eng
Выпуск #7/2010
В.Слюсар, А.Троцько.
Внедрение PCI Express в CompactPCI — попытка № 2
Внедрение PCI Express в CompactPCI — попытка № 2
Просмотры: 3016
Технология CompactPCI была разработана
в 1995 году, как модификация PCI. Сегодня этот стандарт широко применяется в телекоммуникационных, промышленных, контрольно-измерительных, оборонных, аэрокосмических и медицинских приложениях. Несмотря на то, что стандарт существует много лет, создатели не забросили работу над его совершенствованием, важнейшим направлением которого является разработка гибридных спецификаций на основе собственно CompactPCI и PCI Express.
в 1995 году, как модификация PCI. Сегодня этот стандарт широко применяется в телекоммуникационных, промышленных, контрольно-измерительных, оборонных, аэрокосмических и медицинских приложениях. Несмотря на то, что стандарт существует много лет, создатели не забросили работу над его совершенствованием, важнейшим направлением которого является разработка гибридных спецификаций на основе собственно CompactPCI и PCI Express.
Эволюция гибридных спецификаций
(CompactPCI — PCI Express)
Первая гибридная спецификация — CompactPCI Express (PICMG EXP.0 R1.0) была принята в 2005 году. [1] Формально основное изменение по сравнению с CompactPCI состояло в том, что шина PCI была заменена на PCIe. Хотя форматы плат остались теми же, что и для CompactPCI: 3U и 6U, но разъемы P1 и P2 были заменены, также была заменена и объединительная панель. Вместо Р1 и Р2 были установлены четыре разъема трех новых типов: ADF (два), UPM и eHM. Три других разъема (Р3, Р4 и Р5) не изменидись для сохранения преемственности с ITU-T H.110 и PICMG 2.16 (Ethernet). [2]
Спецификация имела ряд серьезных ограничений, как, например, отсутствие поддержки интерфейсов SATA, USB и Ethernet, а также тыльных плат ввода-вывода. Использованные в спецификации высокочастотные ZD-разъемы фирм ERNI и Tyco Electronics были рассчитаны на частоту 3,125 ГГц. Однако, ее было явно недостаточно, для того, чтобы обеспечить передачу данных в устройствах, совместимых с CompactPCI Express.
В итоге спецификация CompactPCI Express не имела коммерческого успеха и не стала основой для создания большого числа встраиваемых систем. Стандарт постепенно перешел в разряд экзотики, используемой в ограниченном классе специализированных приложений.
Разработка альтернативного варианта — спецификации CompactTCA Express (PICMG CTCA.0, PICMG 2.50) [1], — до настоящего времени не завершена.
В ее предварительных версиях реализован ряд интересных технических решений, связанных с топологией кросс-плат, обеспечивающей соединение модулей по принципу “каждый с каждым”. [1] Другим важным преимуществом CompactTCA перед CompactPCI Express стало применение высоковольтной разводки однотипного питания с DC/DC-конвертированием на самих платах, что позволило снизить токовые нагрузки на питающие линии. Сравнительный анализ свойств CompactTCA и CompactPCI Express позволил высказать предположение о возможном «слиянии» этих спецификаций в единый стандарт [1].
Вторая попытка внедрения в спецификациию CompactPCI интерфейса PCI Express связана с разработкой стандарта CompactPCI Plus (PICMG CPCI-S.0) [3]. В спецификации был использован новый типа разъемов AirMax VS (рис.1) фирмы FCI Americas Technology (США) [3]. В стандарте для системного слота предусмотрено два типа розеточных разъемов (“мама”) и три типа штепсельных (“папа”). Штепсельные разъемы реализованы в нескольких конструктивных исполнениях (рис.1): шестирядный с четырьмя стенками, восьмирядный с двумя и тремя стенками. Все разъемы унифицированы по конструкции, что делает их производство более рентабельным и должно способствовать снижению их стоимости. Предполагается, что спецификация будет охватывать модули 3U и 6U форматов, однако пока проработана ее версия только для формата 3U. В конкретном конструктивном решении формата 3U может одновременнно применяться несколько вариантов разъемов, так например (рис. 2):
разъем P1: шестирядный, четырехстеночный;
разъемы P2 — P5: восьмирядные, двухстеночные;
разъем P6: восьмирядный, трехстеночный.
