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)標準，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撲結(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)標準，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種可選擇的標準尺寸，如圖2所示。

圖2 AMC的標準尺寸

    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、采用簡單的星形拓撲結(jié)構(gòu)，可以只有1組風扇甚至沒有風扇，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撲結(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)拓撲結(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
• 標準化的功能模塊
• 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)布的標準，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)。