Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 22 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Возможности проектирования системы MicroTCA на базе PCI Express

В статье рассматривается построение миниатюрных и экономичных платформ MicroTCA на базе стандарта PCI Express, который вызывает растущий интерес потребителей. Кроме того, описываются параметры архитектуры платформы для реализации мультипроцессорных решений, в т.ч. автономных систем и кластеров. Статья представляет собой перевод [1].

Быстродействие систем µTCA за счет сохранения высокой целостности сигнала на объединительной плате

Подлинные качества объединительных плат и разъемов для перспективной технологии µTCA, как это часто бывает в жизни, скрыты от посторонних глаз: этот дуэт компонентов, почти не проявляющийся в готовых системах, во многом определяет целостность сигнала. «Узким местом» становятся не электронные чипы, быстродействие которых стремительно растет, а каналы передачи данных. Для объединительных плат это означает, что для требуемой по спецификации скорости передачи 3,125 Гбит/с определяющей является характеристика времени задержки (вплоть до частоты 15,625 ГГц). При этом предел еще далеко не достигнут, поскольку заявлено требование значительного увеличения скорости передачи данных (см. рис. 1).

nanoETXexpress: первые плоды

В статье описан один из первых компьютеров-на-модуле, построенных в соответствии с новым стандартом nanoETXexpress.

 

14 мая

Технологии AdvancedTCA, AdvancedMC и MicroTCA: быстрые интерфейсы и процессоры под соусом стандартизации. Часть 1

Стандарт AdvancedTCA, развивающий основополагающие принципы магистрально-модульной архитектуры CompactPCI — это мощный и удобный инструмент для построения новых телекоммуникационных решений на базе последовательных внутрисистемных интерфейсов. Разработанный специально для рынка телекоммуникаций, стандарт AdvancedTCA позволяет применять высокопроизводительные последовательные каналы на стандартизованной основе и совмещает удобство открытой технологии с эффективностью узкоспециализированных решений. Вместе с тем, сфера применимости как самого стандарта AdvancedTCA, так и его производных (AdvancedMC, MicroTCA), гораздо шире одних лишь телеком-приложений. В статье дан краткий обзор технологий AdvancedTCA, AdvancedMC и MicroTCA. Особое внимание уделено тем свойствам стандартов, которые представляют наибольший интерес для практического применения.



О

т частных решений к открытым стандартам

Наряду с такими известными технологиями, как CompactPCI и VMEbus, технология AdvancedTCA относится к категории стандартизованных системных архитектур с пассивной объединительной панелью. Соответствующие стандарты предполагают наличие в крейте одной большой платы (объединительной панели), которая, не имея собственных активных компонентов, оснащена несколькими разъемами, куда устанавливаются процессорные, коммуникационные, DSP и иные функциональные платы (модули), взаимодействующие друг с другом по реализованным на объединительной панели сигнальным линиям. Используя функциональные платы разных типов, марок и версий, можно реализовать огромное число комбинаций на базе единственной объединительной панели. При этом объединительные панели также бывают разных типов, а функциональные модули унифицированы, и их можно легко заменять для устранения неисправностей, повышения производительности и/или реализации поддержки новых функций.
Спецификация AdvancedTCA стала уже второй по счету попыткой «на­ве­дения порядка» в телекоммуникационной отрасли. Первая фаза телеком-стандартизации была связана с развитием и продвижением технологии CompactPCI — адаптированной версии шинной архитектуры PCI, ориентированной на применение в широком классе задач, включая промышленные и телекоммуникационные.
Исторически на рынке телекоммуникационного оборудования доминировали закрытые частные фирменные решения, что затрудняло модернизацию и расширение систем, замедляло реализацию новых сервисов, влекло за собой дополнительные расходы, причем как для разработчиков телекоммуникационных систем, так и для конечных пользователей, и тормозило развитие отрасли в целом. Для борьбы с этой негативной практикой в начале 90-х годов прошлого века ведущие игроки телекоммуникационного рынка, объединившиеся в консорциум PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group, www.picmg.org), стали развивать магистрально-модульную системную архитектуру, получившую название CompactPCI. Технологическим фундаментом для разрабатываемого стандарта послужила высокопроизводительная шина PCI — наиболее совершенный в то время системный интерфейс для офисного и серверного сегментов.
Стандарт CompactPCI достиг поставленных перед ним целей, преодолев инерцию телекоммуникационной отрасли и сдвинув процесс отказа от частнофирменных решений с мертвой точки. Поставщики и операторы впервые получили возможность строить системы на базе открытых технологий и унифицированных, заведомо совместимых друг с другом аппаратных средств. В настоящее время стандарт CompactPCI широко и успешно применяется не только в телекоммуникационном, но и в промышленном, контрольно-измерительном, оборонном, аэрокосмическом и медицинском оборудовании.