В сложных устройствах возможно также использование десятирядных двухстеночных разъемов с произвольной их расстанокой с целью, так называемого, механического кодирования посадочных гнезд, чтобы обеспечить монтаж модулей в строго заданные слоты (рис.3).
Максимальная скорость передачи данных через контактную пару AirMax VS составляет 12 Гбит/с. На сегодняшний день CPCI-S.0 — это единственная спецификация, рассчитанная на такую скорость. Системный слот в форм-факторе 3U поддерживает восемь интерфейсов PCI Express (семь каналов по четыре линии и один канал из 16 линий, предназначенный для решения графических задач и обеспечения широкой полосы пропускания), восемь интерфейсов SATA/SAS; восемь линий USB 2.0 (одна дифференциальная пара на порт) и восемь линий USB 3.0 (две дифференциальных пары на порт), а также восемь каналов Ethernet. (рис. 4) В CompactPCI Serial, как и в CompactTCA используется только один номинал питающего напряжения (12 В), что позволяет снизить максимально допустимую токовую нагрузку на одну контактную пару до 8 А. Для подачи питающего напряжения задействован разъем P1. Максимально допустимая рассеиваемая мощность на один слот составляет 60 Вт для формата 3U и 120 Вт — для плат в форм-факторе 6U. Оптимальное размещение разъемов на плате делает возможным использование кондуктивного отвода тепла от модуля в целом. Для периферийных слотов PCIMG CPCI-S.0 предусмотрена поддержка одного канала PCI Express (до шестнадцати линий), по одному интерфейсу SATA, USB 2.0, USB 3.0, до восьми Ethernet-линий (рис.5). При этом использование разъемов P1 является обязательным, а Р2 — Р6 — опциональным. В отношении периферийных устройств аналогично CompactTCA реализована “географическая” адресация, в результате которой каждый слот получает свой уникальный логический номер, что позволяет установить жесткую корреляцию между номером канала PCI Express и конкретной платой, причем номера можно изменять перепрошивкой ПЗУ. Такое решение существенно упрощает идентификацию плат, ускоряет процесс реконфигурации системы при перезагрузках программного обеспечения, что очень важно для создания многопроцессорных систем на базе одного крейта. Параметры питания и рассеиваемой мощности для периферийных модулей равны соответствующим параметрам системного слота.
В CPCI-S.0 при реализации соединений типа “звезда” на основе интерфейсов PCI Express, SATA или USB один системный слот может контролировать до восьми периферийных слотов (рис. 6,а), при этом не нужны ни дополнительные мостовые схемы, ни сетевые коммутаторы или специальные кроссплаты. Максимальное число подключаемых модулей зависит от возможностей чипсета центрального процессора. Например, при условии поддержки чипсетом операции кластеризации 16 интерфейсов PCI Express в четыре канала по четыре линии PCI Express в каждом, к центральному процессору без применения коммутатора могут быть подключены 11 периферийных модулей с каналами передачи данных по четыре линии PCI Express. При более эффективном чипсете возможен переход к использованию 16 каналов из одиночных линий PCI Express второго поколения, обладающих теоретической пропускной способностью 500 Mбайт/с каждая (эквивалентно применению интерфейса CPCI 66 МГц/64 бит) в пределе допускает подключение 44 модулей вместо максимум четырех, предусмотренных спецификацией CPCI 66 МГц/64 бит. Естественно на практике подключение всех 44 модулей невозможно из-за конструктивно-механических ограничений и большой длины электрических линий, но около 20 модулей, включая и модули тыльного типа (Rear I/O), могут быть подсоединены гарантированно. Это открывает широкие перспективы по созданию многоканальных систем обработки сигналов, например, в цифровых антенных решетках. При подключении по принципу “каждый с каждым” (схема mesh) на основе 10-гигабитной версии Ethernet в сеть может быть завязано до девяти устройств, что позволяет создавать мультипроцессорные комплексы обработки данных (рис.6,б). Конструктивные возможности выпускаемых шасси вполне позволяют реализовать систему подобного рода. (рис.7)
Спецификация PICMG 2.30, которая продолжила технологическую линию стандарта CompactPCI, была принята 16 февраля 2009 г [6]. В ней появилась поддержка интерфейсов PCI Express, Ethernet, SATA, SAS и USB с сохранением функциональной совместимости с 32-битной версией шины CompactPCI. Конструктивная реализация данных новаций достигается за счет использования разъема J1, обеспечившего функционирование 32-битного слота системы CompactPCI, и новой версии разъема J2 (рис. 8), ранее слабо задействованного в 32-битных решениях для передачи сигналов ввода-вывода на тыльные модули (Rear I/O).
