CompactPCISerial–derStar aufderEmbedded-Bühnefiles.vogel.de/vogelonline/vogelonline/issues/ep/2013/632.pdf · CPCI-S.0-Standard. Seite3 SmallFormFaktor– DerTrendgehtzur Miniaturisierung

Wissen.Impulse.Kontakte. November 2013

CompactPCI Serial – der Starauf der Embedded-Bühne

Basierend auf dem CompactPCI-Standard bietet CompactPCI Serial schnelle, serielleDatenübertragung für Anwendungen mit hohen Ansprüchen an Flexibilität und Robustheit

Am Ziel angekom-men – Spot on fürCompactPCI SerialGast-Editorial von PICMG-Präsident Joe Pavlat zumCPCI-S.0-Standard. Seite 3

Small Form Faktor –Der Trend geht zurMiniaturisierungElma Electronic über 3- und5-Slot-Backplanes für mehrFlexibilität. Seite 23

CompactPCI-Serial-Netzgerät: effizientund redundanzfähigSchroff/Pentair überspeziell entwickelte Strom-versorgungen. Seite 32

Ausblick: GuteGründe fürCompactPCI SerialMEN Mikro Elektronik setztfest auf den StandardCompactPCI Serial. Seite 44

Digital-KompenDium CompaCtpCi Serial

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editorial

ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium CompactPCI Serial November 2013

Am Ziel angekommen – Spot Onfür CompactPCI Serial

Als CompactPCI 1995 erstmalig rati-fiziert wurde, war er einer der ers-ten großen Erfolge der PICMG als

Standard-Organisation. Der zugrundeliegende PCI-Bus war bis Dato der Stan-dard für Heimcomputer und damit derChip-Hersteller.CompactPCI hat sichdaraufhin als ska-

lierbarer, kostengünstiger und einfach zuimplementierender Standard mit flexib-len Anpassungsmöglichkeiten etabliert,der durch seine herausragendste Eigen-schaft brilliert – eine einheitliche Platt-form, die sich sowohl für den Einsatz inderAutomationundmobilenAnwendun-gen, als auch imTransportwesenundderTelekommunikation eignet.Der neueste undhellste Stern innerhalb

der PICMG-Familie ist CompactPCI Serialund kam für datenintensive Anwendun-gen genau zur richtigen Zeit. Er bewahrtdie bisherigen technischen Errungen-schaften, indem er rückwärtskompatibelzu seinemVorgänger ist undmit Compact-PCI PlusIO zusätzlich einen Migrations-pfad vom parallelen CompactPCI hin zuseriellen Systemen bietet.Serielle Verbindungen sind schneller,

benötigen weniger Pins und Fehler voneinzelnenVerbindungenkönnen leichterisoliert werden, um einen Komplett-Aus-fall des Systems zu verhindern. Compact-PCI Serial setzt weiterhin auf bewährteMechanik gemäß IEEE 1101 (Einfach- undDoppeleuropakarten und 19"-Technik).Dank dieser Eigenschaften müssen auchwichtige Funktionen für Sicherheit undZuverlässigkeit wie Hot-Plug/Hot-Swapoder eine ordentliche Wärmeabfuhr bishin zum Conductive Cooling nicht neuerfunden werden.

Joe Pavlat, Präsident und Chairman PICMG

Mit einem geschätzten weltweitenMarktvolumen von 400 Millionen US-Dollar wird sich CompactPCI Serial alsbedeutender Fortschritt für Embedded-Technologien herausstellen. Entwickeltwurde der Standard hauptsächlich voneiner Arbeitsgruppe aus europäischenSystem-, Stecker- undHalbleiter-Herstel-lern, die ihre Erfahrungen mit anderenStandards einbrachten – auch wenn essichumnegative Eigenschaftenhandelte,die man mit CompactPCI besser machenwollte.Die Produkte und somit auch die Kun-

den können von dieser konstruktivenZusammenarbeit nun profitieren. Dasvorliegende Kompendium bietet die Ge-legenheit noch einmal einen genauenBlick auf die Vorteile von CompactPCISerial zu werfen. Sie werden feststellen,dass dieMöglichkeitendieses vielseitigenStandards schier unbegrenzt sind.

Herzlichst, Ihr

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4 ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium CompactPCI Serial November 2013

Schwerpunkte6 Der Weg zu einem neuen Standard

Ein Plan für modulare Computer auf Basis von PCI-Bus-Einsteckkarten im Europaformat, verbunden mit einerpassiven Rückwandplatine, wurde 1994/95 vorgestellt.

8 CompactPCI Serial im ArchitekturüberblickDer PICMG-Standard CPCI-S.0 ersetzt die parallelen Signalekomplett durch schnelle serielle Datenübertragung undführt einen neuen Steckverbinder ein.

12 Rechneraufbau als Stern und MeshModerne Rechnerarchitekturen verwenden statt parallelenBussen heute Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.

14 Die typischen Aufgaben der seriellen SchnittstellenCompactPCI Serial unterstützt für Ethernet die Sternarchi-tektur oder ein vollständig vermaschtes Netz (Full Mesh).

20 Hot-Plug-Funktion bei CPCI SerialHot Plugging bringt vor allem für modulare Computerhohen Nutzwert, hat aber ursprünglich auch einen hohenAufwand verursacht. Mit CompactPCI Serial ändert sichdas.

21 Conduction Cooling hält die Baugruppen kühlEin gutes Wärmemanagement ist für die Zuverlässigkeit vonComputern entscheidend. Vereinfacht gesagt halbiert sichdie Lebensdauer mit jedem Temperaturschritt von 10 K.

22 Physikalische AdressierungDie meisten modularen Computer unterstützen physi-kalische Adressierung. Für CompactPCI Serial ist diesebesonders wichtig.

23 Der Trend geht zur MiniaturisierungCompactPCI Serial sowie 3- und 5-Slot-Backplanes eignensich ideal für den Small-Form-Faktor-Bereich.

24 Mechanische Aspekte rund um CompactPCI SerialInsgesamt sieht der CompactPCI-Serial-Standard fürEinfach-Europakarten bis zu sechs Einzelstecker vor, fürDoppel-Europakarten sind es sieben einzelne Stecker.

30 Einsatz in rauer Umgebung am Beispiel der EN 50155CompactPCI Serial ist wie CompactPCI den harten Anforde-rungen im Eisenbahnbereich gewachsen.

31 Die Qual der Wahl – CompactPCI Serial oder VPX?CompactPCI Serial hat lange auf sich warten lassen. VPXwill die militärische Nische verlassen und auch zivileAnwendungen bedienen.

32 CompactPCI-Serial-NetzgerätMit Pentair und anderen ist ein „Quasi“-Standard für steck-bare CompactPCI-Serial-Netzgeräte entstanden.

34 Migration mit CompactPCI PlusIOCompactPCI gestattet es, neben dem parallelen PCI-Busauch User-I/O-Signale auf die Backplane zu führen.

DIgITAl-KOMPENDIUM

CompactPCI SerialCompactPCI PlusIO als auch CompactPCI Serialbauen auf CompactPCI auf, einem etabliertenStandard zum kostengünstigen Aufbau vonindustriellen, zuverlässigen Computern. An-wender schätzen die Modularität, Robustheitund Wirtschaftlichkeit von CompactPCI. Mitden neuen Standards bekommen sie all dieseVorteile plus die schnelle serielle Datenüber-tragung dazu – Migrationspfad inklusive.

CompactPCI SerialCompactPCI PlusIO als auch CompactPCI Serialbauen auf CompactPCI auf, einem etabliertenStandard zum kostengünstigen Aufbau vonindustriellen, zuverlässigen Computern. An-wender schätzen die Modularität, Robustheitund Wirtschaftlichkeit von CompactPCI. Mitden neuen Standards bekommen sie all dieseVorteile plus die schnelle serielle Datenüber-tragung dazu – Migrationspfad inklusive.

INhALT


38 Elektrische Spezifikationen bei CompactPCI SerialCompactPCI PlusIO ist ein Standard für CompactPCI-Sys-tem-Slots, also CPU-Karten. Er ist kein Backplane-Standard.Es sind also keine Regeln für Backplanes aufgestellt.

40 Hybridsysteme mit CompactPCI Plus IOBei PICMG 2.30 unterstützt die System-Slot-CPU denparallelen CompactPCI-Standard (PICMG 2.0) als auch denneuen CompactPCI-Serial-Standard (PICMG CPCI-S.0).

44 Ausblick: Es gibt gute Gründe für CompactPCI SerialAls alleinstehende Architektur und Erweiterung existieren-der Techik bietet CompactPCI Serial beste Voraussetzungenfür eine effiziente Umsetzung Ihrer Anforderungen.

RubRiken3 Editorial

45 Glossar

46 Impressum

8 CompactPCI Serial imArchitekturüberblick

24 Mechanische Aspekterund um CPCI Serial

14 Typische Aufgabenserieller Schnittstellen

40 Hybridsysteme mitCompactPCI PlusIO

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Digital-KompenDium // CompaCtpCI SerIal

ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium CompactpCI Serial November 2013

Der Weg zu einemneuen Standard

Einen Plan für modulare Computer auf Basis von PCI-Bus-Einsteckkar-ten im Europaformat, verbunden mit einer passiven Rückwandplatine,stellten 1994/95 u.a. Jim Medeiros (Ziatech) und Joe Pavlat (Pro-Log)vor. Ihr Konzept nannten sie CompactPCI – ein kurze Geschichte.

Bald zeigten auch weitere Firmen wieMotorola, Radisys (Intel) und LucentInteresse andiesemKonzept undwirk-

ten bei dessen Standardisierung mit. DerCompactPCI-Bus war erfolgreich und er-reichte schnell eine große Marktdurchdrin-gung bei industriellen, zuverlässigen Syste-men. Erwurde zudemStandard imTelekom-munikationsbereich.Darüberhinaus erober-te er sich aber auch bald Märkte, dietraditionell vomSTD-Bus oder demVMEbusbesetzt waren. Hierzu zählen neben weitenBereichen im industriellen Umfeld auch die

Medizintechnik, die Messtechnik und dasTransportwesen.CompactPCI setzte dazu geschickt auf die

vomVMEbus bewährtenMechanik-Normender IEEE 1101 für Europakarten und 19-Zoll-Systeme auf. Schließlich wurden auch dieLösungen für Konduktionskühlung (engl.conduction cooling) übernommen und soöffneten sich für den CompactPCI-Bus auchmilitärische Einsatzgebiete.In den letzten Jahrenwurde die Technolo-

gie des parallelenPCI-Bussesmehrundmehrdurch schnelle, serielle Punkt-zu-Punkt-

Verbindungen ergänzt. Je nachPeripherietypund Funktion etablierten sich dabei aller-dings verschiedene Schnittstellen-Stan-dards.

Spezialisierte Schnittstellenexistieren nebeneinanderBeispielsweise ist SATA bzw. SAS das In-

terface für Massenspeicher wie Festplatten.USBhat sich fürWi-Fi-Komponentenund fürlose gekoppelte Peripheriegeräte wie Tasta-turen, Touchscreens, externe Festplattenusw. etabliert. Ethernet dient nebender klas-

PICMG: CompactPCI und die neuen seriellen Standards im Überblick

Bild:VBm

-archiv

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sischen Netzwerktechnik auch als Schnitt-stelle für Multiprocessing und als Feldbuszur Kontrolle von dezentraler Ein-/Ausgabe.Und PCI Express wird schließlich zum An-schluss von enggekoppelter Computer-Peri-pherie eingesetzt.Diese Schnittstellen existieren speziali-

siert nebeneinander. Einmoderner Computerbenötigt sie alle. Siewerdenaber nichtmehrwie früher durch einzelne Controllerchipsbedient, welche ihrerseits über einen Busverbunden sind.Vielmehr stehenbeimoder-nenChip-Architekturen all diese Schnittstel-lendirekt amChip-Satz zurVerfügung.Damitändert sich allmählich die Struktur einesRechners weg von einem bus-basierendenSystemhin zu einemauf einer Sternarchitek-tur basierenden System, das serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verwendet.

Modulare Computer der nächs-ten Generation: erste VersucheNatürlich besteht weiterhin der Bedarf

nachmodularen Computern. Bedingt durchdie seriellen Schnittstellen in ihrerVerschie-denheit entstandendaher je nach Industrie-bereich neue Standards – jeweils für be-stimmte Märkte und Applikationen opti-miert. Beispielsweise wurde AdvancedTCAspeziell für Telekommunikationsanwendun-gen entworfen,wogegenStandardswieVPX(ANSI/VITA46.0)militärischeApplikationenim Fokus haben.Nachträglich versuchtemandann teilwei-

se, spezielle Standards wieder universelltauglich zumachen. Hierzu zähltMicroTCA.Bei MicroTCA ging man daran, ein Compu-tersystem auf Basis der bei AdvancedTCAgenormten Mezzanine, AMC, zu definieren.Da dieses Konzept jedoch ursprünglich pas-sive Backplanes für die Mezzanine nicht be-rücksichtigte, ergeben sich nun hohe Infra-strukturkosten, um das AMC-Trägerboardnachzubilden. Zudem ist dieMechanik voll-kommen inkompatibel zur IEEE 1101 (Euro-pakarten und 19“-Technik). Die Ergänzun-gen, die nachträglich notwendig waren, umMicroTCAauch für raueUmweltbedingungentauglich zumachen, sind ebenfalls nicht un-problematisch.

Zusätzliche Switches undBridges erhöhen die KostenEinweiterer ausschließlich auf PCI Express

aufsetzender Standard – CompactPCI Ex-press – konnte auch keine wirkliche Markt-durchdringung erreichen. Zwar benutzt die-ser Standard die IEEE 1101, aber die Begren-zung auf PCI Express als einzige Schnittstel-len-Art ist nicht ausreichend. All diegenannten Systementwürfe arbeitenmit so-

genannten Switched Fabrics, also zusätzli-chen Switches und Bridges, die notwendigsind, um den jeweiligen Steckplatz mit demrichtigen Interface zu verbinden. Dies be-dingt nicht nur höhere Infrastrukturkosten,sondern erfordert darüberhinaus auch spe-zielle Software für die Konfiguration undkannnicht verhindern, dass jeweils kunden-spezifische Busplatinen nötig sind. Durcheine Fülle verschiedener Optionen ist es da-rüber hinaus auch kaummöglich, Einsteck-karten verschiedenerHersteller 1:1 unterein-ander auszutauschen.So basieren bis heute die meisten modu-

larenComputer auf demweltweit bewährtenCompactPCI-Standard. Die seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen werden je nach Be-darf proprietär über benutzerdefinierte Pinsrealisiert. Dies führt aber leider zu zuneh-mender Inkompatibilität der BaugruppenverschiedenerHersteller. ZumAnschluss derseriellen Busse sind dann wieder kunden-spezifischeRückwandplatinen erforderlich.Welcher Weg führt nachhaltig aus diesemDilemma?

Der Weg in die Zukunft:ein zeitgemäßes KonzeptDas Ziel ist also, basierend auf dem exis-

tierenden CompactPCI-Standard und basie-rend auf der bewährten und zweifelsfrei ro-busten 19-Zoll-Technologie, ein neues Kon-zept zu entwickeln, das zukunftssicher ist.Die Forderungen sind:� es soll eine sanfte Migration vom derzei-tigen Standard zu den modernen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ermöglichen,� es soll dabei alle wichtigen seriellenSchnittstellen gleichberechtigt unterstüt-zen, also PCI Express, SATA/SAS, USB undEthernet,� die Infrastrukturkosten müssen geringbleiben, also dürfen Bridges und Switchesnur ausnahmsweise erforderlich sein,� es muss möglich sein, Busplatinen alsKatalogware anbieten zu können, dasheißt, jeder Steckplatz muss ohne speziel-les Routen universell nutzbar sein.

Die PICMG (PCI Industrial ComputerManufacturersGroup) definierte hierfür zweiStandards–PICMG2.30CompactPCI PlusIO,ratifiziert im November 2009, und PICMGCPCI-S.0 CompactPCI Serial, ratifiziert imMärz 2011.

Eine neue Basisspezifikationals GrundlageAlle Spezifikationen der PICMG sind ein-

heitlich strukturiert: Auf eine Basisspezifi-kation setzenuntergeordnete Standards auf.So trägt die Basisspezifikation des bekann-ten, etablierten CompactPCI-Standards dieNummerPICMG2.0.DieNull nachdemPunktkennzeichnet eine Basisspezifikation. Dar-auf aufbauende und ergänzende NormentragenhöhereNummernbei gleichemPräfix.PICMG 2.16 beispielsweise beschreibt Ether-net über die Backplane für 6-HE-Compact-PCI. PICMG 2.30 – CompactPCI PlusIO – be-schreibt die Nutzung der User-I/O-SignaledesRückwandsteckers J2 für 3-HE- und6-HE-Baugruppen, um moderne serielle Bussezusammenmit demparallelenPCI-Busnutz-bar zu machen. PICMG 2.30 detailliert alsoPICMG 2.0 CompactPCI.CPCI-S.0 ist die Basisspezifikationdesneu-

en Standards CompactPCI Serial. Einerseitsdefiniert man in einer Basisspezifikation sowenigwiemöglich, um für späteren techno-logischenWandel offen zu sein, andererseitsmuss diese Spezifikation aber vollständiggenug sein, um problemlose Interoperabili-tät von Produkten verschiedener Herstellerzu garantieren–was ja geradeder Sinn einesStandards ist, oder zumindest sein sollte.Als Basisspezifikation darf CPCI-S.0 nicht

auf andere Basisspezifikationen verweisen.Zwar ist die Mechanik des parallelen Com-pactPCI imWesentlichen identischmit Com-pactPCI Serial. Dennoch muss CPCI-S.0 alletechnischen Details erneut beschreiben.Einerseits ist CompactPCI Serial also in gro-ßenTeilen redundant zuCompactPCI, ande-rerseits lässt sich solch ein Standard aber gutlesen, da ein Dokument alle technisch rele-vanten Details enthält.

CompactPCI Serial: Alles fügt sich zusammenCompactpCI Serial ist kein „Schnell-schuss“. In Detailarbeit haben mehrereHersteller gemeinsam eine zukunftsfä-hige technologie geschaffen und zol-len dabei dem Vorgänger CompactpCIhöchsten tribut. Das Konzept orientiertsich nicht an den nächsten drei oder fünf

Jahren, sondern bereits an einem mini-mum von zehn Jahren. Nach den erstenJahren der einführung geben sowohl dieprodukte als auch die ersten projekte inder anwendung einen ausblick darauf,dass sich diese technik durchsetzenkann und wird.

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CompactPCI Serialim Architekturüberblick

CompactPCI Serial ist eine Weiterentwicklung des bewährten Compact-PCI. Der neue Basisstandard der PICMG mit der Bezeichnung CPCI-S.0ersetzt die parallelen Signale komplett durch schnelle serielle Daten-

übertragung und führt einen neuen Steckverbinder ein.

Damit unterstützt CompactPCI Serialalle modernen Punkt-zu-Punkt-Ver-bindungen und bleibt gleichzeitig

mechanisch kompatibel zur IEEE 1101 unddemEuropakartenformat. CompactPCI Seri-al basiert auf einer einfachen, vollständigenSternarchitektur gleichberechtigt für PCIExpress (optional auch Serial Rapid IO,SRIO), SATAbzw. SAS undUSB. Der System-Slot unterstützt bis zu acht solcher Periphe-rie-Slots. Für ein System mit bis zu neunSteckplätzen werden keine Bridges oderSwitches benötigt.An sich sind alle Peripherie-Slots iden-

tisch. Lediglich zwei sind mit einem beson-ders breiten PCI-Express-Link an den Sys-tem-Slot angebunden, einer sogenanntenFatPipe.Diese Steckplätze könnenbeispielswei-se für eine High-End-Grafikerweiterung ge-nutzt werden.