 

Новые требования

Со времени появления CompactPCI на рынке телекоммуникационных услуг произошли значительные изменения. Новые сервисы типа VoIP (передача голоса по IP-сетям), VoD (видео по запросу) и 3G (мультимедийное наполнение сетей сотовой связи) востребованы сегодня повсеместно. В результате в традиционном для телекоммуникационной отрасли списке требований произошли подвижки. Производительности и пропускной способности стало требоваться не просто много, а очень много: число подписчиков новых, «тяжелых» сервисов постоянно растет, и одновременно с этим растет объем потребляемого каждым таким подписчиком трафика. Аналитики прогнозируют сохранение этого нелинейного роста в ближайшие годы, и телекоммуникационные компании начинают задумываться над тем, как они будут выходить из создавшегося положения. Необходимый резерв пропускной способности способны обеспечить новые технологии внутрисистемного обмена, базирующиеся на быстрых последовательных соединениях, однако освоение таких технологий собственными силами «с нуля» для динамичной компании — задача более чем сложная. Получается, что закрытые решения, бывшие неудобными еще в 1990-х годах, сегодня неудобны как никогда: в контексте развития новых телекоммуникационных сервисов частнофирменная модель бизнеса становится удовольствием слишком дорогим и вполне сомнительным.
Спрос на сервисы следующего поколения, для развертывания которых необходимы надежные, высокопроизводительные и хорошо масштабируемые платформы с огромной пропускной способностью и высоким коэффициентом готовности, вкупе с проблематичностью реализации подобных сервисов в рамках частнофирменной модели стал основным стимулом к началу второго раунда стандартизации в телекоммуникационной отрасли.

 

Новым сервисам — новые стандарты

Стандарт AdvancedTCA (Advanced Telecom Computing Architecture — передовая телекоммуникационная вычислительная архитектура) стал ответом консорциума PICMG на ситуацию, сложившуюся на телеком-рынке к началу нового тысячелетия. Данный стандарт адресован перспективным системам нового поколения, которые должны обеспечивать долгосрочную поддержку самых современных сервисов, и потому иметь большую производительность, надежность, удобство, функциональность и масштабируемость (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Современная высокопроизводительная плата формата AdvancedTCA (изделие холдинга Kontron)


Авторство идеи AdvancedTCA принадлежит корпорации Intel. Пер­во­начальное предложение Intel послужило толчком, запустившим процесс разработки базовой спецификации на системную архитектуру AdvancedTCA под эгидой консорциума PICMG.
В работе над спецификацией PICMG 3.0 приняли участие более 100 компаний. Ее создание потребовало в общей сложности более 11000 человеко-часов коллективной работы (и не поддающееся учету количество человеко-часов работы индивидуальной). Спецификация PICMG 3.0 стала самым масштабным и качественно реализованным проектом за всю историю консорциума PICMG.
30 декабря 2002 г., когда была принята первая редакция базовой спецификации AdvancedTCA (PICMG 3.0), началась новая эра — тотального и стандартизованного применения в телекоме последовательных внутрисистемных интерфейсов. Хорошо адаптированный платформенный стандарт AdvancedTCA быстро приобрел популярность среди игроков и клиентов телекоммуникационного рынка.
В своем теперешнем виде стандарт AdvancedTCA образован серией спе­цификаций, принятых в период с марта 2005 г. по апрель 2006 г. (еще одна спе­цификация находится в разработке и еще одна ожидает ратификации — см. табл. 1).

 

Таблица 1. Семейство спецификаций AdvancedTCA (на момент написания статьи)

Индекс PICMG
Официальное название спецификации
Номер редакции
Дата
Текущий статус
Описание
3.0 AdvancedTCA Base R1.0 30.12.2002 Устарело  
R1.0 ECN001 21.01.2004 Устарело  
R2.0 18.03.2005 Принято Базовая спецификация AdvancedTCA, определяющая требования к платам, объединительной панели, механике полки, питанию, управляющим интерфейсам и контактам разъема
R2.0 ECN001 15.06.2005 Принято Вопросы подключения контроллера полки ShMC
R2.0 ECN002 29.04.2006 Принято Разные уточнения
    В разработке Будет содержать уточнения к редакции R2.0 и дополнительные уточнения
3.1 AdvancedTCA Ethernet R1.0 22.01.2003 Принято Определяет реализацию каналов Ethernet и Fibre Channel на объединительной панели PICMG 3.0. Вариант Ethernet рассматривается как основной, Fibre Channel – как опциональный
3.2 AdvancedTCA InfiniBand R1.0 22.01.2003 Принято Определяет реализацию каналов InfiniBand на объединительной панели PICMG 3.0
3.3 AdvancedTCA StarFabric R1.0 21.05.2003 Принято Определяет реализацию каналов StarFabric на объединительной панели PICMG 3.0
3.4 AdvancedTCA PCI Express R1.0 21.05.2003 Принято Определяет реализацию каналов PCI Express и PCI Express Advanced Switching на объединительной панели PICMG 3.0
3.5 AdvancedTCA RapidIO   21.09.2005 Принято Определяет реализацию каналов RapidIO на объединительной панели PICMG 3.0
3.6 AdvancedTCA PRS     На стадии согласования Определяет реализацию каналов PRS (Packet Routing Switch) на объединительной панели PICMG 3.0

