ПРЕСС-ЦЕНТР

Стандарт CompactPCI Serial для простой и гибкой реализации двухточечных систем связи с повышенными скоростями обмена данными

МКА:ВКС №1/2014

Сандра Корсинек (Sandra Korsinek), Kontron

У OEM-производителей промышленного оборудования появились новые возможности для конструирования и создания высокопроизводительных приложений с усовершенствованными характеристиками широкополосных систем ввода-вывода на основе хорошо зарекомендовавшего себя стандарта CompactPCI Serial, получившего широкую поддержку развитой экосистемы.

Поскольку на рынке промышленных встраиваемых систем по-прежнему наблюдается быстрый рост, продолжает увеличиваться эффективность, надёжность, производительность и качество систем, применяемых в разных приложениях и сегментах этого рынка. Растёт и спрос на более современные технологии, которые учитывают новые тенденции, например технологии облачных вычислений и мобильной связи на основе сетей IP/Ethernet с более широкой полосой пропускания.

В качестве наглядного примера такой востребованности можно привести современные системы технического зрения, которые не только позволяют эффективнее организовывать процесс производства, но и осуществлять мониторинг и управление ресурсами наряду со сбором данных и их совместным использованием для проведения тщательного и эффективного анализа. Согласно новому отчёту аналитической компании Markets and Markets, доходы на мировом рынке систем технического зрения и компонентов увеличатся на 8,2%, то есть более чем на 5 млрд долл. в течение 2013–2018 гг. Этот рост побуждает OEM-производителей совершенствовать свои изделия и технологии.

Системы технического зрения применяются в автомобильной промышленности, производстве электроники, в сборочных цехах и медицине, а также в автоматизированном управлении дорожным движением. Эти системы выполняют функции по определению местоположения и распознаванию, осуществляют задачи по измерению и осмотру различных объектов.

Стандарт CompactPCI уже давно и прочно занял своё место во многих промышленных системах благодаря тому, что он успешно отвечает меняющимся потребностям отрасли. То же можно утверждать и в отношении новейшей спецификации CompactPCI Serial, разработанной независимой организацией PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group – консорциум производителей промышленных компьютеров с шиной PCI). Эта спецификация определяет высокую скорость передачи данных для современных систем технического зрения и других сложных промышленных приложений. В настоящее время появилась возможность создавать более быстрые промышленные системы двухточечной связи на платформах CompactPCI Serial. Основное преимущество новых приложений – в переходе с систем на основе шин к системам на базе коммутируемой последовательной связи большей интеграции, в которых применяется эффективная топология «звезда». Промышленное оборудование OEM-производителей, построенное с использованием возможностей новой платформы CompactPCI Serial, приобретает значительные конкурентные преимущества.

Успешное применение CompactPCI в промышленных системах

В 1995 г. консорциум PICMG завершил работу над спецификацией CompactPCI PICMG 2.0 для высокопроизводительных промышленных компьютерных систем. Эта спецификация определила использование параллельной шины PCI при подключении периферийных устройств (до семи плат) к процессорной плате через системный слот. Консорциум PICMG установил также соответствующие размеры плат и систем, требования к разъёмам, схеме расположения выводов и портам тыльного ввода/вывода (Rear I/O) при построении вычислительных систем по модульному принципу. В более поздних версиях этой спецификации были определены возможности «горячей» замены и управления системой.

По мнению многих разработчиков, установленные спецификацией PICMG 2.0 характеристики в первую очередь хорошо подходят для работы модульных высокопроизводительных компьютерных систем в жёстких условиях эксплуатации. Высокая надёжность, ударопрочность и вибростойкость обеспечиваются с помощью штыревого разъёма, расположенными по обеим сторонам направляющими для вставки плат и лицевой панели, которая привинчивается к крейту, благодаря чему платы (модули) жёстко фиксируются в предназначенной для них позиции. Вертикальное расположение плат обеспечивает их естественное или принудительное воздушное охлаждение. Благодаря перечисленным характеристикам спецификация CompactPCI, которую поддержала широкая и хороша развитая экосистема, получила распространение среди модульных стандартов. Самая последняя спецификация CompactPCI Serial, разработанная консорциумом PICMG и принятая в 2011 г., стала закономерным результатом эволюции от хорошо себя показавшей параллельной шины к магистрали, которая поддерживает новейшие двухточечные последовательные соединения.

Преимущества CompactPCI Serial

Как уже упоминалось, системы технического зрения следующего поколения обеспечивают более высокое разрешение, частоту смены кадров и скорости обработки данных, что позволяет оптимизировать контроль качества и монтаж. Более быстрые и надёжные алгоритмы этих систем определяют в реальном времени форму и положение 3D-объектов в процессе производства. Решение столь сложных задач возможно только при помощи очень мощных вычислительных систем, в которых используются, например, видеокамеры на базе стандарта GigE с высоким разрешением и глубиной цвета или видеокамеры с очень высокой скоростью передачи данных, работающие по протоколу USB 3.0.

Использовать в таких системах новые платы CompactPCI Serial –идеальное решение, поскольку эти модули теперь могут взаимодействовать в системе через объединительную панель с интерфейсами Gigabit Ethernet, PCI Express, SATA и USB. Так как стандарт CompactPCI Serial специально создавался в расчёте на перспективу, он уже поддерживает самые последние версии интерфейсов, к которым относятся USB 3.0, SATA 6 Гбит/с и PCI Express 3.0. Благодаря применению этих последовательных портов появилась возможность передавать данные со скоростью несколько Гбит/с, тогда как в системе на базе CompactPCI с шиной PCI на 32 бит/66 МГц максимально возможная пропускная способность составляет 0,264 Гбайт/с. Объединительная магистраль на базе последовательной связи обладает ещё одним преимуществом, которое способствует повышению гибкости создаваемых решений, – модульной масштабируемостью: при необходимости готовые системы могут быть в любое время расширены.

С помощью платформы CompactPCI Serial можно, например, создавать системы сначала с одной процессорной платой, а затем параллельно ей устанавливать несколько других, чтобы реализовать новые гибкие и более мощные конфигурации.

Эти преимущества полностью реализуются с помощью нового разъёма, который позволяет передавать данные с большей плотностью сигнала и поддерживает более высокие частоты передачи в системах с новейшими интерфейсами двухточечной связи, такими как PCI Express, SATA, Ethernet и USB (рис. 1). Эта спецификация позволяет вместо 2-мм соединителя типа Hard-Metric применять соединители с большей плотностью контактов, обеспечивающих передачу сигналов с частотой 12 Гбит/с, а также необходимую экранировку и управление импедансом. В одном новом соединителе имеется от 72 до 96 выводов, а одна плата в формате 3U поддерживает до шести соединителей с общим числом выводов, равным 600 или 184 дифференциальных пар, при реализации разных каналов связи на объединительной панели.

Ещё одно преимущество этого соединителя заключается в том, что он обеспечивает свободное пространство для компонентов будущих, более скоростных, систем, установка которых не потребует замены разъёма. Члены консорциума PICMG понимают, что хотя эти частоты пока не востребованы, конструкция данного соединителя гарантирует его применимость в будущем. Необходимость в новом соединителе объясняется тем, что эти соединения реализуются непосредственно на чипсетах и ЦП и в настоящее время широко применяются во встраиваемых системах следующего поколения.

Рис. 1. Соединитель CompactPCI Serial - основной элемент, благодаря которому повышается гибкость системы

Рис. 1. Соединитель CompactPCI Serial – основной элемент, благодаря которому повышается гибкость системы*

*Рисунок предоставлен компанией Mouser Electronics

Спецификация CompactPCI Serial для систем следующего поколения, появившаяся в результате совершенствования широко распространённого стандарта CompactPCI, предоставляет разработчикам новую мощную платформу для создания высокопроизводительных решений с широкой полосой пропускания. Следует учитывать, что новая спецификация обеспечивает привлекательный и простой путь миграции, упрощающий соответствие уже имеющихся CompactPCI-систем современным требованиям к производительности. Поддержка более высокой производительности открывает новые возможности разработчикам, позволяя им создавать самые передовые конфигурации систем высокого класса. Кроме того, к настоящему времени экосистема CompactPCI Serial стала поддерживать широкий ряд стандартизованных и модульных встраиваемых вычислительных средств.

Помимо соединителя, в спецификации CompactPCI Serial определены другие важные усовершенствования, такие как направляющий элемент на объединительной панели, совместимый с предыдущими версиями стандарта.. В спецификации определяется системный слот в качестве центрального узла для реализации на объединительной панели интерфейсов PCI Express, SATA, USB и Ethernet по топологии типа «звезда» (single star) или «полносвязанная сеть» (full mesh). Благодаря тому, что в системе предусмотрена одновременная поддержка всех интерфейсов, есть возможность существенно повысить её производительность.