Разъем J2 типа UHM (ultra-hard metric) разработан компанией 3M [7] и сконструирован таким образом, чтобы обеспечить совместимость со стандартными двухмиллиметровыми (по интервалу посадочных гнезд на печатной плате) метрическими коннекторами IEC 61076-4-101.
Технология экранирования «виртуального коаксиального блока» от компании 3M снижает перекрёстные помехи, что позволяет достигать скорости передачи данных через гнездовые соединители UHM (рис.9) до 7 Гбит/с. Это создает условия для реализации на данной основе второго поколения интерфейса PCI Express.
Визуально разъем J2 несколько компактней J1 (рис.10,11). Разъем PCIMG 2.30 поддерживает: четыре независимых дифференциальных линии PCI Express (рис. 12) , конфигурируемых в два канала по две линии, один канал из четырех линий или четыре канала по одной линии; четыре интерфейса SATA/SAS (рис. 13), соответствующего спецификации SFF-8485; четыре шины USB 2.0; два интерфейса Ethernet 1000Base-T (ETH).
Такое разнообобразие интерфейсов позволяет системному слоту выполнять сложные конструктивные задачи, например, поддерживать подключение четырех периферийных плат CompactPCI Express типа 2 (рис.14).
При этом в режиме передачи данных по одному каналу из четырех линий PCI Express второго поколения может быть гарантирована скорость передачи около 800 Мбайт/с, что в восемь раз больше, чем по 32-битному параллельному интерфейсу разъема J1, функционирующему на тактовой частоте шины PCI 33 МГц.
Спецификацией на разъем предусмотрена максимальная токовая нагрузка на контактную пару 1 А при температуре +700 С. Рабочий диапазон температур — 550 — +1250 С. Джиттер сигналов при скорости передачи данных 5 Гбит/с не превышает 100 пс.
Приложения CompactPCI Serial
Одним из первых, анонсированных на рынке процессорных модулей стандарта CompactPCI Serial, стало устройство SC1-ALLEGRO, немецкой фирмы EKF Elektronik (ekf.com). Упрощенная схема флагманского проекта этого модуля представлена на рис.15 [4].
Разработчик пока не раскрыл ни тип процессора, ни чипсет, однако отмечается, что это будут микросхемы следующего поколения. Предельная заявленная тактовая частота ОЗУ DDR3 равна 1333 МГц, максимальный объем ОЗУ может достигать 16 Гбайт. На системные разъемы P1 и P2 предусмотрены два канала по восемь линий PCI Express 2.0 каждый, что является нестандартным решением на рынке встраиваемых систем и открывает широкие возможности для скоростной обработки сигналов.
Среди серийно выпускаемых фирмой EKF Elektronik изделий заслуживает внимания контроллер PCJ-JAM для системного слота CompactPCI Serial (рис. 2) [5]. Он является мезонинной картой для процессорной платы, выполненной по спецификации CompactPCI (рис. 11). Контроллер PCJ-JAM подключается к плате процессорного модуля через набор из четырех специальных разъемов, позиционирование которых показано на рис. 2: J-PCIE (1 канал из четырех линий PCI Express), J-HSE (четыре интерфейса USB, три интерфейса SATA), J-SDVO (Secondary DVI-D Video),
J-EXP (два интерфейса USB, сигналы HD Audio, LPC, GPIO). (рис.17) Конструктивные особенности модуля позволяют создавать гибридные системы, содержащие как устройства CompactPCI, так и устройства CompactPCI Serial. Кроссплата для их совместного подключения в рамках единой вычислительной системы приведена на рис.18.
Компания Schroff (Германия) выпускает также 9-слотовые кроссплаты 24579-415, 24579-420, поддерживающие только 3U-версию стандарта CompactPCI Serial.
Фирма MEN Mikro Elektronik (Германия, men.de) представила на рынок устройств CPCI-S.0 свой процессорный модуль G20, оснащенный процессором Intel Core i7, 2,53 ГГц. Это устройство не отличается выдающимися характеристиками. В нем отсутствует разъем P6, зарезервированный под мезонинную плату, допускается лишь плюсовой диапазон рабочих температур, а также недостаточно полно использован набор доступных в стандарте интерфейсов PCI Express (на разъем кроссплаты сданы только пять линий PCI Express x1 links, а для графического контроллера в составе тыльного модуля ввода-вывода — один канал из 8 линий и аналогичный канал из четырех линий PCI Express первого поколения).