Dedizierte Punkt-zu-Punkt-VerbindungEthernet ist nicht als Stern verdrahtet son-

dern als vollständig vermaschtes Netz (FullMesh). Bei Full-Mesh-Architekturen ist jederder neun Slots mit jedem der anderen achtSlots über eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindungangekoppelt. DasVerdrahtungs-schema ist dabei so gewählt, dass – wenneine CPU-Karte beispielsweise nur zweiEthernet-Schnittstellen unterstützt – dreiSteckplätze vollständig vernetzt sind–auchohne Switches, Routing usw.Im Gegensatz zu anderen Konzepten

basiert die Ethernet-Übertragung auf derBackplane auf denbewährtenStandards fürKupferverbindungen 100BASE-T, 1000BASE-T und 10GBASE-T. Der Vorteil besteht dabeiin der unbeschränkten Interoperabilitätauchbei verschiedenenGeschwindigkeiten.Zumindest optional ist die galvanischeTren-nungmöglichunddamit dieRückwirkungs-freiheit der Boards gewährleistet. Dies ist fürredundante, sicherheitskritische SystemevonBedeutung.Außerdemkönnenmehrere

Gleichberechtigt für PCIExpress:Express: Sternarchitekturbei CompactPCI Serial


Systeme einfach miteinander verbundenwerden.Zusätzlich steht eine Reihe von Signalen

zur Unterstützung dieser Schnittstellen so-wie zur allgemeinen Systemverwaltung be-reit, etwa für:� Reset,� IPMB,�Hot-Plug,� geographische Adressierung usw.Zur Stromversorgung stehen 12 V zur Ver-

fügung, die für einen 3-HE-Steckplatz eineBelastung bis zu 60 Watt erlauben. Das giltauch für die Peripherie-Steckplätze. Die In-terfaces stehen hier zudem alle gleichzeitigzur Verfügung. Dies ist zumBeispiel wichtigfür Standards wie PCI Express Mini Cards,die sowohlUSB- als auchPCI-Express-Unter-stützung erwarten.

Sternarchitektur mitEthernet-MeshDie Architektur von CompactPCI Serial

entspricht also einem einfachen Stern auseinem System-Slot und bis zu acht Periphe-rie-Slots, kombiniert mit dem vollständigenMesh für Ethernet. Die Anschlussbelegung

für Ethernet vonSystem-undPeripherie-Slotist deckungsgleich. Ein Pin informiert dieeingesteckte Baugruppedarüber, ob sie sichin einem System- oder in einem Peripherie-Slot befindet.So ist es möglich, ein System-Slot-Board

(in der Regel eine CPU-Karte), auch in jedenPeripheriesteckplatz einzustecken.Natürlichwerden dann nicht alle Schnittstellen funk-tionieren können – SATA in der Regel nicht,Ethernet aber immer. CompactPCI Serial un-terstützt somit trotz der Sternstruktur sym-metrisches Multiprocessing mit bis zu neunCPUs in einem System – ohne Bridges undohne spezielle Backplane. Mit Bridges sindnochmehr denkbar.

Der neue Steckverbinder –AirMax für raue UmgebungenDer Einsatz eines neuen Steckverbinders

ermöglicht die erforderliche hohe Signal-dichte unddie hohenÜbertragungsfrequen-zen von 12 GBit/s und mehr. Der AirMax-Stecker (FCI, Amphenol TCS) bietet Platz fürbis zu 184Pin-Paare auf einer 3-HE-Baugrup-pe.Die hohePin-Anzahl ist besonderswegender bereits erwähnten Sternarchitektur mo-

Bild 1: Steckplätze im CompactPCI-Serial-System

Digital-KompenDium // ComPaCtPCI SerIal

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Tabelle 1: CompactPCI-Serial-Schnittstellen am System-Slot und Peripherie-Slot

SchnittStellen-typ SyStem-Slot peripherie-Slot

PCI express 6 x4-links2 x8-links („Fat Pipes“)

1 link, maximal x8

Sata/SaS 8 Kanäle 1 Kanal

USB 2.0 8 Kanäle 1 Kanal

USB 3.0 8 Kanäle 1 Kanal

ethernet 10GBaSe-t 8 Kanäle Bis zu 8 Kanäle

http://www.schroff.de/compactpci_pentair_products

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derner Rechner für denSystem-Slotwichtig.Er erlaubt aber auchdieNutzung einerMen-ge freier Pins für kundenspezifischeRear-I/Oauf Peripheriebaugruppen. Die Mechanikdes Steckers berücksichtigt die Anforderun-gender IEEE 1101 unddieAnmutung erinnertsehr andie bewährten 2-mm-Steckverbinderdes CompactPCI-Standards.Stiftstecker und Buchsenstecker sind im

Vergleich zu CompactPCI vertauscht ange-ordnet. Auf der Steckkarte befindet sich derStiftstecker, auf der Backplaneder Buchsen-stecker – also wie bei VMEbus-Systemenauch.Damit gehören verdrückte Pins auf derBackplane der Vergangenheit an.DerAirMax-Stecker ist speziell für denEin-

satz in rauer Umgebung entwickelt worden.Für den Stiftstecker – also den Stecker aufder Einsteckkarte, gibt esAusführungen, dieaneinander gereiht werden können. Sie ha-bennur zweiWände. BeiweiterenVariantensind die Pins von drei oder von vierWändenumgeben.Auf einer 3-HE-Baugruppe kommt immer

ein Stecker mit vier Wänden und sechs Pin-Reihen zum Einsatz. Ergänzt wird dieserdurch mehrere aneinandergereihte Typenmit zwei Wänden und acht Reihen. Den Ab-schluss bildet dann ein Steckermit dreiWän-den und acht Reihen.Insgesamt entsteht so ein allseitig ge-

schützter Stiftsteckermit einerQuerwand inder Mitte. Diese Querwand unterstützt dieStabilität der eingestecktenKarte, verhindertaber auch, dass versehentlich eineCompact-PCI-Serial-Baugruppe in einen herkömmli-chenCompactPCI-Slot gestecktwirdunddortPins verbiegt.

Rückblick auf CompactPCI:Bewährtes bleibtCompactPCI Serial ist eineWeiterentwick-

lung des bewährten CompactPCI und bildetmit diesem eine zukunftssichere Plattformfür industrielle Rechner. CompactPCI hatsich bereits seit über 15 Jahren in der Praxisbewährt. Die 19"-Systemtechnologie mit ih-rer typischen Bauweise und Schnittstellen-

Bild 2: Vollständigvermaschtes Netz mitEthernet

Bild 3: CompactPCISerial (links) – Stiftund Buchse imVergleich zu Com-pactPCI (rechts)vertauscht


belegung ist im industriellen Markt weitest-gehend bekannt. Aufbau und Struktur derBaugruppen sowie front- und rückseitige Ein-und Ausgabeoptionen finden breite Akzep-tanz bei den Anwendern.

Die CompactPCI-Serial-Architektur passtsichmodernenChipsätzen an.DadieMecha-nik vollständig kompatibel zur IEEE 1101 ist,kannmanohneEinschränkungen alle Stan-dard-19"-Systemlösungen nutzen. Die Ab-

Bild 4: CompactPCI Serial – AirMax-Steckverbinder in unterschiedlicher Ausführung

Bild 5: CompactPCI Serial – Steckverbinderreihe auf der Baugruppe

messungen der Busplatinen sind identischzu denen der CompactPCI-Backplanes undwerden auf die gleicheWeise befestigt.

Vollständige mechanischeKompatibilität zu CPCI 2.0Frontplatten und Griffe bleiben ebenfalls

identisch. Die bewährte Hot-Plug-Mechanik– der Schalter im Griff – bleibt gleich undgewinnt für Festplatten-RAIDs eineneueBe-deutung. Lediglich der Steckverbinder wirddurch einenmodernen Typen ersetzt, der inder Lage ist, die hohenFrequenzen zuunter-stützen.Deshalb knüpft CompactPCI Serial so kon-

sequent an den parallelen Vorgänger an. Eshat denhohenAnspruch,modulare Systemeeinfach, robust, flexibel undpreisgünstig zugestalten–unddas bei vollständigermecha-nischer Kompatibilität zu CompactPCI 2.0.Industrierechner orientieren sich nicht anModen, sondern an harten Fakten, Datenund Anforderungen: eine Technologie, dieden Aufbau von Embedded-Rechnersyste-menvereinfacht, die dem Integrator erlaubt,sich auf seine technischen Anforderungenzukonzentrierenund ihmzugleichKontinu-ität und Zukunftssicherheit gibt.

http://archive.constantcontact.com/fs159/1112373294192/archive/1113202319768.html

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Rechneraufbauals Stern und Mesh

Moderne Rechnerarchitekturen verwenden statt parallelen Bussenheute Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Nach dem Wegfall des parallelen

PCI-Busses ist nun eine einfache Sternarchitektur in Gebrauch.

Der CPU-Chipsatz sitzt im „Zentrum“,das die Peripherie umgibt wie dieZacken eines Sterns. Er spricht die

Peripherie-Geräte undKomponenten zentralüber PCI Express, USB, Ethernet oder SATAan – allesamt serielle Punkt-zu-Punkt-Ver-bindungen.Diese seriellen Verbindungen sind elekt-

risch besser beherrschbar und erlauben hö-here Datenübertragungsraten bei wenigerPins. PCI Ex-press erreichtso bei nur ei-nem Link (ei-ner differenti-ellen Empfangs- und einer Sen-deleitung) bereits 250 MB/s. AndereBusteilnehmer schränken die Bandbreitedieser Verbindung nicht ein. Eine direkteBeeinflussung findet nicht statt. Durchmeh-rere Links für eineVerbindungbzw.mit einerhöheren Taktfrequenz lässt sich die Daten-rateweiter steigern (bis 16 GB/s bei PCIe 3.0)– und das im Vollduplex-Betrieb.Diese Struktur wurde eins zu

eins auf CompactPCI Serial über-tragen. Der System-Slot ist dasZentrum des Sterns. Jedes Peri-pherie-Board ist eine symmetri-sche Zacke. Dies ist preiswert undeinfach.Geeignete Steckverbinder sinderhältlich – mittlerweile auch in robusterAusführung.

Modular und preiswert,keine Switched FabricsDie Sternarchitektur stellt für modulare

Computer wie CompactPCI eine technischeHerausforderung für den System-Slot unddie Busplatine dar. Der System-Slot mussnun über eine Fülle von Anschlüssen verfü-gen.DieBackplanemuss all dieseAnschlüs-se auf die Peripheriesteckplätze verteilen,ohne dabei zu viele Lagen zu benötigen. BeiStandards wie MicroTCA hat man deshalbSwitched-Fabric-Slots definiert. Diese routendie Daten in der gewünschten Weise überspezielle Backplanes.

Bei CompactPCI Serial hat man bewusstauf derartige Mechanismen verzichtet undkommt ohne Bridges und Switches aus.Eine hoheWiederverwendbarkeit von Stan-dard-Bauelementen ist elementar für einpreiswertes, modulares Computersystem –immerhinmuss sich einmodularer Rechnerkostenseitig immer auch mit nicht modula-ren Rechnern messen.Dies soll jedochnicht bedeuten, dassman

keine Switched Fabrics in ein CompactPCI-Serial-System integrieren könnte,wennmankomplexeRechner- oderNetzwerkstrukturenaufbauen möchte, aber man muss es ebennicht.

Schließlich machen einfache Systeme ca.90%Marktanteil bei CompactPCI aus.

Sternarchitektur mit Ethernet,PCI Express, SATA und USBDer Stern soll flexibel und universell sein.

Deshalb muss er möglichst viele und unter-schiedlicheGeräte ansteuern können–aberwelche?PCI Express als Ersatz für PCI wird vor al-

lem im Com-puter genutzt,um weitereController-Chips anzu-

sprechen. Er ist der klassischeErweiterungs-„Bus“desRechners und

software-kompatibel zu seinemVorgängerPCI.Aber auch serielle Verbindungen benöti-

gen einiges an Anschlussleitungen. Bei PCIExpress sind das mindestens ein Leitungs-paar für den Takt, ein Paar für den Daten-empfangundeinPaar für dasDatensenden.

Um die Bandbreite zu erhöhennutzt man mehrere Lanes, sodass sich je Verbindung leichtneun Leitungspaare oder mehrergeben. Auf Grund der hohen

Datenrate ist auch für ausreichendeSignalintegrität zu sorgen, man benö-

tigt deshalb zusätzliche Masseleitungen –zumindest eine pro Signalpaar.Massenspeichergerätewerdenheute inder

Regel über SATA angesprochen, vor allemFestplatten, die direkt im Computer verbautsind. TypischesBeispiel ist einRAID-System,bei demdie Festplatten auf einzelnen Steck-baugruppen untergebracht sind. Aber auchUSB ist ausmodernenComputernnichtweg-zudenken.

FTDI hat bei USBMaßstäbe gesetztFürUSB gibt es drei Haupteinsatzgebiete:

Wechseldatenträger (USB-Sticks, Festplattenzur Datensicherung etc.), Drahtlos-Schnitt-stellen (GSM, UMTS, GPS, Wi-Fi) und der

Die Sternarchitektur von CompactPCI Serial: ent-spricht dem Aufbau eines modernen Rechners



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Ersatz der klassischen seriellen Schnittstelle.Hier hat die Firma FTDI Maßstäbe gesetzt.Was früher direkt über eine RS232/RS485-Schnittstelle angesprochenwurde,wirdheu-te über einen USB-nach-Seriell-Konverterbedient. USB 2.0 ist etabliert. USB 3.0wird inder nächstenChipsatz-Generation von Intel,AMDusw. integriert sein. Computer unterei-nander werden per Ethernet verbunden,somit muss auch Ethernet als Zacken desSterns ausgeführt sein.

Die Sonderstellungvon EthernetFür Ethernet unterstützt CompactPCI

Serial ein vollständig vermaschtes Netz(engl. fullmesh).Mit einer solchenVerdrah-tung auf der Backplane ist jeder Steckplatzmit allen anderenSteckplätzendediziert ver-bunden. Jeder der neunSteckplätze in einemCompactPCI-Serial-System ist über dieRück-wand mit allen anderen acht Steckplätzenverbunden. (Mehr zum Thema Ethernet-Mesh finden Sie in dem Kapitel "Das Ether-net-Mesh".)Ethernet hat sich als die Schnittstelle für

Mehrcomputersystemedurchgesetzt. Da sichbei CompactPCI Serial eine System-Slot-CPUproblemlos auchals Peripherie-Karte nutzenlässt, ist der Aufbau von modularen Syste-mendenkbar einfach.Alle CPU-Boards kom-munizieren untereinander per Ethernet. Daes sich um Punkt-zu-Punkt-Verbindungenhandelt, wird keine Switch-Karte benötigt.Auch sonst sindkeine spezielle Infrastrukturoder Konfiguration erforderlich.

Kupfergebundene Standardsfür EthernetCompactPCI Serial setzt bei den Ethernet-

Schnittstellen auf kupfergebundene Stan-dards wie etwa 10/100/1000BASE-T und10GBASE-T. Diese Standards bieten gegen-über speziellen Ethernet-Backplane-Stan-dards wichtige Vorteile:� Interoperabilität durch Autonegotiationauch bei unterschiedlichen Geschwindig-keiten�Unterstützung von Standard-Ethernet-Chips� Teilweise bereits im Chipsatz integrierteEthernet-Controller� Äußerst robust und fehlertolerant� Rückwirkungsfreiheit der Boards im Feh-lerfall wegen induktiver bzw. kapazitiverKopplung� Einfache Erweiterbarkeit bei mehr alsneun Steckkarten auch zwischen Baugrup-penträgern�Wahlweise Ergänzung um Standard-Ethernet-Switches

Ein Nachteil besteht in der größeren An-zahl von Leitungen: vier Leitungspaare jeVerbindung im Gegensatz zu zwei beimEthernet-Backplane-Standard 1000BASE-BX. Dafür unterstützt dieser jedoch nur1GBit/s. Für 10GBASE-BX4benötigtmanbe-reits acht Leitungspaare – bei problemati-scher Autonegotiation. Die BASE-T-Techno-logie ist hier zukunftsweisend, da sie einfa-cher ist.Bedeutet das nun, dass jede CompactPCI-

Serial-Baugruppemit acht Ethernet-Kanälenausgestattet sein muss? Keineswegs! Ether-net auf der Backplane ist eine Option. Auchmit nur einem Kanal steht die Kommunika-tionmit einer zweiten, identischenKarte. Beizwei Kanälen ist ein vollständig vermaschtesNetz mit drei CPU-Karten möglich, bei dreiKanälenmit vier Baugruppenusw.DieRück-wandverdrahtung ist so gewählt, dass dieCPU-Boards auchbeiweniger Schnittstellenvollständig vernetzt sind, wenn sie direktnebeneinander stecken.

Einfache, aber flexibleGestaltungCompactPCI Serial erlaubt einfaches und

kosteneffizientesMultiprocessing, basierendauf Ethernet-Kommunikation. Die wesentli-chen Vorteile dieser Art der Datenübertra-gung sind zusammengefasst:� Keine Switch-Karten erforderlich bei Sys-temen bis zu neun Steckplätzen� Vollständig vermaschtes Netz auch mitweniger Ethernet-Kanälen� Interoperabilität und Zukunftssicherheitdurch die Wahl der BASE-T-StandardsDamit ein modularer Computer auch ein-

fach nutzbar und verständlich bleibt, solljeder Peripherie-Steckplatz die gleichen Ei-genschaften haben, das heißt alle Schnitt-stellen unterstützen. So muss sich der An-wender keineGedankenmachen, inwelchenSlot er welches Board steckt.

Identische Peripherie-SteckplätzeBei CompactPCI Serial ist jeder der acht

Peripherie-Slots gleich und unterstützt je-weils 1 PCIe x4, 1 SATA, 1 USB 2.0, 1 USB 3.0und 1 Ethernet zum System-Slot hin. JedeKarte kann in jeden Steckplatz eingestecktwerden.Nur eineAusnahmegibt es: zwei Steckplät-

ze unterstützen jeweils zusätzlich PCIe x8.Hierfür gibt es imWesentlichendrei Anwen-dungenmit hoher Bandbreite: Grafik, High-End-Telekommunikation und CompactPCI-Serial-Systememitmehr als acht Peripherie-Steckplätzen. (Mehr dazu finden Sie im Ka-pitel "PCI Express für hohe Bandbreite".)

http://www.elma.de/de-eu/download-center/whitepaper/rail-communication-compactpci-serial-whitepaper/

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Die typischen Aufgaben derseriellen Schnittstellen

CompactPCI Serial unterstützt für Ethernet die Sternarchitektur oder einvollständig vermaschtes Netz (Full Mesh). Während eine Sternarchitek-

tur für einen Standardcomputer ausreichend ist, bietet sich fürkomplexe Multicomputer-Systeme ein Full-Mesh an.

Ineinemvollständig vermaschtenNetz istauf jeder Steckkarte jeweils ein Ethernet-Interface genau mit jeweils einem Ether-

net-Interface einer anderenKarte verbunden.Bei einer Standard-Busplatine mit neunSteckplätzen sind jeweils acht Ethernet-Ka-näle auf jedem Board erforderlich, um je-weils unabhängigmit jedem anderen Boardkommunizieren zu können. Wie bereits er-wähnt, muss man diese Möglichkeit nichtvoll ausschöpfen.Bild 1 zeigt, wie man symmetrisches Mul-

tiprocessing in einem CompactPCI-Serial-System realisieren kann. Aber auch dieArchitektur intelligenter Subsysteme lässtsich so umsetzen (Bild 2). Das vermaschte

Netz lässt sich auch als Ring verschalten. Sokannman elegant und preiswert redundan-te Strukturen schaffen, bei denenderAusfalleiner Steckkarte nicht zum Ausfall des Sys-tems führt (Bild 3).Dies sind nur einige Beispiele von Archi-

tekturen, die man mit CompactPCI Serialrealisieren kann. All dies ist mit Standard-BackplanesundStandard-Baugruppenmög-lich. Alle vier Steckkarten in den gezeigtenBeispielen können jeweils vomgleichenTypsein. Die Benutzung von Ethernet ist durchdie Software festgelegt.DaCompactPCI Serial physikalisch auf den

BASE-T-Standards aufsetzt (10/100/1000BASE-Tund 10GBASE-T), kannmandieBau-

gruppenmit „gewöhnlichen“ Ethernet-Con-trollern bestücken. In der Regel kann manauf eine galvanische Trennung der Boardsuntereinander verzichten. Das ermöglichteine kapazitive Kopplung und spart Platzund Kosten.