 

Спецификация PICMG 3.0, выдержавшая уже три редакции, определяет требования к механическим параметрам плат, их питанию и охлаждению, а также к организации системного управления. Другие спецификации семейства AdvancedTCA посвящены вопросам использования конкретных каналов внутрисистемного взаимодействия, таких как Ethernet, InfiniBand, StarFabric, PCI Express, RapidIO и PRS.
С идейной и технологической точек зрения AdvancedTCA является преемником хорошо зарекомендовавшего себя телекоммуникационно-промышленного стандарта CompactPCI. Это означает, что с использованием AdvancedTCA можно решать те же задачи, что и при помощи CompactPCI, а также строить телекоммуникационные системы совершенно нового типа, не имеющие аналогов в прошлом по производительности, гибкости и расширяемости.
Ряд наиболее интересных с точки зрения практического применения свойств AdvancedTCA (поддержка «горячей» замены, тыльного ввода/вывода, мезонинов; интерфейс системного управления IPMI и даже коммутация соединений на объединительной панели) перекочевали в новый стандарт из CompactPCI без каких-либо фундаментальных изменений.
Главным отличием AdvancedTCA от магистрально-модульной архитектуры CompactPCI является тип используемой объединительной панели. На классической объединительной панели CompactPCI реализуется параллельная шина PCI, на объединительной панели AdvancedTCA — только последовательные коммутируемые каналы 1. Данное изменение согласуется с общей логикой развития компьютерной отрасли: сегодня уже никому не нужно объяснять, что последовательные коммутируемые соединения способны обеспечить гораздо большую пропускную способность, нежели параллельные шины.
Разумеется, отличия между Com­pactPCI и AdvancedTCA не ограничиваются типом объединительной панели. К внутрисистемным коммутируемым каналам Ethernet, определенным еще в спецификации PICMG 2.16, стандарт AdvancedTCA добавил пять новых типов последовательных каналов: InfiniBand, StarFabric, PCI Express, RapidIO и PRS (см. табл. 1). Целью такого шага является обеспечение дополнительной свободы маневра как для производителей, так и для пользователей.
Что касается «грубой», сугубо процессорной производительности, не учитывающей повышенную скорость внутрисистемного обмена 2, то здесь основным достижением стандарта AdvancedTCA стали увеличенные размеры функциональных плат, увеличенный шаг размещения слотов и увеличенное максимальное энергопотребление одной платы. Все это в совокупности позволяет оформлять в конструктиве AdvancedTCA вычислительные узлы на базе самых современных процессоров без опасения выйти за рамки термальных ограничений.
Коммутируемые соединения на объ­единительной панели в случае Ad­van­cedTCA могут иметь топологию типа звезда, двойная звезда, сдвоенная двой­ная звезда и полноячеистая сеть. Дуб­лирование соединений не является обязательным требованием; в тех приложениях, где готовность на уровне пяти-шести девяток не нужна, на дублировании можно сэкономить.
Еще одним важным свойством AdvancedTCA является поддержка развитых функций централизованного системного управления на основе интеллектуального интерфейса IPMI (Intelligent Platform Management Interface). Как уже было сказано, и поддержка интерфейса IPMI, и поддержка «горячей» замены пришли в AdvancedTCA из CompactPCI, где они определены в спецификациях PICMG 2.9 и 2.1. Стандарт AdvancedTCA предусматривает дублирование каналов передачи данных, средств управления и линий питания, что значительно повышает устойчивость системы как целого к местным повреждениям.
С эксплуатационной точки зрения одной из отличительных особенностей семейства спецификаций AdvancedTCA является возможность реализации на их основе долгосрочных проектов, допускающих возможность развертывания новых приложений и сервисов в отдаленной (пять и более лет) перспективе. Гарантией тому — огромный резерв производительности и пропускной способности, изначально заложенный в AdvancedTCA, и такие краеугольные камни этой системной архитектуры, как модульность, гибкость и расширяемость. Стандарт AdvancedTCA обеспечивает поддержку жестких требований NEBS и предлагает исчерпывающий комплекс мер по повышению коэффициента готовности конечной системы.
Поговорим об этих и некоторых других аспектах системной архитектуры AdvancedTCA более подробно.