Завершая обзор оборудования на основе CPCI-S.0, хотелось бы обратить внимание на достаточно представительный старт новой спецификации, несмотря на отсутствие ее официального статуса. Это позволяет надеяться на дальнейшее развитие стандарта.
Приложения CompactPCI PlusIO
Компания MEN Mikro Elektronik первой представила на мировой рынок 3U модуль одноплатного компьютера (SBC) на базе процессоров фирмы Intel F19P, удовлетворяющий стандарту PICMG 2.30 CompactPCI PlusIO. В зависимости от варианта комплектации в модуле могут быть установлены следующие процессоры:
Intel SP9300, 2,26 ГГц, 1066 MГц FSB, 6 Mбайт кэш, 25 Вт;
Intel SL9400, 1,86 ГГц, 1066 MГц FSB, 6 Mбайт кэш, 17 Вт;
Intel SU9300, 1,2 ГГц, 800 MГц FSB, 3 Mбайт кэш, 10 Вт;
Intel Celeron M722, 1,2 ГГц, 800 MГц FSB, 1 Mбайт кэш, 5,5 Вт;
Intel Celeron M723, 1,2 ГГц, 800 MГц FSB, 1 Mбайт кэш, 10 Вт.
Максимальный объем оперативной памяти равен 8 Гбайт. Рабочий диапазон температур зависит от типа процессора, жесткого диска, вида охлаждения и может составлять от -40°C до +85°C. Минимальная стоимость устройства — 1413 долл., при комплектации процессором Celeron M 722 и сроке поставки до 6 недель.
Более продвинутое решение на основе процессоров Core i7 — 610/620 предлагает германская фирма EKF Elektronik, представившая весной 2010 г. модуль PC1-GROOVE формата 3U. Используемая в нем номенклатура процессоров Intel выглядит следующим образом:
Standard Voltage Processor i7-610E 2.66GHz (3.33/3.06GHz Single/Dual Core Turbo Mode);
Low Voltage Processor i7-620LE 2.0GHz (2.8/2.53GHz Single/Dual Core Turbo Mode);
Ultra Low Voltage Processor i7-620UE 1.06GHz (2.13/1.73GHz Single/Dual Core Turbo Mode).
Модуль обеспечивает решение задач ввода-вывода по 32-битной параллельной шине данных, а также обслуживание периферийных модулей, решающих задачи построения графических изображений, хранения данных, радио- и сетевого доступа (рис. 19) на основе последовательных интерфейсов PCI Express, SATA, USB, Ethernet.
Аналогичный модуль ICP-CP85–xx с процессорами Core i7-620 производится германской фирмой EM Trust (emtrust.de).
Компания Schroff предлагает для систем CompactPCI PlusIO несколько вариантов системных шасси. В частности, предлагаются шасси с кроссплатами на 8 слотов (3 слота CompactPCI, специальный процессорный слот и 4 слота только с последовательными интерфейсами PCI Express, Gigabit Ethernet, SATA) для топологий Star или Full Mesh, с использованием модулей Rear I/O.
К сожалению, в доступных приложениях PICMG 2.30 нет поддержки второго поколения PCI Express, что ограничивает скорость обмена данными. Однако в целом предоставляемые в устройствах возможности позволяют надеятся на то, что их перспективы будут позитивными. Насколько — покажет время.
Литература
1. Слюсар В. Новые стандарты промышленных компьютерных систем. – ЭЛЕKTРОНИКА: НТБ, 2005, № 6, с. 50–53.
2. Рыбаков А., Слепов Н. Компьютерные встраиваемые технологии — тенденции развития. — ЭЛЕKTРОНИКА: НТБ, 2006, № 3, с. 24–34.
3. Michael Plannerer. PICMG CPCI-S.0 CompactPCI Serial — MEN Mikro Elektronik GmbH, 2009, October 7
www.picmgeu.org/specs/cpci_plus_serial_core.pdf.
4. Simplified Block Diagram SC1-ALLEGRO PICMG CompactPCI Serial System Slot Controller —
www.ekf.com/s/sc1/sc1_blk.pdf.
5. PCJ-JAM. CompactPCI Serial System Slot Controller. –Document № 5600, 2009, 26 October 2009. —
EKF Elektronik. http://www.ekf.com/s/sj1/sj1_pie.pdf.
6. Manfred Schmitz. PICMG 2.30 CompactPCI PlusIO. — October 7, 2009. —
www.picmgeu.org/specs/cpci_plus_io_.pdf.
7. 3M Ultra Hard Metric (UHM) Press-Fit Socket / 3M Electronic Solutions Division Interconnect Solutions — www.3M.com/interconnects/.
(CompactPCI — PCI Express)
Первая гибридная спецификация — CompactPCI Express (PICMG EXP.0 R1.0) была принята в 2005 году. [1] Формально основное изменение по сравнению с CompactPCI состояло в том, что шина PCI была заменена на PCIe. Хотя форматы плат остались теми же, что и для CompactPCI: 3U и 6U, но разъемы P1 и P2 были заменены, также была заменена и объединительная панель. Вместо Р1 и Р2 были установлены четыре разъема трех новых типов: ADF (два), UPM и eHM. Три других разъема (Р3, Р4 и Р5) не изменидись для сохранения преемственности с ITU-T H.110 и PICMG 2.16 (Ethernet). [2]
Спецификация имела ряд серьезных ограничений, как, например, отсутствие поддержки интерфейсов SATA, USB и Ethernet, а также тыльных плат ввода-вывода. Использованные в спецификации высокочастотные ZD-разъемы фирм ERNI и Tyco Electronics были рассчитаны на частоту 3,125 ГГц. Однако, ее было явно недостаточно, для того, чтобы обеспечить передачу данных в устройствах, совместимых с CompactPCI Express.
В итоге спецификация CompactPCI Express не имела коммерческого успеха и не стала основой для создания большого числа встраиваемых систем. Стандарт постепенно перешел в разряд экзотики, используемой в ограниченном классе специализированных приложений.
Разработка альтернативного варианта — спецификации CompactTCA Express (PICMG CTCA.0, PICMG 2.50) [1], — до настоящего времени не завершена.
В ее предварительных версиях реализован ряд интересных технических решений, связанных с топологией кросс-плат, обеспечивающей соединение модулей по принципу “каждый с каждым”. [1] Другим важным преимуществом CompactTCA перед CompactPCI Express стало применение высоковольтной разводки однотипного питания с DC/DC-конвертированием на самих платах, что позволило снизить токовые нагрузки на питающие линии. Сравнительный анализ свойств CompactTCA и CompactPCI Express позволил высказать предположение о возможном «слиянии» этих спецификаций в единый стандарт [1].
Вторая попытка внедрения в спецификациию CompactPCI интерфейса PCI Express связана с разработкой стандарта CompactPCI Plus (PICMG CPCI-S.0) [3]. В спецификации был использован новый типа разъемов AirMax VS (рис.1) фирмы FCI Americas Technology (США) [3]. В стандарте для системного слота предусмотрено два типа розеточных разъемов (“мама”) и три типа штепсельных (“папа”). Штепсельные разъемы реализованы в нескольких конструктивных исполнениях (рис.1): шестирядный с четырьмя стенками, восьмирядный с двумя и тремя стенками. Все разъемы унифицированы по конструкции, что делает их производство более рентабельным и должно способствовать снижению их стоимости. Предполагается, что спецификация будет охватывать модули 3U и 6U форматов, однако пока проработана ее версия только для формата 3U. В конкретном конструктивном решении формата 3U может одновременнно применяться несколько вариантов разъемов, так например (рис. 2):
разъем P1: шестирядный, четырехстеночный;
разъемы P2 — P5: восьмирядные, двухстеночные;
разъем P6: восьмирядный, трехстеночный.
В сложных устройствах возможно также использование десятирядных двухстеночных разъемов с произвольной их расстанокой с целью, так называемого, механического кодирования посадочных гнезд, чтобы обеспечить монтаж модулей в строго заданные слоты (рис.3).