Ethernet-Mesh fürComputer-ClusterHandelte es sich bei Supercomputern vor

einigen Jahren noch um Systeme mit spezi-eller Technologie,werdenheute in der Regelgängige Rechnertechnologien eingesetzt.Dabeiwerden viele einzelne vergleichsweisekostengünstige Server zu einem so genann-ten Computercluster verbunden.

Computer-Cluster:mitCompactPCI Serial


Ein Computercluster beschreibt also einemeist großeAnzahl von einzelnenmiteinan-der vernetztenComputern, die dazu verwen-det werden, Teile einer Gesamtaufgabe par-allel zu verarbeiten. Von außen betrachtetwirkt ein Computercluster wie ein einzigerRechner. Die jeweiligen Knoten sind dabeiuntereinander über ein schnelles Netzwerkverbunden.

Redundanz durch Ausfall-sicherheit der ClusterDurch den Aufbau solcher Serverfarmen

wirddieRechenkapazität undVerfügbarkeitdeutlich erhöht. Vor allemdieAusfallsicher-heit eines Clusters ist ein entscheidenderVorteil gegenüber einemeinzelnenRechner.Fällt innerhalb eines Clusterverbunds einSystemaus, hat das keinendirektenEinflussauf alle anderen beteiligten Systeme inner-halb des Clusters. Auf dieseWeisewird Red-undanz erzielt.Im Wesentlichen werden zwei Arten von

Computerclusternunterschiedenundeinge-setzt:�Hochverfügbarkeits-Cluster sollen dieVerfügbarkeit steigern und für eine besse-re Ausfallsicherheit sorgen. Im Fehlerfallwerden die Dienste von dem defekten Hostdes Clusters automatisch auf einen anderenHost übertragen. Einsatzgebiete sind etwaAnwendungen, in denen eine Ausfallzeitvon maximal einigen Minuten pro Jahr er-laubt ist.�High Performance Computing Clusterwerden dazu verwendet, Berechnungendurchzuführen, die auf mehrere Hosts ver-

teilt sind. Aus Benutzersicht stellt sich derCluster als zentrale Einheit dar, die aberlogisch gesehen aus mehreren vernetztenSystemen besteht. Die Einsatzgebiete lie-gen überwiegend im wissenschaftlichenund militärischen Bereich, aber auch dieServerfarmen für das Rendern von 3D-Com-putergrafiken und Computeranimationengehören zu dieser Art von Cluster.CompactPCI Serial ist speziell für denAuf-

bau vonHochverfügbarkeits-Clusternpräde-stiniert. Aber auch wenn es um kompakteSystememit hoherRechenleistunggeht, sind

Bild 1: Full Mesh mit vier Karten, jeweils basierendauf drei Ethernet-Kanälen


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Bild 2: Ethernet-Mesh für Architektur mit intelligen-tem Subsystem

Bild 3: Ethernet-Mesh in Ringstruktur

http://www.elektronikpraxis.vogel.de/verbindungstechnik/articles/293292/

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Lösungen basierend auf CPCI-S.0 kaum zuschlagen.Im System-Slot steckt beispielsweise der

für diesen Teil-Cluster zuständige Verteil-rechner. Er ist an die acht Cluster-Nodesmiteinem1GBit/s (optional 10GBit/s) schnellenFull-Mesh-Ethernet-Netzwerk angebunden.Eine solche 9-Slot-Einheit ist ein typischerSub-Cluster in einem Cluster-Verbund.Basierend auf moderner Intel-Technologieverfügt dieser zum Beispiel über 9 x 4 =36 Kerne mit je 4 GB Speicher. Aus GründenderVerfügbarkeitwirdmandenSub-Cluster,der eine typische Leistungsaufnahme von400Wmitbringt,mit einemeigenenNetzteilausrüsten, das bei Bedarf auch redundantsein kann.Acht der beschriebenen Sub-Cluster ver-

bindet man mit Ethernet zu einem Gesamt-Cluster. Ein CompactPCI-Serial-Rechnerdient dabei zur zentralenVerwaltung alsNAS(Network Attached Storage). Insgesamt ver-fügt das Systemdannüber 288Kerne zuzüg-lich Verwaltungseinheiten. Dieser Cluster-Computer aus CompactPCI-Serial-Kompo-nenten nimmt nur 3500Watt auf und benö-tigt in einem 19“-Schrank 20 HE(Höheneinheiten). Das Gesamtvolumen desCompactPCI-Serial-Clusters kommt damitauf lediglich 50 % im Vergleich zur Lösungmit 1-HE-Servern. Erwäre bei Bedarf auch fürden Einsatz in extremen Temperaturberei-chen und für denmobilen Einsatz geeignet.

Ethernet in sicherheits-relevanten SystemenSicherheitsrelevante Computer nutzen

häufig dasPrinzip derRedundanz, umFehleraufzudecken. Paart man zwei Rechner, sosprichtmanvon 2-aus-2-Systemen.Diese bei-

den Rechner sind oft diversitär, also unter-schiedlich, um zu vermeiden, dass soge-nannte Common-Cause-Fehler eintreten.Neben Sicherheit ist auchVerfügbarkeit vonerheblicher Bedeutung fürAnwendungen inkritischen Bereichen.Verfügbarkeit erreicht man ebenfalls

durch Redundanz. Ergänztmannicht-diver-sitäre Subsysteme durch ein weiteres Sub-system, so bekommtmanein 2-aus-3-System.Bei diversitären 2-aus-2-Systemen erreichtman die gewünschte Verfügbarkeit durchVerdopplungdes gesamten 2-aus-2-Systems.

SicherheitsrelevanteSysteme im FokusDieRechnermüssendie Ergebnisse unter-

einander abgleichenundvergleichen.Hierzuist eine Schnittstelle erforderlich, die erstensausreichendenDatendurchsatz bietet, zwei-tens aber Rückwirkungsfreiheit gewährleis-tet. Schließlich soll durch den Defekt einesRechners nicht das gesamte System lahmge-legt werden. Ethernet, und hier die galva-nisch getrenntenKommunikationsstandards(10/100/1000BASE-Tund 10GBASE-T) eignensich besonders gut.CompactPCI Serial hat speziell auch

sicherheitsrelevante Systeme im Fokus. Sosind neben Ethernet als Kommunikations-schnittstelle für Multiprocessing weitereFeatureswie zumBeispiel Hot Plugging vor-gesehen. Man kann ein Board aus dem Sys-tem ziehen, ohne dass der Betrieb der ande-renRechner unterbrochenwird.DadieKom-munikation der Rechner untereinander aufEthernet basiert undEthernet implizit bereitsHot Plugging unterstützt, bedarf es nichteinmal eines speziellenHot-Plug-Controllersfür diese Funktion. Als Hauptstromversor-

gung dient eine Single-12V-Power-Rail. DerAufbau redundanter Netzteile ist besonderseinfach, wenn sie nur eine Ausgangsspan-nung liefern müssen.Ein doppeltes 2-aus-2-System könnte bei-

spielsweise aus drei CompactPCI-Serial-Subsystemen bestehen. Jedes Subsystemhätte seine eigene unabhängige Standard-Busplatine mit möglicherweise unabhängi-gen Netzteilen. Die Verbindung der Subsys-temekannüber Ethernet undRear-I/O erfol-gen (ein weiterer Vorteil von BASE-T).Um 2-aus-3-Systeme zu verdrahten, bietet

sich eine Full-Mesh-Architektur an. EineStandard-Busplatine nimmt drei identischeCPU-Boards auf. Die ebenfalls redundantenSwitches könnenals unabhängigeCompact-PCI-Serial-Segmente ebenfalls auf Standard-Busplatinen realisiert werden. Die Verdrah-tung der Subsysteme untereinander ist wie-dermit Rear I/Omöglich. Eine kundenspezi-fische Backplane wäre zur Optimierungdieser Systemfunktion hilfreich.

Modularer Aufbaumit MezzaninenEthernet-Mezzaninkarten sind direkt auf

der System-Slot-CPUuntergebracht undbrin-genbis zu acht Ethernet-Anschlüsse auf demfür Ethernet vorgesehenen P6-Steckverbin-der auf die Backplane. Sie dienen der Kom-munikation mit (intelligenten) Peripherie-Slot-Karten in Stern- oderMesh-Architektur.EineBesonderheit dieser Ethernet-Mezza-

nine besteht darin, dass sich der CompactP-CI-Serial-Systemstecker P6, auf den dieEthernet-Signale geführt sind, nicht auf derCPU-Karte, sonderndirekt auf demMezzaninbefindet. Im Unterschied zu bisher bekann-ten Mezzanin-Standards gehen die Signale

Bild 4: 2-aus-2-aus-3-System mitEthernet-Full-Mesh-ArchitekturMesh-Architektur Bild 5:Mezzanin mit Rückwandstecker P6 für Ethernet-Konfiguration der

System-Slot-CPU


direkt an die Backplane und müssen nichtüber die Trägerkarte geroutet werden.EinweitererVorteil vonMezzaninen ist die

Flexibilität bei der Anzahl der Kanäle. DieBedürfnisse können hier je nach Anwen-dungsfall stark variieren.Dennochkannmanimmer eine Standard-CPU-Karte nutzen.Zum Aufbau eines vollständig vermasch-

ten Netzes für alle neun Steckkarten wäre jeeinMezzaninmit denmaximalen achtKanä-len nötig, um jeweils unabhängig mit jederanderen Karte kommunizieren zu können.Genügt für einfachere Multiprocessing-Sys-teme auch eine Sternarchitektur, wird dasgleicheMezzanin-Modul verwendet – indie-sem Fall nur einmal aufgesteckt auf derSystem-Slot-CPU.

Ethernet an der Frontmit PeripheriekartenEine Möglichkeit für die Nutzung von

Ethernet an der Front stellen CompactPCI-Serial-Peripheriekarten dar. Diese lassensich nicht nur in reinen CompactPCI-Serial-Systemenbetreiben, sondern sorgen auch inHybridsystemen mit einem System-Slot ge-mäß CompactPCI PlusIO für eine schnelleVerbindung. (Mehr zu Hybridsystemen fin-den Sie im Kapitel Hybridsysteme.)Die Verwendung von speziellen Periphe-

riekarten hat viele Vorteile für besondereAnforderungen:� hohe Datenraten,� besondere Konfigurationsoptionen, z.B.gleichzeitiger Betrieb aller Kanäle oderwahlweise zwei redundante Kanalpaare,� Verwendung von Glasfaser-Anschlüssen(z.B. 1000BASE-SX),� Ausstattung für raue Umgebungen, z.B.für –40 bis +85 °C Betriebstemperatur,� Ausstattung für Marktanforderungen,z.B. mit M12- anstelle von RJ45-Steckverbin-dern für Bahnanwendungen.Ethernet-Schnittstellenkarten erweitern

als Peripherie-Boards dieAnzahl der verfüg-

barenPorts der System-Slot-CPUnachaußenauf einem separaten Slot. Die Verbindungerfolgt über PCI Express auf dem Stecker P1.WeitereMöglichkeitenbieten Switch-Karten.Mit einem Ethernet-Switch im System-Slotlassen sich–über denStecker P6–beispiels-weiseMulticomputermit CPU-Karten in denPeripherie-Slots aufbauen. Ein Switch imPeripherie-Slot bringt dagegendie typischenEigenschaften für die Vernetzung externerGeräte mit – ohne Software-Aufwand.

PCI Express fürhohe BandbreiteIm Gegensatz zu anderen seriellen Inter-

connects wie beispielsweise SATA und USB3.0 beschränkt man sich bei PCI Expressnicht auf eine einzige Lane (ein differenziel-les Empfangs- undSendeleitungspaar), son-dernnutzt bis zu 8dieser Lanes parallel (PCIExpress x8).Damit ist PCI Express prädestiniert für ho-

heBandbreiten.Auch imCompactPCI-Serial-Systemkommt es dort zumEinsatz,wo viele

Daten übermittelt werden, vor allem für dieKommunikation zwischen CPU-Karte undleistungsfähigen Peripheriekarten über dieBackplane. Theoretisch sind basierend aufPCI Express 3.0 Datenraten von 8 GT/s proLane und Richtung zwischen Boards undinsgesamt über 80 GB/s (bidirektional) imSystemmöglich.Ein modularer Rechner soll ähnlich wie

ein klassischer PCauchBildschirmeansteu-ern können. Viele Chipsätze haben heutebereits den Grafik-Controller integriert. Inder Regel teilen sich bei dieser ArchitekturCPU und Grafikeinheit den gemeinsamenHauptspeicher. Für geringe bis mittlere An-forderungen, vor allem im2-D-Bereich, kannman sogünstige undgute Lösungen erzielen.Steuert man allerdings Bildschirme mit

sehr hoher Auflösung an, so reduziert dieBandbreite dieses gemeinsam genutztenSpeichers die Leistung sowohl der CPU alsauch der Grafik-Einheit. Möchte man garmehrere Bildschirme mit verschiedenen,hochauflösenden Bildinhalten gleichzeitig

Bild 6: 19“-System mit sechs Grafikkarten zur Ansteuerung von 28 Bildschirmen

http://www.men.de/videos/compactpci-serial-video,de.html

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betreiben oder hatmanhöhereAnforderun-gen an die Grafik selbst (beispielsweise 3-D-Rendering), so ist es angebracht, auf einenexternen, unabhängigen Grafik-Controllermit eigenem Bildspeicher zurückzugreifen.Wähltmaneinen externenGrafik-Control-

ler,wird derDatendurchsatz derVerbindungzwischen Chipsatz und Grafik-ControllerzumkritischenPerformance-Faktor. Deshalbhat gerade diese Verbindung die Entwick-lung von PCI Express ganz maßgeblich ge-trieben.Speziell zur Ansteuerung der Grafikkarte

nutzt man gerne die komplette Bandbreite,also PCI Express x16.Da es relativ häufig vor-kommt, dass manmehr als eine Grafikkarteansteuernmöchte, unterstützen alle bekann-ten Chipsätze und Grafik-Controller einenModus, umPCI Express x16 in zwei x8-Linksaufzuteilen. Dieses Aufteilen halbiert zu-nächst die maximale Burst-Datenrate. Die

ständige Weiterentwicklung der Übertra-gungsfrequenz am PCI-Express-Interface(PCIe 1.0, PCIe 2.0, PCIe 3.0usw.) gleicht diesaber wieder aus.

Besondere Architekturfür GrafikerweiterungenGrafikerweiterungen sind ein Grund für

die besondere Architektur von CompactPCISerial. Zwei Steckplätze sind vom System-Slot ausmit PCIe-x8-Schnittstellen angebun-den. So ist esmöglich, zwei Peripherie-SlotsimCompactPCI-Serial-Systemmit Standard-Backplanemit leistungsfähigenGrafikkartenzu bestücken.Da alle weiteren Peripherie-Steckplätze

über PCIe x4 angesteuertwerden, kannmanGrafikkarten grundsätzlich in jedenPeriphe-rie-Slot stecken. Die Performance ist dortzwar nichtmehr ganz so hoch, aber für vieleAnwendungen immer noch ausreichend.

Moderne Grafik-Chips unterstützen dieAnsteuerung von bis zu vier hochauflösen-den Bildschirmen gleichzeitig per Display-Port. Ein CompactPCI-Serial-System kann(ohneBridges) bis zu acht solcherGrafikkar-ten aufnehmenundmit geeigneter Software32 Bildschirme ansteuern.Diese Erweiterbarkeit zeigt die Eignungder

Architektur von CompactPCI Serial für Ap-plikationen, dieweit über dieMöglichkeitendes parallelenCompactPCI hinausgehen. SokannmanauchLeitwarten vonKraftwerken,von Stellwerken oder sogarVideowändemitCompactPCI-Serial-Systemen ausrüsten.Der zweite klassischeAnwendungsfall für

PCI Express ist Networking. Auch Ethernet-Controller und Switches in der High-End-Telekommunikation benötigen hohe Band-breite. Oft handelt es sich um DSP- oder FP-GA-basierendeBaugruppen, die vonPCIe x8profitieren. Für diese Anwendungen bietensich 6-HE-Boards an, die zudem von derRear-I/O-Funktionalität von CompactPCISerial profitieren. 6-HE-Karten können mitihrer Ein-/Ausgabe über beliebige Steckver-binder – auchoptische– imhinterenTeil desSystems kommunizieren. Mehr dazu findenSie in Kapitel Individuelle Rear I/O für 3 HEund 6 HE.

Peripherie-Erweiterungmit Switched FabricsEine weitere Anwendung sind CompactP-

CI-Serial-Systememitmehr als acht Periphe-rie-Slots. Für High-End-Systeme kann manim System-Slot statt einer klassischen CPUeinSwitched-Fabric-Boardunterbringen.DieCPU steckt in einem Peripherie-Steckplatzundkommuniziert über PCIe x8mit der Swit-ched Fabric. Letztere bildet dann das Inter-face zu mehreren CompactPCI-Serial-Bus-sen, umkomplexe Systememit 9+8 odermit9+16 Steckplätzen zu realisieren.Die Realisierung von RAID-Systemen war

einewesentlicheMotivation für die Erweite-rung vonCompactPCI zuCompactPCI Serial.Deshalb sindnebendenanderenSchnittstel-len auchSATA/SAS-Signale auf der Backpla-ne verfügbar. So lässt sich jeder Peripherie-Steckplatz als Festplattensteckplatz nutzen.Der System-Slot kann damit – wiederumsternförmig – bis zu acht Festplatten direktansteuern.In einem Hybridsystem, das an der Back-

plane CompactPCI-Serial-Peripheriekartenmit einer herkömmlichen CompactPCI-CPUoder einer CompactPCI-PlusIO-CPU im Sys-tem-Slot verbindet, kannman immerhin biszu vier Festplattendirekt ansteuern.Mehr zuCompactPCI PlusIO und Hybridsystemenfinden Sie im Kapitel Hybridsysteme.

Bild 7: RAID-System mit NAS-Anbindung

Bild 8: CompactPCI-Serial-Peripheriekarte für PCICompactPCI-Serial-Peripheriekarte für PCIExpress Mini Cards mit Antennenanschlüssen fürExpress Mini Cards mit Antennenanschlüssen fürDrahtloskommunikation an der Front

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Die CompactPCI-Mechanik, die 1:1 fürCompactPCI Serial übernommenwurde, bie-tet alle Eigenschaften, die ein RAID-Shuttlebenötigt:� robuste Einschub-Mechanik,� Schalter im Griff, um das Entfernen derFestplatte zu signalisieren,� (blaue) LED, um zu signalisieren, dassman die Karte abziehen darf.

RAID-System alsMultiprozessor-NASMit einer zentralen Ethernet-Anbindung

kann das System auch als NAS (NetworkAttachedStorage) dienen. Ein solchesRAID-Systemkönnte dann so aussehen (Bild 7). Indiesem Systemmit mehreren CPUs sind alleCPU-Baugruppen identisch, jedochnutzt nurdie CPU imSystem-Slot ihren RAID-Control-ler und hat zudem einen aufgestecktenSwitch, um über die Backplane mit den an-deren drei CPUs zu kommunizieren. Diesestecken in Peripherie-Slots und haben imSystemweder Switch- noch RAID-Funktion.CompactPCI Serial sieht noch weitere

Mechanismen vor, die für ein RAID-Systemerforderlich sind. So kann durch die physi-kalischeAdressierung ermitteltwerden,wel-ches Laufwerk gewechselt werden soll. Einder Spezifikation SFF-8485 entsprechenderManagement-Bus sorgt für die notwendigeKommunikation zwischen RAID-Controllerund Shuttle. SFF steht für das Small FormFactor Committee,www.sffcommittee.org, indem Firmenwie Seagate, Sun, LSI, IBM undIntel Standards vorantreiben.