О последовательных соединениях и их коммутации

Одна из причин, которые привели специалистов PICMG к мысли о необходимости разработки нового телекоммуникационного стандарта, стали скоростные преимущества современных последовательных интерфейсов перед параллельными. В свое время эта тема широко обсуждалась на отраслевых форумах и в специализированных изданиях, и воспроизводить эту дискуссию нет нужды. Ограничимся простой констатацией ставшего общепризнанным факта: классические параллельные шины не обладают достаточным запасом пропускной способности и не могут рассматриваться как перспективные системные интерфейсы. Проблема носит принципиальный, физически неустранимый характер, что с неизбежностью следует из самого принципа передачи данных по параллельным проводникам, ограничивающего дистанцию связи и максимальные тактовые частоты. Выход за эти ограничения влечет потерю синхронизации, возникновение неустранимых перекрестных помех и как результат — невозможность корректной работы системы.
Современные последовательные интерфейсы свободны от указанного недостатка в том смысле, что их «планка», т.е. теоретический максимум пропускной способности, в реальных приложениях пока не достигнут, и, по-видимому, будет достигнут еще очень нескоро (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Теоретический максимум пропускной способности CompactPCI, CompactPCI с коммутацией пакетов (спецификация PICMG 2.16) и AdvancedTCA

 

Данное обстоятельство предопределило успех шины USB 2.0, дискового интерфейса Serial ATA и системного интерфейса PCI Express, а также привело к появлению новых типов коммуникационных каналов и системных архитектур, одной из которых и посвящена настоящая статья.
Чтобы совладать с гигантскими тактовыми частотами, на которых должны работать высокопроизводительные последовательные интерфейсы, авторам стандарта AdvancedTCA потребовался новый системный соединитель. Для этого был выбран разработанный компаниями Tyco и ERNI быстрый дифференциальный разъем ZD, способный поддерживать скорости до 5 Гбит/с на одну сигнальную пару (каждый канал состоит из 8 таких пар) и отлично подходящий для всех AdvancedTCA-каналов (Ethernet, InfiniBand, StarFabric, PCI Express, RapidIO и PRS) 3.
Одна объединительная панель, удовлетворяющая требованиям PICMG 3.0, может поддерживать различные каналы внутрисистемного обмена. Описанная в спецификации PICMG 3.0 инфраструктура управления предполагает использование специальных электронных ключей, позволяющих системе определять тип установленной платы, а также то, какие каналы и топологии эта плата поддерживает. Разумеется, в одну полку следует устанавливать платы одного типа.
Базовой топологией для любой объединительной панели AdvancedTCA является «полноячеистая сеть» (full mesh; каждый слот напрямую связан с каждым). Такой способ организации соединений позволяет получать в пределах одного шасси терабитные значения полной пропускной способности. В исходном виде топология типа «полноячеистая сеть» рассчитана на высокопроизводительные решения, где требуются максимально возможные скорости внутрисистемного обмена. Стандарт AdvancedTCA обеспечивает поддержку и таких популярных топологических схем, как «звезда», «двойная звезда» и «сдвоенная двойная звезда», поскольку они могут быть получены из полноячеистой сети путем исключения некоторых каналов. Топологии типа «звезда», «двойная звезда» и «сдвоенная двойная звезда» предполагают взаимодействие функциональных плат друг с другом через специальные модули, называемые системными концентраторами или коммутаторами (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Топологическая схема «двойная звезда»

 

Когда система построена по топологической схеме «полноячеис­тая сеть», все функциональные платы связаны друг с другом напрямую, а выделенные модули отсутствуют (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Топологическая схема «полноячеистая сеть»

 

Все звездообразные топологии уступают полноячеистой в пропускной способности, но дешевле в реализации.

 

-------------------------------------------

1 В рамках стандарта CompactPCI идею коммутации внутрисистемных соединений позволяет воплотить спецификация PICMG 2.16, определяющая реализацию коммутируемой сети Ethernet на CompactPCI-совместимой объединительной панели.

2 Полная производительность системы зависит как от той скорости, с которой работают ее вычислительные узлы, так и от той скорости, с которой различные ее подсистемы взаимодействуют между собой. Первый параметр определяется характеристиками используемых процессоров, второй — пропускной способностью внутрисистемных интерфейсов.

3 Спецификация PICMG 3.0 и соединитель ZD в принципе позволяют строить конечные системы также и с использованием других последовательных каналов, включая частнофирменные.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Леонид Акиншин, к.ф.-м.н., обозреватель журнала «МКА: мир ВКТ»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты