundenspezifische Anwendungen auch als 48-V-Version. Als preiswertere Alternative kann auch ein ATX-Netzgerät aus der ATX-Netzgerätefamilie von Schroff eingebaut werden. Der Wirkungsgrad dieser ATX-Netzgeräte liegt trotz des größeren Temperaturbereichs von -10 bis +70 °C bei über 75 %. Außerdem ist der Überspannungsschutz mit 4 kV relativ hoch. Die MTBF-Werte liegen bei 100.000 Stunden bei 50 °C. Dies wird unter anderem durch den Einsatz kugelgelagerter Netzgeräte-Lüfter erreicht. Der Lüfter mit Tachosignal regelt die Drehzahl und damit auch den Geräuschpegel basierend auf der Umgebungstemperatur. Die Signalisierung bei Lüfterstörung oder -ausfall erfolgt über eine Schnittstelle direkt zu den Boards. Zusätzlich weisen die eingebauten Kondensatoren, die bis +105 °C belastbar sind, eine lange Lebensdauer auf.

Für eine optimale Entwärmung des Systems sorgt die unter dem Kartenkorb integrierte, nach vorne ausziehbare, Hot-Swap-Lüfterschublade. Diese kann optional mit einer Filtermatte aufgerüstet werden. Je nach eingebautem Netzteil befinden sich in der Lüfterschublade drei bzw. zwei Lüfter, die im Bedarfsfall schnell gewechselt werden können.

Mögliche Anwendungen

CompactPCI Serial in Verbindung mit dem als Migrationspfad definierten CompactPCI PlusIO zeigen schon jetzt ein großes Marktpotential. Die Anwender, die von CompactPCI auf die neue Technologie wechseln, haben hierfür sehr unterschiedliche Gründe. Ein Anwendungsbeispiel im Güterverkehr zeigt den Einsatz einer Hybrid-Backplane mit CompactPCI PlusIO-Systemslot zusammen mit einer herkömmlichen CompactPCI-Backplane in einem System. Die Hybrid-Backplane dient hierbei für zukünftige System-Upgrades, um später schnellere CompactPCI Serial-Karten einsetzen zu können.

Eine andere Anwendung in der industriellen Automatisierung bindet ein System über WLAN an das Firmennetzwerk an. Benutzt wird hierbei die USB-Schnittstelle, die auf den CompactPCI Serial-Slots definiert ist. Ein USB-WLAN-Stick wird dabei auf einer CompactPCI Serial-Karte untergebracht und kann über die Backplane mit dem USB-Protokoll direkt mit dem CompactPCI PlusIO-Prozessorboard verbunden werden. Dies stellt eine einfache und unkomplizierte Lösung dar, sein System über WLAN mit einem Netzwerk zu verbinden.

Bahn, Industrie, Audio

In einigen Anwendungen im Bahnbereich und in der Industrieautomatisierung werden ebenfalls bereits Hybrid-Backplanes eingesetzt, um Festplattenboards einfach ins System zu integrieren. CompactPCI lässt es nicht zu, steckbare Festplattenmodule direkt zu integrieren, da bei CompactPCI nur der PCI-Bus implementiert ist. Aktuelle Festplatten nutzen jedoch das S-ATA- oder SAS-Protokoll. CompactPCI PlusIO und CompactPCI Serial definieren beide Protokolle auf allen Slots, somit kann eine Festplatte auf einer Peripheriekarte einfach an das System angebunden werden. Damit können sehr einfach leistungsfähige Raid-Systeme aufgebaut werden.

Ein weiteres Beispiel für die CompactPCI Serial-Nutzung ist eine spezielle Anwendung im Audio-Processing. Diese setzt auf die Full-Mesh-Topologie des auf CompactPCI Serial im J6-Bereich definierten Ethernet. Damit können die Audiodaten rasend schnell zwischen den einzelnen digitalen Signalprozessoren ausgetauscht werden. Die freien benutzerdefinierten Pins im J2- bis J5-Bereich dienen zukünftigen Upgrades. Hier wird die Full-Mesh-Topologie des J6-Bereichs gespiegelt, um die Datenmenge weiter zu erhöhen.

(jj)