Максимальная скорость передачи данных через контактную пару AirMax VS составляет 12 Гбит/с. На сегодняшний день CPCI-S.0 — это единственная спецификация, рассчитанная на такую скорость. Системный слот в форм-факторе 3U поддерживает восемь интерфейсов PCI Express (семь каналов по четыре линии и один канал из 16 линий, предназначенный для решения графических задач и обеспечения широкой полосы пропускания), восемь интерфейсов SATA/SAS; восемь линий USB 2.0 (одна дифференциальная пара на порт) и восемь линий USB 3.0 (две дифференциальных пары на порт), а также восемь каналов Ethernet. (рис. 4) В CompactPCI Serial, как и в CompactTCA используется только один номинал питающего напряжения (12 В), что позволяет снизить максимально допустимую токовую нагрузку на одну контактную пару до 8 А. Для подачи питающего напряжения задействован разъем P1. Максимально допустимая рассеиваемая мощность на один слот составляет 60 Вт для формата 3U и 120 Вт — для плат в форм-факторе 6U. Оптимальное размещение разъемов на плате делает возможным использование кондуктивного отвода тепла от модуля в целом. Для периферийных слотов PCIMG CPCI-S.0 предусмотрена поддержка одного канала PCI Express (до шестнадцати линий), по одному интерфейсу SATA, USB 2.0, USB 3.0, до восьми Ethernet-линий (рис.5). При этом использование разъемов P1 является обязательным, а Р2 — Р6 — опциональным. В отношении периферийных устройств аналогично CompactTCA реализована “географическая” адресация, в результате которой каждый слот получает свой уникальный логический номер, что позволяет установить жесткую корреляцию между номером канала PCI Express и конкретной платой, причем номера можно изменять перепрошивкой ПЗУ. Такое решение существенно упрощает идентификацию плат, ускоряет процесс реконфигурации системы при перезагрузках программного обеспечения, что очень важно для создания многопроцессорных систем на базе одного крейта. Параметры питания и рассеиваемой мощности для периферийных модулей равны соответствующим параметрам системного слота.
В CPCI-S.0 при реализации соединений типа “звезда” на основе интерфейсов PCI Express, SATA или USB один системный слот может контролировать до восьми периферийных слотов (рис. 6,а), при этом не нужны ни дополнительные мостовые схемы, ни сетевые коммутаторы или специальные кроссплаты. Максимальное число подключаемых модулей зависит от возможностей чипсета центрального процессора. Например, при условии поддержки чипсетом операции кластеризации 16 интерфейсов PCI Express в четыре канала по четыре линии PCI Express в каждом, к центральному процессору без применения коммутатора могут быть подключены 11 периферийных модулей с каналами передачи данных по четыре линии PCI Express. При более эффективном чипсете возможен переход к использованию 16 каналов из одиночных линий PCI Express второго поколения, обладающих теоретической пропускной способностью 500 Mбайт/с каждая (эквивалентно применению интерфейса CPCI 66 МГц/64 бит) в пределе допускает подключение 44 модулей вместо максимум четырех, предусмотренных спецификацией CPCI 66 МГц/64 бит. Естественно на практике подключение всех 44 модулей невозможно из-за конструктивно-механических ограничений и большой длины электрических линий, но около 20 модулей, включая и модули тыльного типа (Rear I/O), могут быть подсоединены гарантированно. Это открывает широкие перспективы по созданию многоканальных систем обработки сигналов, например, в цифровых антенных решетках. При подключении по принципу “каждый с каждым” (схема mesh) на основе 10-гигабитной версии Ethernet в сеть может быть завязано до девяти устройств, что позволяет создавать мультипроцессорные комплексы обработки данных (рис.6,б). Конструктивные возможности выпускаемых шасси вполне позволяют реализовать систему подобного рода. (рис.7)
Спецификация PICMG 2.30, которая продолжила технологическую линию стандарта CompactPCI, была принята 16 февраля 2009 г [6]. В ней появилась поддержка интерфейсов PCI Express, Ethernet, SATA, SAS и USB с сохранением функциональной совместимости с 32-битной версией шины CompactPCI. Конструктивная реализация данных новаций достигается за счет использования разъема J1, обеспечившего функционирование 32-битного слота системы CompactPCI, и новой версии разъема J2 (рис. 8), ранее слабо задействованного в 32-битных решениях для передачи сигналов ввода-вывода на тыльные модули (Rear I/O).
Разъем J2 типа UHM (ultra-hard metric) разработан компанией 3M [7] и сконструирован таким образом, чтобы обеспечить совместимость со стандартными двухмиллиметровыми (по интервалу посадочных гнезд на печатной плате) метрическими коннекторами IEC 61076-4-101.