Der SFF-8485-Standard definiert einenseriellen GPIO-Bus (SGPIO) speziell in Zu-sammenhangmit Serial AttachedSCSI (SAS)und Serial ATA (SATA). Er dient zum Daten-austausch zwischen dem RAID-Controllerund demLaufwerks-Shuttle. So kann er ein-fache Status-Information übertragen (bei-spielsweise „Schalter geschlossen“, „Hard-Drive powered“) und umgekehrt LEDs an-steuern oder die Stromversorgung der Fest-platte kontrollieren. Der SGPIO-Bus istdediziert der SATA/SAS-Funktionalität zuge-ordnet und unabhängig vom System-Management-Bus des CompactPCI-Stan-dards.Der SGPIO-Bus nutzt vier Signale zur

Datenübertragung:� SClock: ein Datentaktsignal getriebenvom RAID-Controller,� SLoad: ein Synchronisierungssignal, umAnfang und Ende eines Übertragungsrah-mens zu erkennen – ebenfalls getriebenvom RAID-Controller,� SDataOut: das Daten-Ausgangssignal desRAID-Controllers,� SDataIn: das Daten-Eingangssignal desRAID-Controllers. Hier übertragen dieShuttles die Status-Information, währendder entsprechende Zeitschlitz im Datenrah-men mit der physikalischen Adresse über-einstimmt.

Erweiterungen überdie BackplaneMit Hilfe von SATA-Port-Multipliern kön-

nen auchmehr als acht Laufwerke in einem

CompactPCI Serial-System angesteuert wer-den. Hierfür ist eine kundenspezifischeBackplane erforderlich, welche dann auchmehr als acht SATA/SAS-Slots haben kann.Kundenspezifisch möglich wäre auch, nurbestimmte Steckplätze für SATA/SAS zuzu-lassen. Solch ein System kann beispielswei-se aus acht Steckplätzen für PCI Express,USBund Ethernet sowie aus acht zusätzlichenSteckplätzen nur für SATA/SAS-Festplattenbestehen.Mehr zum Thema spezifische Backplanes

finden Sie im Kapitel Anwendungsspezifi-sche Rückwand-Architekturen.

USB für mobileFunktionenWährend PCI Express auf der Backplane

relativ gebräuchlich ist, scheint USB zu-nächst eher ungewöhnlich.Dabei ist USBeinweitverbreiteter Standard, umPeripheriege-räte wie Tastatur undMaus, USB-Sticks undexterneFestplatten vor allemanmobile Com-puter anzuschließen.Praktisch allemodernenLaptops verfügen

aber auch über sogenannte Express-Card-Slots. Diese gestatten Nachrüstungen vonaußen wie etwa GSM/UMTS-Modems. Ex-press-Cards basieren aufUSBund alternativauf PCI Express. Im Inneren eines Laptop-Computers werden ebenfalls beide Schnitt-stellen benutzt, um sogenannte PCI ExpressMini Cards anzuschließen.Umalle PCI Express CardsundPCI Express

Mini Cards auch in einem modularen19"-Rechner nutzen zu können, muss mandeshalb auch diese elektrischen Interfacesunterstützen – sowohl USB als auch PCIExpress auf einemSlot. So könnenCompact-PCI-Systeme mit Drahtlos-Technologie aus-gerüstet werden.Für den Anwender ist es dabei am ein-

fachsten, wenn er jeden Slot mit beliebigenBaugruppen bestücken kann. Bei Compact-PCI Serial ist dies der Fall. USB und PCIExpress werden von der CPU zentral ange-steuert undüber die Backplane an jedenderacht Peripherie-Slots verteilt.Modulemit höherer Bandbreite nutzen in

der Regel PCI Express als Interface (z.B.WLAN), Module geringerer Bandbreite wieGSM/UMTS kommen mit USB aus. PCIExpress v1.x erreicht bereits bei nur einemLink (einer differenziellen Empfangs- undeiner Sendeleitung) 250 MB/s Bandbreite.USB 2.0 bleibt mit nur 480 MBit/s weit zu-rück.USB3.0 erreicht allerdingsBandbreitenähnlich dem PCI-Express-Standard. Com-pactPCI Serial definiert sowohl USB 2.0 alsauch USB 3.0 und ist damit zukunftssicheraufgestellt.

Seriell für erweiterte AnwendungsbereicheDurch die einbettung serieller Schnitt-stellen in einem System eröffnen sichauch neue anwendungsmöglichkeiten,die mit der klassischen parallelen Com-pactpCI-architektur nicht mehr bedientwerden könnten. CompactpCI Serialunterstützt die serielle Kommunikati-on, eine hohe Datenübertragung undanspruchsvolle Grafikleistung und kannzusammen mit dem parallelen Com-pactpCI in Hybrid-Systemen betriebenwerden. Das heißt, bestehende Systemeund anwendungen müssen nicht kom-plett ersetzt werden, sondern könnendurch die neue technologie mit höheremDatendurchsatz erweitert werden.CompactpCI Serial ist kein „Schnell-schuss“. In Detailarbeit haben mehrereHersteller gemeinsam eine zukunfts-

fähige technologie geschaffen undzollen dabei dem Vorgänger CompactpCIhöchsten tribut. Das Konzept orientiertsich nicht an den nächsten drei oder fünfJahren, sondern bereits an einem mini-mum von zehn Jahren. Nach den erstenJahren der einführung geben sowohl dieprodukte als auch die ersten projekte inder anwendung einen ausblick darauf,dass sich diese technik durchsetzenkann und wird.Sowohl als alleinstehende architekturals auch als erweiterung existierendertechnologien bietet CompactpCI Serialbeste Voraussetzungen für eine effizien-te Umsetzung Ihrer anforderungen. einganzes Netzwerk an lieferanten mit denunterschiedlichsten produkten unter-stützt Sie dabei.

http://www.sffcommittee.org

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Hot-Plug-Funktion bei CPCI SerialDie Möglichkeit, im laufenden Betrieb einzelne Baugruppen zu wech-seln, ohne diese zu beschädigen und den Betrieb des Computers zu

stören, heißt Hot Plugging. Dies bringt vor allem für modulare Compu-ter hohen Nutzwert, hat aber ursprünglich auch einen hohen Aufwand

verursacht. Mit CompactPCI Serial ändert sich das.

Da die CPCI-S.0-Spezifikation konse-quent mit seriellen Interconnects ar-beitet, sind viele technischeProbleme

implizit gelöst. Ethernet, USB, PCI ExpressundSATAunterstützenbereitsHot Plugging.Natürlich sind einige (einfache)Maßnahmenerforderlich, um dies in einem 19“-Systemnach IEEE 1101 nutzen zu können.Mindestanforderungen betreffen bei-

spielsweise die Stromversorgung: imMoment eines Lastwechsels beim Steckenoder Herausziehen einer Baugruppe mussgewährleistet sein, dass die Spannung imerlaubtenBereichbleibt. DadieHauptspan-nung aber bei 12 Volt liegt, ist die Toleranzhier sehr groß. Auch darf das Modul beimEinstecken keinen zu hohen Spitzenstromverursachen–mitmodernenSpannungsreg-lern ist der sogenannte „Softstart“ aber Standder Technik.

Steckplatz undHot-Plug-ControllerEntfernt man eine Baugruppe, möchte

manwissen,welcher Steckplatz betroffen ist.Die physikalische Adressierung ermöglichtdasmitHilfe vonvier Pins auf der Backplane.Umandiese Information zugelangen, benö-tigt man eine Schnittstelle zum Hot-Plug-Controller.Wann jedochbenötigtmaneinenHot-Plug-Controller?Basiert eine Peripheriekarte zum Beispiel

auf Ethernet, kommt man gänzlich ohne ei-nen solchenController aus. Das funktioniertaber nur, weil CompactPCI Serial auf Ether-net-Standards für Kupferkabel aufsetzt(100/1000BASE-T und 10GBASE-T). Bei Bau-gruppen auf USB-Basis ist das ähnlich –allerdings sind hier oft Software-Interaktio-nen erforderlich („Sie könnendasGerät nunentfernen“…).Hier kann es hilfreich sein, diese Aktion

durch einen Hot-Plug-Controller zu unter-stützen: Ein Schalter kündigt die Aktion anund eine LED signalisiert den Zustand. Die-ser Schalter ist bereits für CompactPCI imGriff definiert undmuss nicht neu erfundenwerden.

Über einen weiteren gut eingeführtenStandard – SGPIO oder SFF-8485 für RAID-Controller – gelangt die Information zumHot-Plug-Controller. SGPIO ist eine sehr ein-fache Schnittstelle, bei der in Echtzeit einigebinäre Signale mittels vier Leitungen über-tragen werden. (Vgl. Kapitel Nutzung vonSGPIO) Sie ist in vielen Chipsätzen bereitsintegriert, so dass der Hot-Plug-Controllerkeine Zusatzkosten verursacht. Auch PCIExpress ist per se schonhot-plug-fähig.Nichtzuunterschätzen ist allerdings der Software-Aufwand zur Unterstützung der nicht trans-parenten PCIe-Bridges.

TypischeAnwendungenEs gibt eine Reihe unterschiedlicher An-

wendungen, die für CompactPCI Serial undHot Plugging prädestiniert sind. Deshalb istHot Plugging ein integraler Bestandteil vonCompactPCI Serial. Die Anwendungen rei-chenvon steckbarenFestplattenüberRAID-Systeme zu komplexen Mehrfachsystemen.FestplattenDas beginnt bei der Festplatte, die im

Service-Fall schnell getauschtwerdenmuss.Odermanmöchte aufgezeichneteDaten voneiner Festplatte eines Datenloggers einfachentnehmen.Danngibt es natürlich Festplat-ten-RAID-Systeme, die es im laufenden Be-trieb ermöglichen, defekte Platten zu tau-schen, ohnedass der Rechner in seiner Funk-tionbeeinträchtigtwird. Alle dieseBeispielebasieren auf SATA. (S. a. Kapitel SATA/SAS

für RAID-Systeme) Ein Hot-Plug-Controllerist unter Umständen erforderlich und meistbereits im Chip-Satz integriert.DrahtlossystemeEine andere Anwendung sind Wireless-

Lösungenmittels Express-Cards. Diese kön-nenauf einer CompactPCI-Serial-Peripherie-karte mit Express-Card-Slots integriert seinund basieren auf USB und/oder auf PCI Ex-press.Wie vomNotebookbekannt, kannmansolche Karten im laufenden Betrieb einste-cken und unter Software-Kontrolle auchwieder entfernen. Dies ist im Service-Fallsehr nützlich. Ein separater Hot-Plug-Cont-roller ist nicht erforderlich.MultiprocessingKomplexes Multiprocessing ist ebenfalls

auf Basis vonPCI Expressmöglich. Compact-PCI Serial gestattet die Integration vonbis zuneun CPU-Karten in einem System ohneBridges (mit Bridges natürlich noch mehr).DieKommunikation erfolgt hier zentral überden System-Slot. So erreicht man sehr hoheDatenraten in geclusterten Systemen. EinspeziellerHot-Plug-Controller imSystem-Slotist ebenfalls nicht notwendig.Sehr viel einfacher kannmanMultiproces-

sing-Systeme auf Ethernet aufbauen. Da imvollständig vermaschtenNetz jedeKartemitjeder anderenBaugruppeohneSwitchdirektkommunizieren kann, ist hier der System-Slot kein Single Point of Failure mehr, alsokeine zentrale Stelle, deren Ausfall das gan-ze System zum Erliegen bringt. SpezielleSoftware ist ebenfalls nicht erforderlich.

CompactPCI Serial: Alles fügt sich zusammenCompactpCI Serial ist kein „Schnell-schuss“. In Detailarbeit haben mehrereHersteller gemeinsam eine zukunftsfä-hige technologie geschaffen und zol-len dabei dem Vorgänger CompactpCIhöchsten tribut. Das Konzept orientiertsich nicht an den nächsten drei oder fünf

Jahren, sondern bereits an einem mini-mum von zehn Jahren. Nach den erstenJahren der einführung geben sowohl dieprodukte als auch die ersten projekte inder anwendung einen ausblick darauf,dass sich diese technik durchsetzenkann und wird.

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Conduction Cooling hältdie Baugruppen kühlEin gutes Wärmemanagement ist für die Zuverlässigkeit vonComputern entscheidend. Vereinfacht gesagt halbiert sich die

Lebensdauer mit jedem Temperaturschritt von 10 Kelvin.

Bei CompactPCI-Systemen sind derzeitimWesentlichen zwei Arten von Küh-lungüblich.Die einfachste Technik ist

die natürliche Konvektion (engl. convectioncooling). DawarmeLuft leichter ist als kalte,steigt erstere nach oben. Die Strömungsge-schwindigkeit bleibt jedoch relativ gering.Voraussetzung sind deshalb ausreichendgroße Lüftungsschlitze und große Kühlkör-per. Soll beispielsweise eineCPU-Baugruppemit einer Verlustleistung von 25 Watt bis85 °C betriebenwerden, benötigtman einenKühlkörper, der sich räumlich übermehrereSteckplätze erstreckt.

CPU-Lüfter sind wartungsinten-siv und weniger zuverlässigEin kleinerer Kühlkörper istmöglich,wenn

man die Luft mittels Ventilatoren beschleu-nigt (engl. forced air cooling). CPU-Lüfterdirekt auf denBaugruppen sindwartungsin-tensiv und wegen mangelnder Zuverlässig-keit keine Option. Stattdessen werden dieBaugruppenträger insgesamt durchlüftet.

Dies funktioniert gut, solangedieWärmeent-wicklungpro Slot nicht zu großwirdund einausreichender Luftstrom, der auch kühl ge-nug ist, gewährleistetwerden kann.Die Lüf-terzeile unter dem Baugruppenträger musswiederum gewartet werden.

Conduction Coolingund dessen BedeutungFürnochanspruchsvollereAnwendungen,

beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt-technik, ist die sogenannte „Conduction-

Cooling“-Technik verbreitet. Streng genom-menmeintmanmit demBegriff gar nicht dieKühlungderBaugruppen, sondern lediglichden Transport der Wärme der Baugruppenaus dem Gehäuse heraus. Hierzu verbindetmandaswärmeleitfähigeMaterial direktmitder Wärmequelle.

Hermetisch dichte Ausführungund mechanische StabilitätIn der Regel hüllt man die Baugruppe in

einenmaßgeschneidertenAluminiumblock,der dieWärme aufnimmt und über spezielleSpannkeile (engl.wedge locks),welche eben-falls aus thermisch leitfähigemMaterial be-stehen, direkt an die ebenfalls massiveGehäusewandung überträgt. Das Gehäusekann sohermetischdicht ausgeführtwerdenund ist auch mechanisch besonders stabil.Selbstverständlich muss dann die Wärmeaußen am Gehäuse mit weiteren Maßnah-men (beispielweise einem Lüfter) abgeführtwerden.AuchFlüssigkeitskühler sindhierfürgeeignet.

Der Lösungsansatz vonCompactPCI SerialDer IEEE-Standard, auf demdie Compact-

PCI-Spezifikationberuht, sieht für Baugrup-pen mit Conduction Cooling spezielle geo-metrischeRahmenbedingen vor, die es nichtohne weiteres möglich machen, eine Bau-gruppe sowohlmit Luft als auchperKonduk-tionskühlung zukühlen.Dadie Stückzahlenfür Baugruppenmit Conduction Cooling ge-ring sind, sind diese besonders teuer.Die CompactPCI-Serial-Spezifikation geht

deshalb einen anderenWeg. JedeBaugruppefür Luftkühlungkannmittels eines individu-ellen Aluminiumblocks in eine Baugruppefür Conduction Cooling umgewandelt wer-den. Durch die Einsparung der Entwick-lungskosten für spezielle konduktionsge-kühlte Baugruppen ermöglicht CompactPCISerial den Einsatz ehemals teurer Technolo-gie auf breiter Basis.

CCA-Aluminiumrahmen: für CompactPCI-Serial-Baugruppen

Bild 1: Standard-Baugruppe im CCA-Rahmen (links)und und konduktionsgekühltes Gehäuse (rechts)

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Physikalische AdressierungDie meisten modularen Computer unterstützen physikalische

Adressierung. Für CompactPCI Serial ist diese besonders wichtig.

Moderne serielle Busse,wie SATA, PCIExpress oder Ethernet unterstützenalle automatische Konfigurations-

mechanismen, um die Installation neuerHardware zu vereinfachen. Schließt manbeispielsweise per SATA eine Festplatte aneinen Rechner an, so wird dieses Laufwerkautomatisch erkannt undkannohneweitereKonfiguration benutzt werden.DieserVorteil birgt aber auchTücken,man

denke nur an eine Festplatten-RAID-Konfi-guration. So muss man im Fehlerfall dasrichtige Laufwerk findenund tauschen.Auchbei USB-Geräten ist dies ein bekanntes Pro-blem. Steckt man zwei USB-Sticks an einenComputer an, so weiß man nicht, welcherStick wo angesprochen wird.PhysikalischeAdressierung ist deshalb für

modulare Computer-Peripherie erforderlich.Bei CompactPCI Serial wurde auch das be-rücksichtigt. Der System-Slotwirdmit einem

besonderen Signal (SYSEN) erkannt, benö-tigt also keine zusätzliche Adressinformati-on. Auch wenn es im Basisstandard nichtausdrücklich beschrieben ist, kannman dieacht Peripherie-Slots natürlichmit geeigne-ten Bridges erweitern. Da ein 19-Zoll-Bau-gruppenträger maximal 21 Steckplätze auf-nehmen kann, sind vier Leitungen GA[3:0]für die geografische Adressierung vorgese-hen, umdiese Steckplätze zuunterscheiden.Je nach Backplane-Position werden dieseLeitungen an der Rückwand offen gelassen,hart mit Ground (GND) verbunden oder miteinem 1-kOhm-Widerstand mit Ground ver-bunden sein. So ergeben sich 24 verschiede-ne Kombinationen.Umdie Kompatibilität verschiedenerHer-

steller zu gewährleisten, schreibt die Com-pactPCI-Serial-Spezifikation vor,mitwelcherReihenfolge Schnittstellen wie SATA amSystem-Slot zu implementieren sind, wenn

nicht alle acht davon unterstützt werdenkönnen. KanneineCPU-Karte beispielsweisenur zwei SATA-Kanäle unterstützen, sollendies dieKanäle SATA7und8 sein (SATA 1bis6 werden dann nicht unterstützt).Die Basis-Spezifikation schreibt vor, dass

bei Nutzung von nur zwei SATA-Kanälen dieSlots 7 und 8 ganz rechts im System imple-mentiert sein sollen. (S. Implementierungs-reihenfolge im Bild unten.) RAID-Controllererwarten das erste Laufwerk auf Adresse 0.Deshalbwird der Slot ganz rechts imSystemmit der Kennung 0 versehen (d. h. alle vierAdressleitungen GA[3:0] sind mit GND ver-bunden). Der Steckplatz links danebenwirddann entsprechend mit der Kennung 1 ver-sehen usw.Die physikalische Adressierung von Com-

pactPCI Serial ist kompatibel zu Standardswie dem SFF-8485 (SGPIO) für Festplatten-RAIDs.

CompactPCI Serial:Implementierungsreihenfolgeder Schnittstellen

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Der Trend geht zur MiniaturisierungCompactPCI Serial ist dabei, ähnlich erfolgreich zu werden wie sein

paralleler Vorgänger. 3- und 5-Slot-Backplanes eignen sich dabei idealfür den Small-Form-Faktor-Bereich.

AKSEL SALTuKLAR *

* Aksel Saltuklar... ist CTO bei Elma.

Der Systemspezialist Elma Elect-ronic war einer der ersten Sys-temanbieter, der die neue

Spezifikationdurch leistungsfähigeProdukte in die Realität übertrug.Warumdie Entscheidung für Com-pactPCI Serial so leicht fiel undwieElma die Technologie dank einestechnischen Kniffs in ungeahnteAnwendungsbereiche bringt, be-schreibt dieser BeitragGeschwindigkeit ist Trumpf:

Pünktlich zur Verabschie-dung der neuen Highspeed-Technologie CompactPCI Seri-al konnte Elma Electronic alsSystemhersteller sogleich dreiSysteme anbieten. Neben zwei19"-Systemen nach den Spezifi-kationenCPCI-S.0 undCPCI-2.30hatte Elmaauch einCompactPCI-PlusIO-System für den Labor-tisch parat.

Hybrid-Testsystem auchfür CompactPCI PlusIOMit dem kleinen Hybridsystem

boten die Pforzheimer Ihren Interes-senten sofort die Möglichkeit zu eingehen-den Tests. Für Elma Electronic war die Ent-scheidung zur Adaption der neuen Techno-logie eine konsequente Umsetzung des Un-ternehmensanspruchs: „WirwollenunserenKunden immerdie besteWahl für seinenAn-wendungsbereich anbieten, ohne dabei vortechnologischenSchranken stoppen zumüs-sen. Dank unserer enormen Erfahrung mitCompactPCI fiel die Erweiterung aber auchsehr leicht.“Das kleine Testsystemmit der neuenHyb-

ridtechnologie CompactPCI PlusIOhalf dabeiin der Praxis sehr oft, alte CompactPCI-Kun-den vom Wechsel zu überzeugen. „Die alte

Weisheit ‚Never change a running system’gilt dankderHybridtechnologie CPCI PlusIOja nur noch sehr begrenzt. Niemandmusstesich vor Ausfallzeiten fürchten, die Umstel-lung konnte während des Betriebs vorge-nommen werden.“ Dank des hauseigenenKnow-hows imBereich der Systemintegrati-on vermagElmadabei dasBestmögliche ausallen Komponenten herauszuholen. ErsteTrends in der Anwendung ließen deshalbnicht lange auf sichwarten. „Bald kamendieerstenAnfragennach kleinerenAnwendun-gen“, erläutert Saltuklarweiter. „EinigeKun-den brauchten beispielsweise keine neunSlots, andere wiederum fragten kleinereFormgrößen an.“

Diese Trends nahmen die Pforz-heimer auf und boten zuletzt eineBackplane mit fünf und kurz dar-aufmit drei Slots an.Der Trend zurMiniaturisierung hat also auch imCompactPCI-Serial-BereichEinzuggehalten. Folgerichtig sind nunauchkleinereGehäuse gefragt. Die5- und 3-Slot-Backplanes erwiesensich als sehr gute Größe für denSmall-Form-Factor-Bereich. Imnächsten Schritt dürfte somit ver-mutlichder Einsatz imRuggedized-Bereich ein Thema werden, wo diealte CompactPCI-Technologie schonregelmäßig eingesetzt wurde.

IPMI-basiertes Chassis-Management vorantreibenSmall FormFactor undRuggedized

sind zwei Schlagworte, die zugleichgerne mit schwer zugänglichen Ein-satzorten in Verbindung gebrachtwerden.UmdieMöglichkeit zur Fern-wartung zu gewährleisten, treibt El-ma im PICMG-Gremium derzeit dieEinführung eines IPMI-basiertenChassis-Managements voran. Nach

dem Produktmanager für Backplanesbei Elma, Toma Lenga, sollte ein Chassis-Manager alle Sensoren online ablesbar ma-chen: „Ein Systemmanagement bietet dieMöglichkeit zumdirekten Eingriff in dasGe-samtsystem. Er ermöglicht optimierte unddadurch schnellere Prozesse – egal, wo dasSystem eingesetzt wird. Nach unserer Auf-fassung ist ein SystemohneMonitoring des-halb nicht vollständig.“In anderenTechnologien setzt ElmaChas-

sis-Management seit langer Zeit ein. Durchdie guten Erfahrungenmit einer solchen Er-gänzung dürfte es nur eine Frage der Zeitsein, wann die neue Komponente auch inCompactPCI Serial Einzug hält. Es wäre einweiterer Baustein, um eine hervorragendeTechnologie noch besser zu machen.

elma electronic+49(0)7231 97340

CompactPCI Serial Backplane mit fünfSlots: Der Trend zur Miniaturisierung hat auch hierEinzug gehalten. Kleinere Gehäuse sind gefragt

er Systemspezialist Elma Elect-ronic war einer der ersten Sys-temanbieter, der die neue

Spezifikationdurch leistungsfähigeProdukte in die Realität übertrug.Warumdie Entscheidung für Com-pactPCI Serial so leicht fiel undwieElma die Technologie dank einestechnischen Kniffs in ungeahnteAnwendungsbereiche bringt, be-

Bereich ein Thema werden, wo diealte CompactPCI-Technologie schonregelmäßig eingesetzt wurde.

IPMI-basiertes Chassis-Management vorantreiben

sind zwei Schlagworte, die zugleichgerne mit schwer zugänglichen Ein-satzorten in Verbindung gebrachtwerden.UmdieMöglichkeit zur Fern-wartung zu gewährleisten, treibt El-ma im PICMG-Gremium derzeit dieEinführung eines IPMI-basierten

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CompactPCI Serial:Stecker P1 auf einer Standard-

Peripheriekarte (Ethernet-Switch)

Mechanik-Aspekterund um CompactPCI Serial

Insgesamt sieht der CompactPCI-Serial-Standard für Einfach-Europa-karten bis zu sechs Einzelstecker vor, für Doppel-Europakarten sind es

sieben einzelne Stecker.

Je nach Funktion der Baugrup-pe sind unterschiedlich vieledieser Steckverbinder be-

stückt. EinePeripheriebaugrup-pe im3-HE-Format istmeist nurmit einem einzigen Steckver-binder auf der Rückwand be-stückt. Das spart Kosten. Aller-dings bringt das auch einenNachteil mit sich.Ein großer Steckverbinder

hilft, eine Steckkarte mecha-nisch zu stabilisieren. Mehrerenebeneinander angeordnetemodulare Steckverbinder kön-nen dies nicht leisten. Da beiCompactPCI Serial aber vonvorneherein der Einsatz in rau-er Umgebung im Fokus stand,wurde ein zusätz-liches Element –das sogenannteGuide-Element –eingeführt, um die Ein-steckkarte zusätzlich auf derRückwand zu führen, zu halten undzu stabilisieren.So wird eine 3-HE-Baugruppe auchmittig

auf der Rückwandgeführt,wennnur ein ein-ziger (der unterste) Steckverbinder bestücktist. EinDurchbiegen der Leiterplattewird sovermieden.DieBelastbarkeit bei SchockundVibration ist höher.

Steckeranwendungund KodierungCompactPCI Serial benutzt statt der met-

rischen 2-mm-Stecker vonCompactPCI soge-nannte AirMax-Steckverbinder, um die Ein-steckkarte mit der Backplane zu verbinden.Diese Steckerwurdenausgewählt, da sie sichdurch hohe Pin-Dichte, ein sehr gutes Über-tragungsverhaltenbei hohenSignalfrequen-zen und durch mechanische Robustheitauszeichnen. Sie sind vollständig kompati-bel zur Norm IEEE 1101, der gemeinsamenMechanik-Basis von CompactPCI und Com-pactPCI Serial.

Die Pins der Steckverbinder ragen nichtmehr durchdieBackplanehindurch. Bei den2-mm-Steckernhatman einfachdie Pins dervon vorne eingepressten Stecker hintendurchstehen lassen und dann einen Kunst-stoffkörper von hinten übergeschoben. Beiden AirMax-Steckverbindern löst man dies,indemman in die Backplane von vorne undvon hinten Stecker im Bereich der Rear-I/Oeinpresst. Einzige Voraussetzung hierfür isteine bestimmte Dicke der Backplane.Nun definiert CPCI-S.0 in einem dedizier-

tenMusterMasse-Pins zwischendenSignal-Pins. Betrachtet man die Rückwand vonhinten, spiegelt sich dieses Muster. Vorteil-haft bei den AirMax-Steckern ist, dass eskeine speziellenMasse-Pins imSteckverbin-der gibt. So ergeben sich keine ProblemebeimEinpressender Stecker von zwei Seiten.Dabei CPCI-S.0 imGegensatz zumherkömm-lichen CompactPCI-Standard auf der Back-plane Buchsenstecker anstatt Stiftsteckereingesetzt werden, gehören verbogene Pinsder Vergangenheit an.

Der Stecker ist segmentiert. Jenach Funktion der Baugruppesind nicht alle Teil-Stecker be-stückt. Speziell die Stecker P2,P3, P4 und P5 sind auf Periphe-riekarten für anwenderspezifi-sche Ein-/Ausgabe vorgesehenund bieten zusammen 360 Pins,von denen 120 Pins für GND vor-gesehen sind. Steckt von hintenin der Backplane ein Rear-I/O-Board,muss bei kundenspe-zifischer I/O die Pin-Belegung

festmit demFrontboardkorrespondieren.Steckt man eine Kartemit kundenspezifi-scher Anschlussbele-

gung in einen falschen Slot, so könn-te die Karte Schaden nehmen.Das Layout der BaugruppenundderBack-

plane fasst P2 und P3 sowie P4 und P5 zueinemLochbild-Block zusammen. Solch einBlock kann deshalb mit beliebigen AirMax-Steckernbestücktwerden, solangeder Blockvollständig bestückt wird. Airmax-Steckergibt es mit 6, 8 und 10 Reihen. Die Steckersind mechanisch kodiert. Ein Stecker mit8 Reihen kann beispielsweise nicht in eineBuchse mit nur 6 Reihen gesteckt werden.

Segmentierungder SteckerleisteDer Block P2-P3 kann dem Standard ent-

sprechend mit zwei 8-reihigen Steckern be-stückt werden, aber eben auch mit einem6- und einem10-reihigenStecker. So ergebensich für P2-P3 folgende drei Möglichkeiten:6-10, 8-8, 10-6. Den Block P4-P5 kann manmit 8-6 oder 6-8 bestücken. Insgesamt erge-ben sich so sechs verschiedene Steckeran-ordnungen für kundenspezifische I/O-Boards. Die korrespondierende Backplanemuss mit den zum I/O-Board passendenBuchsen bestückt sein, verwendet aber dasStandard-Layout.Diese Möglichkeit der Kodierung existiert

zusätzlich zu den Alternativen, die die IEEE


1101 vorsieht. Die Steckerwerdenbereits beider Herstellung der Baugruppen und derBackplane entsprechend bestückt, so dassder Anwender nichts falsch machen kann.CompactPCI Serial definiert, ebenso wie

das parallele CompactPCI, zwei Standard-Baugruppengrößen: Einfach- und Doppel-Europakarten.Das kleinere Einfach-Europa-format (100 x 160 mm, 3 HE) ist speziell fürkompakte undmobile Anwendungen geeig-net. In denBereichen Server, Telekommuni-kationundMesstechnik könnenaber größe-re Kartenformate (233 x 160 mm, 6 HE) vonVorteil sein, da die elektronischen Bauteilemehr Platz benötigen und auch mehr Leis-tung aufnehmen.

Zwei Kartenformate:3 HE und 6 HEElektrisch und mechanisch sind die bei-

den Formate kompatibel. Das heißt, mankann ohne Einschränkungen 3-HE-Kartenauch in 6-HE-Systeme einbauen.Die Stecker-typenundauchdieBelegung sind identisch.Für 6-HE-Boards wurde lediglich ein optio-naler Stecker (P0) hinzugefügt, um dieStromversorgung zu verstärken und zusätz-liche Ethernetkanäle als Infrastruktur-Busim Serverbereich bereitzustellen.Allerdings stecktmanbei CompactPCI Se-

rial die 3-HE-Karten nicht unten ein, wie beiCompactPCI, sondern oben,wie schonbeimälteren VMEbus-Standard. Das hat zweiGründe. Einerseits ist es für 6-HE-Boards er-forderlich, die Stromversorgung zu verstär-ken. 3-HE-Boardswerdenüber denSteckver-binder P1 versorgt. Für 6 HE muss dieserStecker erweitert werden.Aus EMV-Gründen und um den Daten-

transfer auf den seriellen Interconnects nichtzubeeinflussen, sinddie Stromversorgungs-anschlüsse möglichst weit von den kriti-schenSignalpfaden entfernt. Es liegt deshalbnahe, den ergänzenden Stecker P0 direktneben, also unter P1 zu platzieren. Damitwächst das Board nach unten.

Ein Punkt ist, dass P0 die einzige elektri-sche Erweiterung von 6-HE- zu 3-HE-Kartenist. Alle Features vonCompactPCI Serialwieacht PCI-Express-Links, achtMal Full-Mesh-Ethernet, acht SATA- und acht USB-Schnitt-stellen stehen in 3-HE-Systemengenauso zurVerfügung wie in 6-HE-Systemen.Der zweite Grund für die Anordnung von

obennachunten ist der einfacheAufbauvonHybridbaugruppen. CompactPCI Serial be-schreibt auch solche Karten. Im oberen Be-reich einer 6-HE-Baugruppe befinden sichdie neuen AirMax-Steckverbinder, im unte-renBereich auf denStandardpositionen sinddie herkömmlichen 2-mm-Stecker von Com-pactPCI untergebracht.

Leistungsaufnahmeund VersorgungDie Leistungsaufnahme aus 12 V ist für

3-HE-Boards auf 60W beschränkt. Für 6 HEsind 150 W zulässig. Dies genügt auch zurVersorgung leistungshungriger Server-Chip-sätze. 150W sind zugleich die physikalischeGrenze für Luftkühlung vonBaugruppen, diemit je vier Teileinheiten ein 19“-Rack füllen.Ein 19“-Baugruppenträgermit 20 6-HE-Slotskönnte dann theoretischbis 3000WWärme-leistung erzeugen.

Bild 1:Mechanik für CompactPCI Serial – das Guide-Element in der Mitte der Backplane


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Bild 2: Stecker P2 bis P5 für anwenderspezifische Ein-/Ausgabe

http://www.elma.de/de-eu/events/press-releases/2013/08/de-bp-5slotcpciserial/

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Die neuen AirMax-Steckverbinder vonCompactPCI Serial haben keine speziellenStromversorgungspins. Zur Spannungszu-führung werden Standard-Stecker genutzt,die zur Signalübertragunggeeignet sind. ProPin kann der Stecker bei 85 °C mit einerStromlast von 1Abelastetwerden.DurchdieKonstruktiondes Steckverbinders stehendieKontakte einzeln, ohne eine thermischeKopplung. Wird eine Kontaktverbindungwärmer als eine andere, so erhöht sich derInnenwiderstand und der Strom sucht sichdenWegüber kühlere Kontakte. Dies garan-tiert eine gleichmäßige Belastung aller Kon-takte.Der für P0 gewählte Steckertyp ist iden-

tisch zu P1. Er hat demnach 72 Kontakte undkönnte bis zu 24 differentielle Signale ver-binden. Seine Pins verstärken die 12-V-Ver-sorgung, aber auch die 5-V-Standy-Versor-gung. Insgesamtdarf nun ein 6-HE-Boardbiszu 25 W Leistung aus den 5 V Standby ent-nehmen – ebenfalls ein Zugeständnis anServer-Chipsätze. Ganz neu eingeführt wur-den zwei redundante, isolierte 48-V-Strom-versorgungen. Sie sollen verschiedene Tele-kom-Standards, aber gerade auchLösungenwiePower-over-Ethernet (PoE) unterstützen.Eine 6-HE-Karte kann knapp 100Wüber dieBusplatine bereitstellen. Auf die thermischeBilanz hat dies kaum Einfluss, da bei PoE jaexterneGerätemit Leistung versorgt unddie48 V lediglich gesteuert werden.

Ethernet-Erweiterungbei 6-HE-KartenZwei Reihen des P0 sind für zwei zusätzli-

che Ethernet-Kanäle reserviert. Diese kom-men zuden acht Kanälen hinzu, die als voll-ständig vermaschtes Netz definiert sind.Während die acht Kanäle das Multiproces-sing-Netz von CompactPCI Serial bilden,können die zwei Zusatzkanäle zur Integrati-on in vorhandene CompactPCI-Systeme aufBasis des PICMG-Standards 2.16 dienen, aberauch zur Systemadministration.Parallele CompactPCI-Systemeverwenden

dafür noch den IPMB, einen I²C-Bus. Der

Trend geht aber auch hier zu Ethernet. Intelbezeichnet diese Technologie als AMT (Acti-ve Management Technology). Sie dient bei-spielsweise dem Update von Software auchbei ausgeschaltetem System.

Rückwärtskompatibilitätund ZukunftssicherheitVor allem die unterschiedlichen Formate

und Möglichkeiten der Signalführung zei-gen, dass inmodularen, industriellen Rech-nersystemen flexible Konzepte gefragt sind.HoheAnsprüchebegleitetendaher vonVorn-herein die Entwicklung von CompactPCISerial, sowohl im Hinblick auf Bestehendesals auch auf die Technologien der Zukunft,zugleich aber auch mit dem Blick auf spezi-ellere Wünsche. Die wesentlichen Eigen-schaften imhier beschriebenenKontext sind:� Kompatibilität zum parallelen Compact-PCI – PICMG 2.0,� Kompatibilität zwischen 3-HE-Kartenund 6-HE-Karten,� 6-HE-Hybridbaugruppen als Brücke zwi-schen existierenden Systemen und denmodernen seriellen Schnittstellen,� verschiedene Steckeranordnungen fürkundenspezifische I/O-Boards,� Backplane-Erweiterungen, zum Beispiel

um zusätzliche Ethernetkanäle und Power-over-Ethernet für neuere Technologien.Zu speziellen Rückwand-Lösungen s.a.

Kapitel Individuelle Rear I/O für 3 HE und6 HE und Anwendungsspezifische Rück-wand-Architekturen.

Erweiterung mitMezzanin-KartenDa CompactPCI Serial mechanisch auf

dem Standard IEEE 1101 basiert, dem Stan-dard für 19-Zoll-Systeme und Europa-Bau-gruppen, sind auch Mezzanin-Module, diefür solche Baugruppen entwickelt wurden,kompatibel zuCompactPCI Serial. Vor allemfür die Rückwärtskompatibilität zu existie-renden Lösungen ist dies sehr wichtig.BedeutendsteVertreter solcherMezzanine

sind PMC-, XMC- und M-Module. All dieseModule passen auf Europakarten. Dabeikann eine Einfach-Europakarte prinzipielljeweils ein PMC/XMCbzw. einM-Modul auf-nehmen; eine Doppel-Europakarte kannzwei PMCs bzw. XMCs oder vier M-Moduletragen.Platzbedarf:Bedingt durch die für CompactPCI Serial

eingesetzten Steckverbinder ist der für Bau-teile nutzbareRaumetwas geringer als beimparallelen CompactPCI und bei VMEbus-Baugruppen. Für CPCI-S.0wurdedeshalbderfür Peripheriekarten einzig erforderliche Ste-cker P1 amunterenRandder 3-HE-Baugrup-peplatziert. Dadieser Steckverbinder nur 13mmbreit ist und einRandvon jeweils 2,5mmfür Einschubschienen reserviert ist, bleibteine Breite von 82mm, die für Bauteile nutz-bar ist. Ein PMC/XMC-Modul mit 74,5 mmBreite lässt sich so bequem unterbringen.Ebenso natürlich ein M-Modul mit 53 mmBreite.

Zwei PMC/XMC-Module aufeiner Doppel-EruopakarteFür Doppeleuropakarten gilt im Prinzip

dasGleiche.Da 6-HE-Baugruppenaber 3-HE-Baugruppennachunten verlängern, liegt derStecker P1 relativmittig auf dem6-HE-Board.Für PMC/XMC-Module ist dies ohne Bedeu-tung, es passen zwei dieser Module auf eineDoppel-Europakarte. Die Anzahl maximalmöglicher M-Module beträgt drei je 6-HE-Baugruppe.Signalführung:Die elektrische Ansteuerung von Mezza-

nin-Modulen, die auf modernen seriellenSchnittstellen beruhen, ist besonders ein-fach. Somüssen fürXMC-Module einfachnurdie richtigenLeitungenmiteinander verbun-den und die Stromversorgung lokal erzeugtwerden.Hot-Plug-Unterstützung ist natürlichBild 4: Stromversorgungspins für 6-HE-Karten am Stecker P0

Bild 3: CompactPCI Serial in 6 HE, erweitert umStecker P0

ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium CompactPCI Serial November 2013 27


möglich. Für Module, die auf älteren paral-lelen Bussen basieren, benötigt man eineBridge. So gibt es für PMC-Module BridgesvonPCIe auf PCI als Standard-Komponenten.Für M-Module wird man FPGA-basierendeLösungen wählen.Schon beim parallelen CompactPCI-Stan-

dard gibt es dieMöglichkeit, die Ein-/Ausga-be für Peripheriesteckplätze auch über dieBackplane anzupassen. Die Anzahl der frei-en Pins, vor allem bei 3-HE-Lösungen, istjedoch sehr eingeschränkt.

Individuelle Rear I/Ofür 3 HE und 6 HECompactPCI Serial bietet die Möglichkeit

auch für 3-HE-Baugruppen bereits rund100Pin-Paare bzw. 200 einzelnePins andenSteckern P2 bis P5 zu nutzen, welche alle inMasse eingebettet und so geschirmt sind. Für6-HE-Boards stehen dannmehr als 300 Pin-Paare bzw.mehr als 600 einzelne Anschlüs-se zur Verfügung. Den I/O-Signalen kommtnatürlichdas sehr guteÜbertragungsverhal-ten und hohe Signalfrequenzen zugute. Solassen sich Datenübertragungsraten von12GBit/s undmehr für differenzielle Signaleerreichen.Rear I/O auf 3 HE: benötigt man für Syste-

me in rauer Umgebung in Verbindung mitKonduktionskühlung. Die Ein-/Ausgabe-Signale werden in der Regel ausschließlichperRear-I/O angeschlossen. Konduktionsge-kühlte Systeme werden sowohl den thermi-schen als auch denmechanischen Anforde-rungen gerecht, beispielsweise für den Ein-satz in Flugzeugen, Zügenoder Landmaschi-nen.Rear I/O auf 6 HE: ist für viele Applikatio-

nen sehr wichtig. Telekom-Anwendungenetwa lassenFront-I/Onur für Service-Zweckezu. EinGrund für denEinsatz vonmodularenSystemenaufBasis vonEinsteckkarten ist jageradedie extremkurze Zeit, die imService-Fall für den Kartentausch benötigt wird.Dank der Hot-Plug-Fähigkeit von Compact-PCI Serialmussmannicht einmal die Strom-

versorgung ausschalten um ein Board zutauschen. Viele Steckverbindungen an derFront, die vor dem Tausch eines Boards ent-ferntwerdenmüssen, könntendiesenVorteilzunichtemachen. Die Lösung ist Rear-I/O.

Bezeichnung typ anzahl Reihen anzahl WänDe VeRWenDung

P0 a 6 4 optional

P1 a 6 4 Zwingend

P2 B 8 2 optional

P3 B 8 2 optional

P4 B 8 2 optional

P5 C 6 2 optional

P6 D 8 4 optional

Tabelle 1: Standardkonfiguration der Steckverbinder gemäß CompactPCI-Serial-Spezifikation

Bild 6: Freie Rear-I/O-Gestaltung mit Com-pactPCI Serial in 6 HE

Bild 5:Mezzanin-Varianten bei 3-HE- (links)und 6-HE-Karten mit CompactPCI Serial

http://www.elektronikpraxis.vogel.de/embedded-computing/articles/301097/

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Rear I/O in der Messtechnik: Eine Bau-gruppe mit analogem Front-End benötigthäufig eine Messwertanpassung, die bei je-derAnwendungunterschiedlich ist. Die Sig-nalkonditionierung kann man sehr gut aufeinemmaßgeschneidertenRear-I/O-Adapterunterbringen. Die Front steht dann für kom-fortable Status-Anzeigen zur Verfügung.Rear-I/O-Technologie birgt auch zwei we-

sentliche Schwierigkeiten. Bei herkömmli-chen CompactPCI-Systemen müssen alleSignale von der Front auf die Busplatine ge-bracht werden. Die Stecker der Busplatineleiten dann die Signale weiter an den Rear-I/O-Adapter. Beim parallelen CompactPCIhat man sich für Rear-I/O wie auch für diePCI-Bus-Signale auf die bewährten 2-mm-Steckverbinder festgelegt. Diese sind jedoch

wenig geeignet, die hohenBandbreitendigi-taler Nachrichtentechnik zu unterstützenoder hoch-sensible Signale imMesstechnik-bereich zu handhaben.CompactPCI Serial verzichtet deshalb völ-

lig auf die Definition des Rear-I/O-Steckersund lässt sogar die Busplatine in diesemBe-reich weg. So trifft der individuelle Steckerdes Front-Boards direkt mit dem entspre-chendenStecker desRear-I/O-Boards zusam-men. Diese Lösung hat nur Vorteile: DieBusplatinehatmit Rear-I/Onichts zu tun, siewird kleiner und billiger. Es werden keineSteckverbinder für Rear-I/O vorgehalten, diewomöglich nicht benötigt werden, da garnicht alle Slots Rear-I/O nutzen.Währendman im VPX-Umfeld noch über-

legt, wieman optische Schnittstellen unter-

stützen kann, ist dies bei CPCI-S.0 problem-los möglich. Die Front-Karte kann einen be-liebigen optischen Steckverbinder des Rear-I/O-Boards direkt treffen.DasGleiche gilt fürsensible Signale imBereichderMesstechnik.Spezielle Steckverbindermit hohemStörab-stand des Front-Boards können direkt dasRear-I/O-Board kontaktieren.Das Konzept für 6-HE-Rear-I/O von Com-

pactPCI Serial will auch hier wieder mög-lichst flexibel sein. Für Anwendungen wieoptische Datenübertragung oder die Über-tragung hoch-sensibler Signale bietet es diehöchstmögliche Individualisierung. Zugleicherreichtmandadurch einen sehr hohenGradan Interoperabilität.Mankann, zumBeispielfür rückwärtskompatible Hybridbaugrup-pen, auchherkömmliche 2-mm-Steckverbin-der einsetzen.DerRear-I/O-Stecker dient hierdazu, die Signale des parallelen PCI-Bussesauf den Rear-I/O-Adapter zu führen. In die-sem speziellen Fall ist der Rear-I/O-Adaptereinfach eine herkömmliche CompactPCI-Backplane.

AnwendungsspezifischeRückwand-ArchitekturenCompactPCI Serial unterstützt auf jedem

Rückwand-Steckplatz jede in der Spezifika-tion definierte Schnittstelle, also Ethernet,PCI Express, SATA und USB. Dies ist sehrkomfortabel, es ist einfach zu verstehenundebenso einfach in der Handhabung.Für bestimmteApplikationen in Stückzah-

len ab etwa 50Systemenempfiehlt sichunterUmständen eine kundenspezifische Back-plane.Hier könnenbeispielsweise bestimm-te Schnittstellen auf bestimmte Steckplätzeverdrahtet werden. Theoretisch könnte einesolche Backplane also neben dem System-Slot acht Slots nur für Ethernet, acht Slotsnur für PCI Express, acht Slots nur für USBund acht Slots nur für SATA haben (insge-samt also 33 Steckplätze). Auch hierfür sindkeine Switches und Bridges notwendig, al-lerdingsmussman nun bestimmte Periphe-riekarten auch in bestimmte Steckplätzestecken.Ein sinnvolles Beispiel für eine solche

Backplane wäre eine, die zumindest dieSATA-Steckplätze von den anderen Schnitt-stellen trennt. Es würden sich so acht Peri-pheriesteckplätze ergeben, die Ethernet, PCIExpress undUSBunterstützen, undachtwei-tere Steckplätze, die ausschließlich SATA-Boards (also Festplatten) aufnehmen kön-nen. Ein solcher modularer Computer hätteacht Steckplätze für typischePeripheriefunk-tionen und acht Steckplätze für ein RAID-System, zusammenmit demSystem-Slot alsoinsgesamt 17 Steckplätze.

Bild 7: Standard-Backplane (oben) undanwendungsspezifische Backplane mitgetrennten SATA-Steckplätzen (unten)

Bild 8: Anwen-dungsspezifischeBackplane mit zweiSystem-Slots fürCompactPCI undCompactPCI Serial

Wie hoch ist eigentlich ein Angebot,das man nicht ablehnen kann?

Der Gehaltsreport für die Elektronikbranche 2014

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Einsatz in rauer Umgebungam Beispiel der EN 50155Dass CompactPCI Serial ebenso wie schon CompactPCI selbst denharten Anforderungen im Eisenbahnbereich gewachsen ist, sollanhand des damit verbundenen Normenwerks erläutert werden.

Ziel der EN 50155 für die Elektronik imZug ist eine Funktionsfähigkeit von24 Stunden pro Tag über 20 Jahre oder

entsprechend rund 175.000Stunden.Dies istmöglich durch die Definition von Anforde-rungen, die unter allen denkbaren Umwelt-bedingungen erfüllt werden müssen, ein-schließlich SchockundVibration,Nebel undSalz, etc. Sie gibt auch den Umgang mitSchwankungen der Versorgungsspannungund deren Transienten vor:Umgebungstemperatur:Die EN50155 ver-

langt bis zu -40 bis +85 °C. Außerdem defi-niert sie 3 °C/s thermischen Schock als An-forderung beimDurchfahren eines Tunnels.Aufgrund der Temperaturextreme, der ther-mischenAnstiegratenundder Feuchtemüs-sen die Bauelemente und die Leiterplattender Kondensation widerstehen, die zusam-men mit Temperaturanstiegen von Wertenunter null Grad auftritt.Feuchte:Die EN50155 gibt generelle Richt-

linien vor: Relative Feuchte von 75 % imDurchschnitt, gefolgt von 30 aufeinanderfolgenden Tagenmit 95% relativer Feuchte.Das bedeutet für die elektronische Ausrüs-tung in den meisten Fällen wasserdichteGehäuse oder schutzlackierte Baugruppen.Umweltverschmutzung: Je nachUnterbrin-

gung der Ausrüstung können Umweltver-schmutzungen einwirken: Leitfähiger Staub,Ölnebel, Sprühsalz und/oder Schwefeldi-oxid. Conformal Coating und Gehäuse mitIP-Schutzart vermeidendie negativenFolgendieser Einwirkungen.

Kühlung: Zwangsbelüftung sollwegenderdadurch vermehrt anfallendenWartungsar-beiten vermieden werden. Kühlung durchreine Konvektion erfordert ein geeignetesBoard- und Gehäuse-Design.EMV: Züge sindbei der Fahrt einerVielzahl

von elektromagnetischenStöreinflüssen aus-gesetzt. Die Transienten-/Burst-Festigkeitmuss entsprechend EN 50121-3-2 und EN61000-4-4 nachgewiesen werden. Die Ein-strahlfestigkeit gegen Funksender muss derEN 50121-3-2 entsprechen und die Abstrah-lung von Funkwellen der EN 50121-3-2.Stoß und Vibration: Die EN 50155 be-

schreibt Testmethoden und Grenzwerte, diein EN 61373 definiert sind. Obwohl die dortaufgeführten Applikationen DIN-Schienen-montage vorsehen,müssen fürUmgebungenmit hoher Vibration massivere Montage-Techniken, wie sie CompactPCI bietet, ein-gesetzt werden.

Zusätzliche Anforderungenim BahnbereichEingangsspannung:Bei einemSystemmit

110 VDC darf die Eingangsspannung im Be-reich von 77 bis 137,5VDCohne jede zeitlicheBegrenzung variieren. Die Eingangsspan-nung darf außerdem im Bereich von 66 bis154 VDC für eine Periode von 0,1 s extremvariieren.Um diesen einzigartigen Anforderungen

andenEingangsspannungsbereich zugenü-gen, könnennur Stromversorgungenverwen-det werden, die speziell für den Einsatz in

Eisenbahnenkonstruiert sind. Solche Strom-versorgungen sind für CompactPCI und da-mit auch CompactPCI Serial als COTS-Pro-dukte erhältlich.Welligkeit der Eingangsspannung: Die

Eingangsgleichspannung von einem Ein-oderDrei-Phasen-Generator ist relativ unge-glättet. Sie kann eine signifikanteWelligkeitenthalten, die bis zu 15 % der durchschnitt-lichenSpannungbetragendarf unddie nichtvon den Eingangsfiltern ferngehalten wird.ZusätzlichmüssendieRegelkreise der Strom-versorgung schnell genug sein, umSchwan-kungender Eingangsspannungauszuregeln,damit diese nicht am Ausgang auftreten.

Mit 3-HE-SystemenPlatz und Kosten sparenEingangsspannungsstöße: Die EN 50155

definiert die Relation von Stoßspannung,Dauer und Quellenimpedanz zu höherenSpannungen, die für kürzere Zeit und mithöherer Quellenimpedanz auftreten. So istbei 110 V ein Test mit 1,4-facher Überspan-nung (154VDC) über 1 smit einerQuellenim-pedanz von 1 Ohm vorgesehen.Zuverlässigkeit und lange Verfügbarkeit

der Elektronik ist für Bahnanwendungenentscheidend. CompactPCI Serial basiert aufCompactPCI und dessen bewährter Mecha-nik. DieNorm IEEE 1011 beinhaltet alle erfor-derlichenAbschirmtechnologien. Gerademit3-HE-SystemenkannmanAnwendungenausdem Bahnbereich extrem platzsparend undkostengünstig bedienen.



Die Qual der Wahl –CompactPCI Serial oder VPX?

CompactPCI Serial hat lange auf sich warten lassen. In der Zwischen-zeit schickte sich VPX an, die militärische Nische zu verlassen undversucht nun, verstärkt auch zivile Anwendungen zu bedienen.

Beide Standards sind nach Experten-meinung das Beste, was der Marktderzeit in puncto Robustheit und Zu-

verlässigkeit zu bietenhat. Allerdings solltensichpotentielleAnwender vorher überlegen,für welche Systemeigenschaften sie welcheAufwände kalkulieren wollen bzw. müssen.Es mag durchaus einige industrielle bzw.

zivile Anwendungen geben, bei denen diehöheren Ausgaben für ein VPX-System ge-rechtfertigt sind, besonders wenn die NRE-Einstandskosten (Non-Recurring Enginee-ring) ohnehin schon hoch sind. Dann solltemanaber auchgenügendZeit einplanen, umsich mit VITA 46, 48, 65-68 und allen Unter-spezifikationen auseinanderzusetzen – woCompactPCI Serial mit einer 128-seitigenBasisspezifikation auskommt.

Bereits auf Baugruppenebeneverursacht VPX höhere KostenBereits auf Baugruppenebene fallenhöhe-

re Kosten an, etwa durch den komplexenVPX-Stecker, der gegenüber demCompactP-CI-Serial-Stecker keinerlei Vorteile bezüglichSchnelligkeit, Sicherheit oder Robustheitbietet und zudemweniger Signale hat.Dafür hat CompactPCI Serial keine spezi-

ellen Interconnectswie Serial RapidIO (SRIO)oder Aurora vorzuweisen. Während jedochSRIO auf bestimmte PowerPC- und DSP-Typen beschränkt ist, beherrschen gängigex86-Prozessoren die ganze Palette von:� PCI Express,� Ethernet,

�USB und� SATA.Auf diesen seriellen Schnittstellen baut

CompactPCI Serial auf. Management Cont-rollerHubs, Switches, Bridges undCo. kostenextra und machen Systeme komplizierterund damit teurer. Wozu immer sie benötigtwerden (indemsie den jeweiligenSteckplatzmit dem richtigen Interface verbinden) –CompactPCI Serial kann komplett daraufverzichten, auch im komplexen Multi-Com-puter-System. Zusätzlicher Aufwand fürSoftware-Anpassungen entfällt damit fürCompactPCI Serial auch.

Interoperabilitätsproblemedurch VielfältigkeitDie enorme Vielfältigkeit bei der Konfigu-

ration vonVPX-Systemen führt letztenEndeszu Problemen mit der Interoperabilität, wiesie OpenVPX zu verringern sucht. Dennoch,durch die Fülle verschiedener Optionen istes kaum möglich, Einsteckkarten verschie-denerHersteller eins zu eins auszutauschen,und anwendungsspezifische Busplatinensind eher dieRegel als Standardbackplanes.

CCA-Rahmen für Baugruppenund InfrastrukturDank der strikt standardisierten Pinbele-

gung von CompactPCI Serial dagegen kön-nendiemeistenAnwendungen, einfachewiekomplexe, zumindest zum größten Teil ausStandardbaugruppen und -Busplatinen be-dient werden. NRE-Kosten entfallen oder

sindminimal. Da auch in zivilenAnwendun-genwie in Flugzeugen, Bahnen, Bussenundmobilen Maschinen eine effektive Kühlungimmer wieder ein wichtiges Thema ist, spe-zifiziert CompactPCI Serial auch einen CCA-Rahmen für Baugruppen und die entspre-chende Infrastruktur für konduktionsge-kühlte Systeme.Um Kosten zu sparen, müssen Standard-

Baugruppennicht nochmal für Conduction-Cooling-Umgebungen entflochten werden,was zudem den verfügbaren Platz auf derLeiterplatte reduzierenwürde, sondernwer-den in einen CCA-Rahmen integriert.Letzter Kostenpunkt, das Netzteil: VPX

benötigt für seine 5V/12V/48V-Strategie auchaufwändigere und damit teure Netzteile.CompactPCI Serial definiert hingegen nureine Single-12V-Versorgung und kann sichbei hohem Kostendruck durchaus von derStange versorgen.

Preis-LeistungsverhältnisentscheidendVPXundCompactPCI Serial –diese beiden

soliden Standards biete viele Gemeinsam-keiten und sind an sich doch zwei verschie-dene Welten: An den Kosten scheiden sichdie Geister. Was für Anwendungen in Rüs-tung und Verteidigung gut sein kann, ist fürkostenbewusste Märkte noch lange nichtbillig. Und billig ist auch CompactPCI Serialnicht, aber das Preis-Leistungsverhältnis alstreibender Faktor bei der Standardisierungstimmt.

http://www.men.de/getdownload.asp?p=jp_3zx_mpjq26jp_o5yqz6m6u_zj6qotj&c=1&f=CompactPCI_Serial_VPX_WhitePaper_de.pdf

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CompactPCI-Serial-Netzgerät:effizient und redundanzfähig

Laut PICMG ist für CompactPCI Serial nur eine 12V-Hauptspannung undeine 5V-Standby-Spannung definiert. Mit Pentair und anderen ist ein„Quasi“-Standard für steckbare CompactPCI-Serial-Netzgeräte und ein

erstes AC-Netzgerät mit Weitbereichseingang entstanden.

ChRISTIAN GANNINGER *

* Christian Ganninger... ist Produktmanager Systems und Power Suppliesbei Pentair - Schroff, Straubenhardt.

Als CompactPCI von der PICMG vor18 Jahren spezifiziert wurde, wollteman die Vorteile der PC-Technologie

nutzen und auf industrielle Belange anpas-sen. Den gleichen Ansatz verfolgte man beider Spezifizierung von CompactPCI Serial.Heute stehen andere serielle Protokolle fürdie unterschiedlichen Anwendungen zurVerfügung. Über USB werden Peripheriege-rätewie Speicher, Eingabegeräte, Kommuni-kationsmodule oder sogar Zweitbildschirmean den Rechner angebunden.Interne Festplatten werden direkt über

SATA-Leitungen an den Prozessor ange-schlossenundmehrere Computer über Ether-net miteinander verbunden. Aus diesen An-forderungen ist die CompactPCI-Serial-Spe-

zifikation entstanden, die AnfangMärz 2011von der PICMG ratifiziert wurde. Sie basiertauf einer rein seriellen Architektur und er-laubt die gleichzeitige Nutzung von PCIe bisGen 3, S-ATA 3, USB 2.0 und 3.0, Ethernet bis10 GBit BaseT auf jedem Slot sowie Daten-übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu64 Gb/s.

Der Schritt von CompactPCIzu CompactPCI SerialDermechanischeAufbauder CompactPCI-

Serial-Systeme entspricht vergleichbarenCompactPCI-Systemen. Ausgestattet mit ei-ner Backplane finden hier bis zu neun 3-HE-Leiterkarten Platz, der Systemslot befindetsich standardmäßig links. Dort könnenohnekonstruktive Änderungen auch CPUs mitdoppelter Breite eingesetzt werden. Außer-dem steht genügend Platz z.B. zum EinbauvonFestplatten zurVerfügung. Zusätzlich ist

im hinteren Bereich ein Einbauraum fürRear-I/O-Karten vorhanden.In der CompactPCI-Spezifikation wurden

damals in derUnterspezifikationPICMG2.11auchdieVorgaben für entsprechendeStrom-versorgungen definiert. Für CompactPCISerial gibt es bis dato keine solcheUnterspe-zifikation. In der Spezifikationwurden ledig-lich 12 V als Hauptspannung und zusätzlicheine 5V-Standby-Spannung festgelegt. Beste-hende CompactPCI-Netzgeräte haben vierAusgangsspannungen (Hauptspannungen 5und 3,3 V, Nebenspannungen +12 und -12 V)und sind zu schwach auf den 12V-Spannun-gen ausgelegt, um für CompactPCI Serialgenutzt zu werden.Pentair hat daher zusammenmit denwich-

tigsten Board-Herstellern, SystemkundenundNetzgeräte-HerstellerndieAnforderun-gen für steckbare, industrietaugliche Com-pactPCI Serial-Netzgeräte erarbeitet und ineinemQuasi-Standard festgelegt. Daraus istnun ein erstes SchroffNetzgerät für Compact-PCI Serial entstanden.

Definierte Eingangs-spannungen: 12 V und 5 VDas neu entwickelte und bei mehreren

Netzteil-Herstellern erhältlicheNetzgerät fürCompactPCI Serial hat entsprechend derFestlegung in der PICMG-Spezifikation also12ValsHauptspannungund5Vals Standby-Spannung. Die meisten Prozessoren undKomponenten arbeiten heute mit diversenKleinstspannungenvonunter 3V, daherwer-den auf den Boards DC/DC-Wandler (Point-of-Load) integriert, die die 12V entsprechendumwandeln. Dadurch muss das Netzgerätnur eine Spannung generieren.Der Vorteil dieses höheren Spannungs-

werts ist auch, dass geringere Strömeauftre-ten. Auchwenndie SpannungdesNetzgerä-tes Spannungsschwankungen aufweist,könnendie Point-of-Loads aus einemgroßen

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Eingangsspannungsbereich die exakte Aus-gangsspannung erzeugen. Über die 5V-Standby-Spannung können Schaltkreise imSystem bei ausgeschaltetem Gerät wachge-haltenwerdenund soüberWake-on-LANdasNetzteil und das System einschalten.Der vonCompactPCI bekannte Formfaktor

(19", 3 HE und 8 TE) wurde beibehalten. Miteiner Leistung von 300Wdeckt dieses Netz-gerät ca. 98 % aller CompactPCI-Serial-An-wendungen ab. Bei gleichem Formfaktorkönnte auch ein Netzgerät mit noch mehrLeistung (z.B. 600W) realisiert werden,wasfür viele Anwendungen jedoch überdimen-sioniert wäre. Das jetzt verfügbare AC-Netz-gerätmitWeitbereichseingangundNetzein-gang vonhinten soll vielmehr dieBasis einerNetzgerätefamilie sein. Weitere Geräte mitanderen Anforderungen oder für spezielleEinsatzbereiche können auf dieser Basis re-alisiert werden.Das Netzgerät entspricht IEC/EN 60950-1

Second Edition, UL 60950-1 und EN55011/55022, Class B, ist steckbar, redun-danzfähig und gewährleistet bei Bedarf ei-nen schnellen und reibungslosen Wechselim laufenden Betrieb. Bis zu vier Netzteilekönnenparallel betriebenwerden. Per Load-SharingwirdderGesamtstromzwischendenparallel geschalteten Netzgeräten verteilt.Viele Funktionen wie Fehleranzeigen oder

die Überprüfung der Spannungen am Aus-gang (Sense) usw. wurden von CompactPCIübernommen. Neben den für CompactPCIüblichenSignalenFALoderDEG ist ebenfallseinPMBus-Controller alsOption vorgesehen,um das Netzteil in ein Systemmanagementzu integrieren.

Speziell entwickeltePower-BackplaneFür dieses neueNetzgerätwurde auch eine

spezielle Power-Backplane entwickelt, in diedas Netzteil gesteckt wird. Die Power-Back-plane hat entsprechende Schnittstellen zurCompactPCI Serial Signal-Backplane.Durchdieses modulare Konzept mit getrenntenBackplanes kannder Kunde seinNetzteil imSystem sowohl rechts als auch links anord-nen.Die zwischender Power-Backplaneundder Signal-Backplane notwendige Verkabe-lung wird dabei auf ein Minimum reduziert.Die 12V-Hauptspannung wird z.B. über

eine Adapterplatine, die als Stromschienedient, auf die Signal-Backplane gebracht.Nur die 5V-Standby-Spannungwirdübermit-gelieferte Kabelsätzemit der Signal-Backpla-ne verbunden.Dadie 5V-Standby-Spannungabernur inwenigenApplikationengebrauchtwird, ist meist außer der einfach zumontie-renden Adapterplatine keine VerkabelungzwischendenbeidenBackplanesnotwendig.

PrAxISWErT

EnergieeffizienzübererfülltDas neue Schroff CompactpCI-Serial-Netzgerät übererfüllt die „80 plUSSilber“-Norm und hat, bei einer lastvon 20% einen Wirkungsgrad von88%, bei 50% last einen Wirkungs-grad von 91% und bei 100% last ei-nen Wirkungsgrad von 88%.

Bild 1: Pinout-Belegung – genügend freie Signalpins für zusätzliche FunktionenBei größerenStückzahlen für bestimmtePro-jekte kann natürlich auch eine monolithi-sche Backplane gefertigt werden.

Neuer Steckverbinder mitgetrennten AnschlüssenDas Netzgerät definiert auch einen neuen

Stecker, der getrennte AC- und DC-Eingang-spins aufweist, umFalschstecken zu verhin-dern. Der Stecker aus der FCI-PwrBlade-Se-rie, der auch von anderen Herstellern amMarkt angebotenwird, realisiert denAC- undDC-Eingang über Kontakte, die von hintenper Kabel aufgeclipst werden können. Da-durchmüssen die hohen AC- bzw. DC-Span-nungen nicht über die Backplane geführtwerden, sondern werden direkt über dieseEinsteckkontakte in denStecker geleitet. Da-mit entfällt die aufwändige beidseitige Iso-lierung der Backplane und die Abdeckungfreiliegender AC- oder DC-Pins. Der Steckerist so ausgelegt, dass er die gewünschte Leis-tung übertragen kann und noch genügendSignalpins für zusätzliche Funktionen freisind, z.B. für eineKommunikationüber eineserielle Schnittstelle zu einer USV.Die Energieeffizienz war bei der Entwick-

lung des Netzgerätes sehr wichtig. Es orien-tiert sich an der sogenannten „80 PLUS“-Zertifizierung.Diese besagt, dass dasNetzteilbei einer Last von 20, 50 und 100% jeweilseinen Wirkungsgrad von mindestens 80%erreicht. Außerdem muss der Leistungsfak-tor bei 50% Last mindestens 0,9 betragen.Für die höheren Zertifizierungen „80 PLUSBronze“, „80 PLUS Silver“, „80 PLUS Gold“,„80PLUSPlatinum“und„80PLUSTitanium“sind die Anforderungen an den Wirkungs-grad jeweils stufenweise erhöht. // HH

Schroff+49(0)7082 7940Tabelle 1: Power Backplane Pinouts

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Migration mitCompactPCI PlusIO

Die CompactPCI-Spezifikation PICMG 2.0 gestattet es, neben dem par-allelen PCI-Bus auch User-I/O-Signale auf die Backplane zu führen.

Diese User-I/O-Pins werden nun vonden Herstellern genutzt, eben diesePeripheriesignale – also die moder-

nen seriellen Interconnects – auf die Buspla-tine zu leiten. Leider ist aber die Anschluss-belegung bislang nicht standardisiert, sodass die Kompatibilität der Baugruppen un-tereinander verloren geht. Oft sind selbst dieBoards einesHerstellers nicht untereinanderaustauschbar.Hinzukommt, dass der 2-mm-Stecker ursprünglich nicht dafür entwickeltworden ist, differenzielle Signale mit Ge-schwindigkeiten von bis zu 5 GBit/s zu über-tragen.

Genormte Schnittstellen beiCompactPCI PlusIOEine Erweiterung des CompactPCI-Stan-

dards, PICMG 2.30 CompactPCI PlusIO,schafft hier Abhilfe. Diese Ergänzung desStandards definiert die Pinbelegungdes Ste-ckers J2 und führt gleichzeitig einen neuen,dabei 100% kompatiblen Stecker ein, derauch zurÜbertragunghoher Frequenzenge-eignet ist. Dabei sind kaum zusätzlicheGround-Signale erforderlich,weshalb relativ

viele Schnittstellen auf die Backplane ge-führt werden können:� 4 x PCI Express (jeweils eine Lane)� 2 x Ethernet 1000BASE-T� 4 x USB 2.0� 4 x SATA/SASDer parallele PCI-Bus bleibt unangetastet,

ist aber auf eine Datenbusbreite von 32 Bitbegrenzt. PICMG 2.30 kann sowohl für Ein-fach- als auch für Doppel-Europakarten ge-nutzt werden. Eine Karte, die CompactPCIPlusIO unterstützt, bleibt 100% kompatibelzumderzeitigenStandard.Mankann sie alsoauch ohne Einschränkungen in existieren-den Systemen verwenden.

Hybridsysteme als Brückezwischen den StandardsEine CPU-Baugruppe, die PICMG 2.30 un-

terstützt, kannauchals System-Slot in einemHybridsystemgenutztwerden. Solch einHy-bridsystemkannnebenLegacy-CompactPCI-Steckplätzen auchCompactPCI-Express- undCompactPCI-Serial-Steckplätze bieten.So kann beispielsweise ein kleines Com-

pactPCI-System aus einem CompactPCI-

System-Slot (der CPU-Baugruppe), zweiCompactPCI-Peripherie-Slots für Ein-/Aus-gabe und Feldbus und zwei CompactPCI-Serial-Peripherie-Slots für Festplatten alsRAID mit Hot-Plug-Support bestehen. Mehrzum Thema Hybridsysteme finden Sie imKapitel Hybridsysteme.PCI ExpressCompactPCI PlusIO ermöglicht es, insge-

samt vier PCI-Express-Schnittstellen auf dieBackplane zu führen. Die „Ultra-Hard-Metric“-Stecker auf der Einsteckkarte erlau-ben dabei Datenraten von bis zu 5 GBit/s,wobei auf der Backplane herkömmliche2-mm-Stecker benutzt werden können.Diese vier Schnittstellen können vier auf

PCI Express basierendePeripherie-Baugrup-pen ansteuern. Jedes Interface ist dabei miteinem differentiellen Empfangs- und einemdifferentiellen Sendepaar ausgerüstet – einersogenanntenLane, die jeweils einenx1-Linkbildet. Die vier PCI-Express-Leitungen kön-nenbeispielsweise eineAnbindung zuCom-pactPCI Express oder zu CompactPCI Serialschaffen.Jede Schnittstelle erreicht dabei Datenra-

ten von 250MB/s bei PCIe v1.x bzw. 500MB/sbei PCIe v2.x je Richtung. Für bestimmteAn-wendungen, beispielsweise in der Bildverar-beitung, reichen diese Datenraten aber im-mer noch nicht aus. Deshalb erlaubt derPICMG-Standard CompactPCI PlusIO, dievier PCI-Express-Links zu „clustern“.Auf dieseWeise könnendie für PICMG2.30

definierten vier Linksmit je einer Lane auchals zwei Linksmit je zwei Lanes (x2) oder alsein Linkmit vier Lanes (x4) konfiguriertwer-den. Im letztgenannten Fall kannman danntheoretische Datenraten von 1000 MB/s beiPCIe v1.x bzw. 2000MB/s bei PCIe v2.x errei-chen, aber eben nur mit einem angeschlos-senen Gerät.Die Konfiguration liest die PlusIO-CPU-

Karte anhandvonvier Steuer-Leitungen ein,die auchbenutztwerden, umden jeweiligen100-MHz-Takt zu aktivieren, der einem PCI-Express-Interface zugeordnet ist. Es sindalso keine zusätzlichen Leitungen erforder-lich.

CompactPCI PlusIO: Rückwandstecker J2bei CompactPCI


EthernetCompactPCI PlusIO definiert insgesamt

zwei Ethernet-Schnittstellen anderBackpla-ne.Wie bei PICMG2.16 basiert Ethernet hier-bei auf den IEEE-802-Standards für Kupfer-kabel.Warum BASE-T?Bewusst hat sich dieArbeitsgruppe gegen

spezielle Standards für Backplanes entschie-den wie diese noch bei AdvancedTCA oderMicroTCA benutzt wurden. Diese speziellenStandards – 1000BASE-BX (1 GBit/s) und10GBASE-BX4 (10 GBit/s) – verwenden zweibzw. acht differenzielle Paare zur Übertra-gung und benötigen hierfür spezielle PHYs.Der PHY ist die physikalische Schnittstelle,also der Interface-Baustein zwischen demeigentlichen Ethernet-Controller und demÜbertragungsmedium.In der Regel sind Ethernet-Verbindungen

beiAdvancedTCAoderMicroTCA redundantausgeführt. CompactPCI PlusIO hingegenbenutzt die gebräuchlichen „BASE-T“-Stan-dards, also 10/100/1000BASE-T und 10GBA-SE-T. Diese basieren auf vier differenziellenVerbindungspaaren.Neben induktiver Kopp-lung ist auch die einfache kapazitive Kopp-lungmöglich.

Die Standards sind ohne Software-Auf-wanduntereinander interoperabel (Autone-gotiation). Ab 1000BASE-T ist in der Regelbereits Fehlertoleranz innerhalb einer Ver-bindung gegeben. So bauen beispielsweise

Bild 1: Feste Pinbelegung amStecker J2 mit CompactPCIPlusIO

moderne 1000BASE-T-PHYs bei einer Stö-rung eines Adernpaars zumindest eine100BASE-T-Verbindung auf. Die Diagnose-Fähigkeit vonBASE-T-PHYs lässt kaumWün-sche offen.

http://members.picmg.org/kshowcase/view/catalog_search


CompactPCI SerialSowohl CompactpCI plusIo als auchCompactpCI Serial bauen auf Com-pactpCI auf, dem etablierten Stan-dard zum günstigen aufbau von in-dustriellen Computern. anwenderschätzen die modularität, robustheitund Wirtschaftlichkeit von Compactp-CI. mit den neuen Standards bekom-men sie all diese Vorteile plus dieschnelle serielle Datenübertragungdazu – migrationspfad inklusive.

BASE-T-Standards sind die zukunftssi-cherstenEthernet-Standards. Basierendhie-rauf sind Millionen von Nodes in aller Weltinstalliert. Erste Forschungen laufen bereitsan einer Erweiterung auf 100GBASE-T – im-mer noch kompatibel zu existierenden Ins-tallationen. Die hoheVerbreitungder BASE-T-Standards hat noch weitere Folgen: DiePHYswerden in sehr hoher Stückzahl produ-ziert, sind damit preisgünstig und oft auchschon im Ethernet-Controller selbst integ-riert. Die Verlustleistung der PHYs ist mitt-lerweile beeindruckend niedrig (Stichwort„GreenComputing“) unddie Zuverlässigkeitdaher entsprechend hoch.

Möglichkeiten durch Ethernetauf der BackplaneSo gestattet CompactPCI PlusIO den Auf-

bau von 3-HE- und6-HE-Mehrrechner-Syste-menbasierendauf Ethernet auf der Backpla-ne. Da die BASE-T-Standards auch Leitungs-längen von bis zu 100 Metern zulassen,können auch Rechner miteinander verbun-denwerden, die lose gekoppelt sind.Mittelspreisgünstiger Standard-Ethernet-SwitcheskönnenaußerdemkomplexeNetzwerke rea-lisiert werden.

Bild 2: CompactPCI-PlusIO-CPU-Karte mit neuem J2-Stecker (rechts einzeln abgebildet)

Bild 4: PCI-Express-Anbindung beiCompactPCI PlusIO:4 x1-Links, 2 x2-Linksoder 1 x4-Link

Bild 3: Hybrid-Backplane mit CompactPCI PlusIO undHybrid-Backplane mit CompactPCI PlusIO undCompactPCI Serial (vereinfacht)CompactPCI Serial (vereinfacht)

http://www.men.de/getdownload.asp?p=jp_3zx_mpjq26jp_o5yqz6m6u_zj_4q84uq37j&c=1&f=cpci_feature_matrix.pdf


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Elektrische Spezifikation beiCompactPCI Serial

CompactPCI PlusIO ist ein Standard für CompactPCI-System-Slots, alsoCPU-Karten. Er ist kein Backplane-Standard. Es sind also keine Regeln

für Backplanes aufgestellt.

Der CompactPCI-PlusIO-Standard be-schränkt sich also auf die notwendi-gen Definitionen für das CPU-Board

und wie die seriellen Schnittstellen an dieBackplane geführt sind.Benutzt man CompactPCI PlusIO, um die

Signale per Rear-I/O-Adapter abzugreifen, soist dies ausreichend. Baut man eine Hybrid-Backplane, beispielsweise auf Basis vonCompactPCI Express auf, um preiswert Kar-ten von National Instruments ansteuern zukönnen, liegt es in der Verantwortung desBackplane-Herstellers, die verschiedenenStandards zusammenzubringen und Inter-operabilität zu gewährleisten.

Elektrische Toleranzengerecht aufteilenBeimAufstellenderRegeln für das System-

Slot-Board im CompactPCI-Serial-Standardhatmandabei denAnsatz berücksichtigt, dieelektrischen Toleranzen, die ein Interface-Standard (beispielsweise PCI Express) ge-stattet, „fair“ zwischender CPU-Karte, einermöglichen Backplane und einer Peripherie-Karte aufzuteilen. Fair bedeutet, dass die

angegebenen Werte jeweils gedrittelt wur-den.Um die Implementierung einfach zu ma-

chen, um damit Fehler zu vermeiden undmaximale Interoperabilität zu erreichen,wurdendie elektrischenSpezifikationendereinzelnen Standards in klare Richtlinien fürdenLeiterplattenentwurf (Layout-Rules) um-gesetzt. Diese Regeln sind je nach Schnitt-stelle (PCI Express, SATA, USB, Ethernet)unterschiedlich ausgelegt. Für PCI Expressergeben sich beispielsweise die folgendenRegeln:�Differenzielle Impedanz 100 Ohm� Abstand zwischen differenziellen Sig-nalen und anderen Signalen mindestens0,4 mm� Abstand zwischen differenziellen Paarenmindestens 0,2 mm� Leitungslängenunterschied innerhalbeines Paares auf der System-Slot-Karte ma-ximal 0,1 mm� Leiterbahn-Länge auf der System-Slot-Karte maximal 125 mm, maximal zweiDurchkontaktierungen pro Leitung auf derSystem-Slot-Karte

Diese klaren Implementierungsvorschrif-ten gewährleisten, dass diemodernenHigh-Speed-Interconnects auch wirklich zu ge-brauchen sindundBaugruppenverschiede-ner Hersteller auch unter allen Umständenzusammen funktionieren.

Soviel Flexibilitätwie möglich einräumenInteroperabilitätCompactPCI PlusIO unterstützt je viermal

PCI Express, SATA und USB 2.0 sowie zweiEthernet-Anschlüsse auf der Backplane. Diehierfür benutzten I/O-Pins sind im Basis-Standard PICMG 2.0 für die User-I/O von32-Bit-Systemen freigehalten. PICMG 2.30kann sowohl für 3-HE- als auch für 6-HE-Systeme angewendet werden, wenn keine64-Bit-PCI-Bus-Implementierung erforder-lich ist.Die Signaldefinitionhat die größtmögliche

Interoperabilität zwischen Baugruppen ver-schiedenerHersteller zumZiel. Zugleich ver-sucht der Standard, so viel Flexibilität wiemöglich einzuräumen.Nicht alle CPU-Baugruppen werden alle

neuenSchnittstellennutzen–auchausKos-tengründen. Eine typische Intel-Atom-Platt-formunterstütztmöglicherweise nur einmalEthernet und einmal PCIe. ObmanSATAver-wenden kann, hängt von der Implementie-rung ab. Vier USB-Schnittstellen sind beiBedarf möglich.

Definierte Reihenfolgeder SchnittstellenUm hier maximale Interoperabilität zwi-

schen CPU-Boards mehrerer Hersteller zugewährleisten, schreibt CompactPCI PlusIOklar vor, in welcher Reihenfolge die Schnitt-stellen „aufzufüllen“ sind. Dies gewährleis-tet, dass beispielsweise nicht der einzigePCIe-Kanal des einen Herstellers mit einerunterschiedlichen Belegung eines anderenHerstellers kollidiert.Die vorgeschriebeneReihenfolge für Ether-

net und USB ist aufsteigend: 1, 2 bzw. 1, 2, 3,4; für SATA ist sie absteigend: 4, 3, 2, 1; für

Maximale Implementierung der seriellen Schnittstellen: bei CompactPCI PlusIO für vier CompactPCI-Serial-Peripheriekarten

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PCI Express alterniert die Reihenfolge wiefolgt: 1, 3, 2, 4.Mit Ausnahme von SATA werden die

Schnittstellen also inkrementierend aufge-füllt – warum nicht bei SATA?EinCompactPCI-System, dasCompactPCI

PlusIOnutzt, kannauf derHybrid-Backplanemit bis zu vier der neuen seriellen Compact-PCI-Serial-Steckplätze bestückt sein. Diesevier Slots sollen auch dann maximal beleg-bar sein, wenn nicht alle Schnittstellen voneiner CPU-Baugruppe unterstützt werdenkönnen.Bei vier Steckplätzenwäre es ungeschickt,

wenn alle Schnittstellen auf den ersten Slotgeführt sind, auf den letzten Slot aber keineeinzige. PCI Express undUSB sindgleichlau-fend implementiert, um beispielsweise denEinsatz vonPCI ExpressMini Cards zu ermög-lichen. EinenSteckplatzwirdmanhäufig füreine Festplatte oder SSD benötigen. Da hiernur eine Schnittstelle pro Slot erforderlichist, wird absteigend aufgefüllt.

Implementierungin der PraxisEin System basierend auf einem Intel-

Atom-SBC könnte so aussehen: Ethernet aufder Backplane dient der Ansteuerung einesweiteren Rechners, im ersten Peripherie-Steckplatz steckt eine über PCI Express an-gesprochene Video-Input-Karte, im zweiten

Steckplatz befindet sich eineUSB-basierendeRS485-Erweiterung, Slot 3 trägt eine Wi-Fi-Schnittstelle – ebenfalls USB – und in Slot 4ist eine SATA-Festplatte untergebracht.Die Implementierungsregeln haben also

zwei Vorteile:�maximale Kompatibilität zwischen denKarten verschiedener Hersteller� optimale Nutzung der Ressourcen.Der Standard gestattet es, Pins bei Bedarf

auch anderweitig zu belegen. Sollten also

nicht die vorgegebenen vier PCI-Express-,vier SATA-, vier USB- und zwei Ethernet-In-terfaces benötigt werden, kann man auchandere Signale auf dieBackplane führenundbleibt dennoch kompatibel zum Standard.Dabei sind aber zwei Punkte zu beachten:�Die Implementierungsreihenfolge derSchnittstellen muss eingehalten werden.Man darf also nicht einfach irgendeine PCI-Express-Schnittstelle anderweitig belegen,sondern muss mit Kanal 4 beginnen undarbeitet sich schließlich von hinten nachvorn. Bei SATA ist die Implementierungsrei-henfolge umgekehrt – hier beginnt manmitder Neubelegung mit dem ersten Pin.� Laut Spezifikation angeschlosseneSchnittstellen dürfen nicht durch User-I/O-Signale zerstört werden. So lässt der Stan-dard beispielsweise nicht zu, die Pins mit+12 V anstatt einer SATA-Schnittstelle zubelegen, da dies ein angeschlossenes Fest-platten-Laufwerk zerstören könnte.

Implementierungsreihenfolgeder Schnittstellen einhaltenEinBeispiel: UnterVerzicht von einemPCI-

Express-Interface und einemEthernet-Inter-face soll Grafik per LVDS auf die Backplanegelegtwerden.Die Implementierungsregelnbesagen, dassman in diesem Fall auf Ether-net 2 undPCI Express 4 verzichtenmuss. DieAusgangs-Signale der LVDS-Schnittstellesinddifferenziell,mit relativ geringemPegel.Ein angeschlossenes Ethernet-Gerät kann

durch diese Signale nicht zerstört werden.Bei PCI-Express ist es besser, nicht gegen einangeschlossenesGerät zu treiben.Also emp-fiehlt es sich, die PCI-Express-Eingangspinsnicht zunutzen. EinemöglichePinbelegungzeigt die Darstellung in Bild 2.

Bild 1: Teilweise Implementierung der seriellen Schnittstellen bei CompactPCI PlusIO

Bild 2:Mögliche Pinbelegung kompatibel mit CompactPCI PlusIO mit LVDS am Stecker J2

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Hybridsysteme mitCompactPCI PlusIO

Beim Thema Hybridsysteme denkt man zuerst an CompactPCI PlusIO(PICMG 2.30). Hier unterstützt die System-Slot-CPU den parallelenCompactPCI-Standard (PICMG 2.0) als auch den neuen CompactPCI-

Serial-Standard (PICMG CPCI-S.0).

Hybrid-Backplanes verschiedenerHer-steller erlaubendieKonfigurationmitPeripherie-Steckkarten links und

rechts der System-Slot-Karte. Dies können– ohne Bridge – bis zu sieben parallele undmaximal vier serielle Karten sein.

Die wichtige Rolle vonCompactPCI PlusIOAuf diese Weise wird eine kostengünstige

Migration ermöglicht, denn die Nutzung zu-kunftsorientierter und standardisierter Da-tenübertragung auf Basis von CompactPCISerial ist auch unter Verwendung bereits in-tegrierter CompactPCI-Komponenten ge-währleistet.Es ist eine einfacheTatsache, die Compact-

PCI PlusIO so wichtig macht: Durch seinengroßen Erfolg hat CompactPCI eine breiteNutzerbasis, und diese Struktur zu Gunsteneines völlig neuenSystems aufzugebennutzt

keinem – ob Hersteller, Entwickler oderEndanwender.Die Norm CompactPCI PlusIO ergänzt die

serielleHigh-Speed-Kommunikation, behältaber zugleichdieAnbindungandenPCI-Busund bewahrt diemechanischen Eigenschaf-ten des bisherigen CompactPCI-Standards.Das Ergebnis ist ein praxisorientierter Mig-rationspfad für Anwender, die die zusätzli-chenFähigkeitenbenötigen, aber diejenigenAspekte ihrer Anwendungen weiterführenwollen, bei denen die Leistung der bisheri-gen CompactPCI-Hardware-Komponentenimmer noch ausreicht.

CompactPCI: Ein evolutions-fähiger StandardDerWegder Entwicklung vonCompactPCI

bestätigt, dass die Norm in der Lage ist, sichständig weiterzuentwickeln, ohne die Me-chanik zu verändern. Dank dieser Eigen-

schaft konnten aktualisierteVersionenkom-patibel mit älteren Systemen bleiben. Siestellt auch sicher, dass die breite Basis derinstallierten CompactPCI-Systeme in denvielen Branchen, die CompactPCI anwen-den, einsatzfähig, relevant und wirtschaft-lich bleibt. Das Gleiche gilt für die Bereiche,die jetzt vonden schnellen seriellen Schnitt-stellen profitieren können.Die Bereiche mit der größten Weiterent-

wicklung sind hauptsächlich jene, in denenes auf die Leistung und die Anwendungs-freundlichkeit des Systems ankommt, wieetwa in Multiprocessing-Netzwerken, aberauch auf erhöhte Zuverlässigkeit und Hot-Swap-Funktionalität.CompactPCI ist ein Industriestandard, der

nicht so leicht dem Schicksal des "alles hateinmal ein Ende" zumOpfer fällt, das in derComputertechnologie immer wieder greift.Die Verabschiedung von PICMG 2.30 und

Hybridsystem mit CPU in CompactPCI PlusIO: Peripheriekarten in CompactPCI und CompactPCI Serial – schematische Darstellung

ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium CompactPCI Serial November 2013 41


PICMG CPCI-S.0 (CompactPCI Serial) hatwohl bereits dieMöglichkeit derObsoleszenzvon CompactPCI um weitere 15 Jahre oderlänger verschoben.

Hybridmöglichkeitenmit CompactPCI PlusIOEinHybridsystemmit CompactPCI PlusIO

bietet die perfekteVerbindung zwischenpa-rallelen und seriellen Architekturen und ei-nen schrittweisen Übergang von alt zu neu.Mit dieser Lösung hat man die Möglichkeit,

existierendeCompactPCI-I/O-Kartenmit se-riellen I/O-Anschlüssen zu vereinen. Dashilft, denWert der InvestitiondesAnwendersin aktuelle CompactPCI-Hardware zu maxi-mieren. Zugleich hatmandie nötige Flexibi-lität, umgestiegenenFunktionsansprüchengerecht zu werden.Man muss ein existierendes System nicht

komplett ersetzenoder bewährteKomponen-ten wegwerfen, um es auf den aktuellstenTechnologiestandard zubringen.Die Imple-mentierung einesHybridsystems ist verblüf-

Bild 1: Hybridsystem mit CPU in CompactPCI PlusIO – Backplane-Beispiel

Bild 2: Schnittstellenkarten für CompactPCI und CompactPCI Serial verbinden beide Systeme




fend einfachundwirtschaftlich–wegenderKompatibilität mit dem Großteil der existie-renden Hardware.In der einfachsten Anwendung kannman

durchdenEinbau einesneuenCompactPCI-PlusIO-Rechners in einen bestehenden Sys-tem-Slot bis zu sieben parallele I/O-Kartenund vier serielle I/O-Karten (CompactPCISerial) in das gleiche System integrieren.Ganz gleichwie das System amEnde kon-

figuriert ist: CompactPCI PlusIO hält sich andiemechanischenAnforderungendes beste-hendenCompactPCI-Standards– einschließ-lichder gleichenAbmessungenderBaugrup-penundBusplatinen, der gleichenFrontplat-ten und gleichen Hot-Plug-Mechanik. Kos-tenfreundlich wirkt sich zudem aus, dassCompactPCI PlusIO keine Switch-Karten imSystembenötigt, undderHigh-Speed-Steck-verbinder nicht teuer ist.

Direkte Verbindung zwischencPCI und CompactPCI SerialWas aber, wenn keine der Standard-Hyb-

rid-Backplanes für die neue Anwendungoptimal passt und/oder mehr als vier seriel-le Peripheriekartenbenötigtwerdenunddie(anfänglichen) Stückzahlen auch zu geringsind, um an eine kundenspezifische Back-plane-Entwicklung zu denken?

In diesem Fall gilt es, die beiden Welten– CompactPCI Serial und CompactPCI – an-ders zu verbinden. Hierfür wird ein Karten-paar verwendet. EineKarte bildet die Schnitt-stelle vonCompactPCI Serial zuCompactPCIund steckt in einemPeripherie-Slot der Com-pactPCI-Serial-Backplane. Die zweiteSchnittstellenkarte ersetzt die System-Slot-CPU auf der CompactPCI-Backplane und istmittels Kabel an der Frontplatte mit der ers-ten Schnittstellenkarte imCompactPCI-Seri-al-System verbunden.Die neue System-Slot-Karte imCompactP-

CI-System ist mit einer PCI-Express-nach-PCI-Bridge ausgestattet, dieKommunikationüber das Kabel basiert auf einem PCI-Ex-press- x1-Link. Da beide Standards zur19"-Mechanik kompatibel sind, kanndie Lö-sung in einem Rack untergebracht sein. An-dererseits erlaubt PCI Express Leitungslän-gen bis 7 m, so dass alternativ auch zweiGehäuse lose gekoppelt werden können.Lohnt sich für größere Stückzahlen die

Entwicklung einer kundenspezifischenBackplane, kann die auf PCI Express basie-rendeVerbindungvonCompactPCI SerialmitCompactPCI über Rückwand-I/O erfolgen. IndiesemFall benötigtmannurnochdie zwei-te Schnittstellenkarte, die imSystem-Slot derCompactPCI-Seite steckt.

Bild 3: Direkte Verbindung zwischen CompactPCI und CompactPCI Serial und getrennten Backplanes

http://www.schroff.de/compactpci_pentair_technology

http://www.men.de/videos/deutsche-bahn,de.html

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Ausblick: Es gibt gute Gründe, diefür CompactPCI Serial sprechen

Sowohl als alleinstehende Architektur als auch als Erweiterungexistierender Technologien bietet CompactPCI Serial beste

Voraussetzungen für eine effiziente Umsetzung Ihrer Anforderungen.Ein ganzes Netzwerk an Lieferanten mit den unterschiedlichsten

Produkten unterstützt Sie dabei.

CompactPCI Serial baut auf CompactPCIauf, einem etablierten Standard zumkostengünstigenAufbau von industri-

ellen, zuverlässigen Computern. Anwenderschätzen heute die Modularität, RobustheitundWirtschaftlichkeit von CompactPCI.

Plattform für modulareComputer der nächsten DekadeMit CompactPCI Serial bekommenAnwen-

der all diese Vorteile sowie die bewährte,preiswerte, robusteMechanik zusammenmitdenmodernsten seriellen Interconnectswiebeispielsweise PCI Express 2.0, SATA3.0,USB3.0undEthernet 10GbaseT–Migrationspfadinklusive. Das alles macht die CompactPCI-Serial-Technologie zu der Plattform für mo-dulare Computer der nächsten Dekade. Es

gibt also gute Gründe, die für CompactPCISerial sprechen:� es ist die logische Erweiterung basierendauf der existierenden CompactPCI-Techno-logie,� eine Vielzahl von Lieferanten habenCompactPCI Serial bereits in ihr Angebots-spektrum aufgenommen,�Dank des höheren Datendurchsatzes undder schnellen seriellen Verbindungen bie-tet CompactPCI Serial zusätzliche Anwen-dungsmöglichkeiten.Soweit die nüchternenArgumente. Es geht

bei CompactPCI Serial jedoch tatsächlichummehr als um die Vermarktung einer neuenTechnologie, denn dahinter steckt die ein-drucksvolle Erfolgsgeschichte eines Indust-riestandards: CompactPCI.CompactPCI hat sich bereits seit über

15 Jahren in der Praxis bewährt. Die 19"-Sys-temtechnologiemit ihrer typischen Bauwei-se und Schnittstellenbelegung ist im indus-triellen Markt weitestgehend bekannt. Auf-bau und Struktur der Baugruppen sowiefront- und rückseitige Ein- und Ausgabeop-tionen finden breite Akzeptanz bei den An-wendern.

Breite Unterstützungder LieferantenDeshalb knüpft CompactPCI Serial so kon-

sequent an den parallelen Vorgänger an. Eshat denhohenAnspruch,modulare Systemeeinfach, robust, flexibel undpreisgünstig zugestalten–unddas bei vollständigermecha-nischer Kompatibilität zu CompactPCI 2.0.Industrierechner orientieren sich nicht anModen, sondern an harten Fakten, Datenund Anforderungen.Eine Technologie, die den Aufbau von

Embedded-Rechnersystemen vereinfacht,die dem Integrator erlaubt, sich einerseitsauf seine technischen Anforderungen zukonzentrierenund ihmandererseits zugleich

Kontinuität und Zukunftssicherheit gibt,trifft im industriellen Umfeld den Nagel aufden Kopf.Um eine neue Technologie am Markt

durchzusetzen brauchen die potentiellenAnwender aber auch Wahlmöglichkeiten –sowohl bei der Auswahl eines geeignetenLieferanten als auch durch eine breite Pro-duktpalette. Die Unterstützung von Com-pactPCI Serial durch eineVielzahl vonLiefe-ranten sorgt auf der einen Seite für einenhohen Innovationsgrad und ein breites Pro-duktspektrum. Auf der anderen Seite wirdPreiskonkurrenz geschaffen.So erhält der Anwender die Möglichkeit

zwischen unterschiedlichen Produkten undder technischen Unterstützung der jeweili-gen Lieferanten zu wählen. Durch diesesNetzwerk ist es möglich, Produkte verschie-dener Hersteller für den Aufbau eines Sys-tems oder einer speziellen Anwendung zukombinieren.

ErweiterteAnwendungsbereicheDurchdie Einbettung serieller Schnittstel-

len in einemSystemeröffnen sich auchneueAnwendungsmöglichkeiten, diemit der klas-sischen parallelen CompactPCI-Architekturnicht mehr bedient werden könnten.CompactPCI Serial unterstützt die serielle

Kommunikation, eine hohe Datenübertra-gungundanspruchsvolleGrafikleistungundkann sogar zusammen mit dem parallelenCompactPCI in Hybrid-Systemen betriebenwerden.Dasheißt, bestehendeSystemeundAnwendungen müssen nicht komplett er-setzt werden, sondern können durch dieneueTechnologiemit höheremDatendurch-satz erweitert werden. Was als Konzept fürden Telekommunikationsbereich im Jahr1994/95 mit CompactPCI begann, erstrecktsich in Zukunft mit CompactPCI Serial überalle Industriebereiche. // HH

PRAxISWERT

Alles fügt sichzusammenCompactpCI Serial ist kein „Schnell-schuss“. In Detailarbeit haben meh-rere Hersteller gemeinsam eine zu-kunftsfähige technologie geschaffenund zollen dabei demVorgänger Com-pactpCI höchsten tribut. Das Konzeptorientiert sich nicht an den nächstendrei oder fünf Jahren, sondern bereitsan einem minimum von zehn Jahren.Nach den ersten Jahren der einfüh-rung geben sowohl die produkte alsauch die ersten projekte in der an-wendung einen ausblick darauf, dasssich diese technik durchsetzen kannund wird.

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abKürzungen

amC advanced mezzanine Card, auch: advancedmC

amt active management technology

aNSI american National Standards Institute

atCa advanced telecommunications Computing architecture, auch: advancedtCa

CCa Conduction-Cooled assembly

Ieee Institute of electrical and electronics engineers

IpmB Intelligent platform management Bus

IpmI Intelligent platform management Interface

microtCa micro telecommunications Computing architecture, auch: µtCa

NaS Network attached Storage

Nre Non-recurring engineering

pCI peripheral Component Interconnect

pCIe pCI express

pHY physical layer

pICmG pCI Industrial Computers manufacturers Group

raID redundant array of Independent Disks

Sata Serial advanced technology attachment, auch: Serial ata

SaS Serial attached SCSI

SBC Single-Board Computer

SGpIo Serial General purpose Input/output

SrIo Serial rapidIo

SSD Solid-State Drive

StD Bus „Simple to Design“ Bus

VIta Vmebus International trade association

Vmebus Versa module european Bus

VpX Versatile performance Switching

glossar

http://www.fci.com/en/products/backplane-connectors/airmax-vs-backplane/airmax-vs-connectors-for-compactpci-serial-systems.html

46 ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium CompactPCI Serial November 2013

RedaktionChefredakteur: Johann Wiesböck (jw), V.i.S.d.P. für die redaktionellen Inhalte,Ressorts: Zukunftstechnologien, Kongresse, Kooperationen, Tel. (09 31) 4 18-30 81Chef vom dienst: Peter Koller (pk), Tel. (09 31) 4 18-30 98Verantwortlich für dieses Sonderheft: Holger Heller (hh), Tel. -30 83Redaktion München: Tel. (09 31) 4 18-David Franz (df), Beruf, Karriere & Management, Tel. - 30 97Franz Graser (fg), Prozessor- und Softwarearchitekturen, Embedded Plattformen, Tel. -30 96;Martina Hafner (mh), Produktmanagerin Online, Tel. -30 82;Hendrik Härter (heh), Messtechnik, Testen, EMV, Medizintechnik, Laborarbeitsplätze, Displays,Optoelektronik, Embedded Software Engineering, Tel. -30 92;Holger Heller (hh), ASIC, Entwicklungs-Tools, Embedded Computing, Mikrocontroller,Prozessoren, Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 83;Gerd Kucera (ku), Automatisierung, Bildverarbeitung, Industrial Wireless, EDA,Leistungselektronik, Tel. -30 84;Thomas Kuther (tk), Kfz-Elektronik, E-Mobility, Stromversorgungen, Quarze & Oszillatoren,Passive Bauelemente, Tel. -30 85;Kristin Rinortner (kr), Analogtechnik, Mixed-Signal-ICs, Elektromechanik, Relais, Tel. -30 86;Margit Kuther (mk), Bauteilebeschaffung, Distribution, E-Mobility, Tel. (0 81 04) 6 29-7 00;

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