Технология экранирования «виртуального коаксиального блока» от компании 3M снижает перекрёстные помехи, что позволяет достигать скорости передачи данных через гнездовые соединители UHM (рис.9) до 7 Гбит/с. Это создает условия для реализации на данной основе второго поколения интерфейса PCI Express.
Визуально разъем J2 несколько компактней J1 (рис.10,11). Разъем PCIMG 2.30 поддерживает: четыре независимых дифференциальных линии PCI Express (рис. 12) , конфигурируемых в два канала по две линии, один канал из четырех линий или четыре канала по одной линии; четыре интерфейса SATA/SAS (рис. 13), соответствующего спецификации SFF-8485; четыре шины USB 2.0; два интерфейса Ethernet 1000Base-T (ETH).
Такое разнообобразие интерфейсов позволяет системному слоту выполнять сложные конструктивные задачи, например, поддерживать подключение четырех периферийных плат CompactPCI Express типа 2 (рис.14).
При этом в режиме передачи данных по одному каналу из четырех линий PCI Express второго поколения может быть гарантирована скорость передачи около 800 Мбайт/с, что в восемь раз больше, чем по 32-битному параллельному интерфейсу разъема J1, функционирующему на тактовой частоте шины PCI 33 МГц.
Спецификацией на разъем предусмотрена максимальная токовая нагрузка на контактную пару 1 А при температуре +700 С. Рабочий диапазон температур — 550 — +1250 С. Джиттер сигналов при скорости передачи данных 5 Гбит/с не превышает 100 пс.
Приложения CompactPCI Serial
Одним из первых, анонсированных на рынке процессорных модулей стандарта CompactPCI Serial, стало устройство SC1-ALLEGRO, немецкой фирмы EKF Elektronik (ekf.com). Упрощенная схема флагманского проекта этого модуля представлена на рис.15 [4].
Разработчик пока не раскрыл ни тип процессора, ни чипсет, однако отмечается, что это будут микросхемы следующего поколения. Предельная заявленная тактовая частота ОЗУ DDR3 равна 1333 МГц, максимальный объем ОЗУ может достигать 16 Гбайт. На системные разъемы P1 и P2 предусмотрены два канала по восемь линий PCI Express 2.0 каждый, что является нестандартным решением на рынке встраиваемых систем и открывает широкие возможности для скоростной обработки сигналов.
Среди серийно выпускаемых фирмой EKF Elektronik изделий заслуживает внимания контроллер PCJ-JAM для системного слота CompactPCI Serial (рис. 2) [5]. Он является мезонинной картой для процессорной платы, выполненной по спецификации CompactPCI (рис. 11). Контроллер PCJ-JAM подключается к плате процессорного модуля через набор из четырех специальных разъемов, позиционирование которых показано на рис. 2: J-PCIE (1 канал из четырех линий PCI Express), J-HSE (четыре интерфейса USB, три интерфейса SATA), J-SDVO (Secondary DVI-D Video),
J-EXP (два интерфейса USB, сигналы HD Audio, LPC, GPIO). (рис.17) Конструктивные особенности модуля позволяют создавать гибридные системы, содержащие как устройства CompactPCI, так и устройства CompactPCI Serial. Кроссплата для их совместного подключения в рамках единой вычислительной системы приведена на рис.18.
Компания Schroff (Германия) выпускает также 9-слотовые кроссплаты 24579-415, 24579-420, поддерживающие только 3U-версию стандарта CompactPCI Serial.
Фирма MEN Mikro Elektronik (Германия, men.de) представила на рынок устройств CPCI-S.0 свой процессорный модуль G20, оснащенный процессором Intel Core i7, 2,53 ГГц. Это устройство не отличается выдающимися характеристиками. В нем отсутствует разъем P6, зарезервированный под мезонинную плату, допускается лишь плюсовой диапазон рабочих температур, а также недостаточно полно использован набор доступных в стандарте интерфейсов PCI Express (на разъем кроссплаты сданы только пять линий PCI Express x1 links, а для графического контроллера в составе тыльного модуля ввода-вывода — один канал из 8 линий и аналогичный канал из четырех линий PCI Express первого поколения).
Завершая обзор оборудования на основе CPCI-S.0, хотелось бы обратить внимание на достаточно представительный старт новой спецификации, несмотря на отсутствие ее официального статуса. Это позволяет надеяться на дальнейшее развитие стандарта.
Приложения CompactPCI PlusIO
Компания MEN Mikro Elektronik первой представила на мировой рынок 3U модуль одноплатного компьютера (SBC) на базе процессоров фирмы Intel F19P, удовлетворяющий стандарту PICMG 2.30 CompactPCI PlusIO. В зависимости от варианта комплектации в модуле могут быть установлены следующие процессоры:
Intel SP9300, 2,26 ГГц, 1066 MГц FSB, 6 Mбайт кэш, 25 Вт;
Intel SL9400, 1,86 ГГц, 1066 MГц FSB, 6 Mбайт кэш, 17 Вт;
Intel SU9300, 1,2 ГГц, 800 MГц FSB, 3 Mбайт кэш, 10 Вт;
Intel Celeron M722, 1,2 ГГц, 800 MГц FSB, 1 Mбайт кэш, 5,5 Вт;
Intel Celeron M723, 1,2 ГГц, 800 MГц FSB, 1 Mбайт кэш, 10 Вт.
Максимальный объем оперативной памяти равен 8 Гбайт. Рабочий диапазон температур зависит от типа процессора, жесткого диска, вида охлаждения и может составлять от -40°C до +85°C. Минимальная стоимость устройства — 1413 долл., при комплектации процессором Celeron M 722 и сроке поставки до 6 недель.
Более продвинутое решение на основе процессоров Core i7 — 610/620 предлагает германская фирма EKF Elektronik, представившая весной 2010 г. модуль PC1-GROOVE формата 3U. Используемая в нем номенклатура процессоров Intel выглядит следующим образом:
Standard Voltage Processor i7-610E 2.66GHz (3.33/3.06GHz Single/Dual Core Turbo Mode);
Low Voltage Processor i7-620LE 2.0GHz (2.8/2.53GHz Single/Dual Core Turbo Mode);
Ultra Low Voltage Processor i7-620UE 1.06GHz (2.13/1.73GHz Single/Dual Core Turbo Mode).
Модуль обеспечивает решение задач ввода-вывода по 32-битной параллельной шине данных, а также обслуживание периферийных модулей, решающих задачи построения графических изображений, хранения данных, радио- и сетевого доступа (рис. 19) на основе последовательных интерфейсов PCI Express, SATA, USB, Ethernet.
Аналогичный модуль ICP-CP85–xx с процессорами Core i7-620 производится германской фирмой EM Trust (emtrust.de).
Компания Schroff предлагает для систем CompactPCI PlusIO несколько вариантов системных шасси. В частности, предлагаются шасси с кроссплатами на 8 слотов (3 слота CompactPCI, специальный процессорный слот и 4 слота только с последовательными интерфейсами PCI Express, Gigabit Ethernet, SATA) для топологий Star или Full Mesh, с использованием модулей Rear I/O.
К сожалению, в доступных приложениях PICMG 2.30 нет поддержки второго поколения PCI Express, что ограничивает скорость обмена данными. Однако в целом предоставляемые в устройствах возможности позволяют надеятся на то, что их перспективы будут позитивными. Насколько — покажет время.
Литература
1. Слюсар В. Новые стандарты промышленных компьютерных систем. – ЭЛЕKTРОНИКА: НТБ, 2005, № 6, с. 50–53.
2. Рыбаков А., Слепов Н. Компьютерные встраиваемые технологии — тенденции развития. — ЭЛЕKTРОНИКА: НТБ, 2006, № 3, с. 24–34.
3. Michael Plannerer. PICMG CPCI-S.0 CompactPCI Serial — MEN Mikro Elektronik GmbH, 2009, October 7
www.picmgeu.org/specs/cpci_plus_serial_core.pdf.
4. Simplified Block Diagram SC1-ALLEGRO PICMG CompactPCI Serial System Slot Controller —
www.ekf.com/s/sc1/sc1_blk.pdf.
5. PCJ-JAM. CompactPCI Serial System Slot Controller. –Document № 5600, 2009, 26 October 2009. —
EKF Elektronik. http://www.ekf.com/s/sj1/sj1_pie.pdf.
6. Manfred Schmitz. PICMG 2.30 CompactPCI PlusIO. — October 7, 2009. —
www.picmgeu.org/specs/cpci_plus_io_.pdf.
7. 3M Ultra Hard Metric (UHM) Press-Fit Socket / 3M Electronic Solutions Division Interconnect Solutions — www.3M.com/interconnects/.
Отзывы читателей