Стандарт CompactPCI Serial в действии

Благодаря открытости, продолжительному сроку службы, модульному принципу, прочности и надёжности, которые обеспечиваются спецификацией CompactPCI Serial, её выгодно использовать практически в любой промышленной вычислительной системе на базе информационно-коммуникационной технологии (information/communication technology – ICT). Ключевые преимущества CompactPCI Serial особенно востребованы в тех приложениях, где нужна высокая скорость передачи данных для сетей последовательной связи, хранения данных или реализации пропускной способности PCIe. Переход с архитектуры CompactPCI на CompactPCI Serial легко осуществляется путём добавления в шасси второй объединительной панели; при этом одна панель предназначена для реализации CompactPCI, а вторая – для CompactPCI Serial. Единственным дополнительным элементом в этом случае становится мост между CompactPCI и CompactPCI Serial. Его функционал легко реализуется, например, в виде карты расширения для процессорной платы.

Помимо всего прочего, возможности систем на базе платформы CompactPCI Serial расширились благодаря появлению тыльного ввода/вывода, каналов с повышенной пропускной способностью (fat pipe) и нескольких cлотов для подключения периферийных устройств. Поскольку стандарт CompactPCI Serial механически совместим с формфактором стандарта IEC 1101.1, необходимость в изменении имеющихся корпусов или модулей охлаждения отсутствует, и допускается повторное использование систем на основе стандартной платформы CompactPCI. Если же учесть вспомогательную инфраструктуру в виде предлагаемых стандартных блоков, разнообразие конфигураций систем CompactPCI Serial ограничивается лишь воображением OEM-производителей и рыночным спросом.

Спецификация CompactPCI Serial поддерживает ряд плат расширения, которые подключаются к любому из поддерживаемых интерфейсов (рис. 2). Например, у разработчиков имеется возможность воспользоваться процессорным модулем CPS3003-SA от Kontron и модулем расширения CompactPCI ( рис. 3), чтобы организовать совместную работу плат CompactPCI Serial и классических плат CompactPCI в одной гибридной системе. Число разъёмов (P1–P6) на одной плате 3U CompactPCI может достигать шести штук. Как правило, системная плата 3U оснащается всеми шестью разъёмами. С другой стороны, периферийный модуль 3U имеет только один обязательный разъём P1, а необходимость в разъёмах P2– P5 определяется пользовательской системой ввода-вывода на этих периферийных платах. Поскольку такое решение исключает необходимость в какой-либо доработке или замене, OEM-производители могут по-прежнему использовать уже имеющиеся платы CompactPCI.

Рис. 2. Процессорная плата CPS3003-SA стандарта CompactPCI Serial от Kontron - универсальное решение для OEM-производителей, которые всё ещё используют классический стандарт CompactPCI

Рис. 2. Процессорная плата CPS3003-SA стандарта CompactPCI Serial от Kontron – универсальное решение для OEM-производителей, которые всё ещё используют классический стандарт CompactPCI

Рис. 3. Использование процессорной платы стандарта CompactPCI Serial с периферийным модулем CompactPCI обеспечивает совместную работу обоих модулей

Рис. 3. Использование процессорной платы стандарта CompactPCI Serial с периферийным модулем CompactPCI обеспечивает совместную работу обоих модулей

Такая архитектурная гибкость позволяет реализовать намного более широкий ряд конфигураций современных промышленных систем, включая масштабируемые многопроцессорных решения, многодисплейные системы контроля в диспетчерских залах, широкополосные беспроводные WLAN-, UMTS- или LTE-сети с параллельно работающими радиомодулями, платы для выборки данных с ПЛИС и графические приложения.

В многопроцессорных системах стандарт CompactPCI Serial позволяет использовать до восьми ведомых (slave) процессорных плат, подключаемых к ведущей (master) плате через 1G Ethernet, а в будущем – даже через 10G. В этой конфигурации может использоваться девять процессорных плат на базе Intel Core i7, то есть до 36 высокопроизводительных ядер и до 144 Гбайт памяти. При добавлении внешнего переключателя любое из этих процессорных ядер сможет исполнять любую задачу независимо от того, в каком участке памяти находятся данные. Таким образом, в этой конфигурации легко обеспечивается переключение задач между процессорами для эффективного перераспределения рабочей нагрузки.

В спецификации CompactPCI Serial предусмотрена реализация на объединительной магистрали высокопроизводительной сети Ethernet (до 10G), что позволяет разработчикам опередить спрос на увеличение числа операций в сетях и трафика данных. В настоящее время процессорные платы не оснащены контроллерами 10G Ethernet из-за очень высокого энергопотребления этих компонентов. Для реализации 10G-сетей в спецификации CompactPCI Serial определены два слота, которые подключаются к системному слоту через интерфейс PCI Express x8. Эти каналы с более высокой пропускной способностью («fat pipe») идеально подходят для реализации 10G-связи с помощью соответствующих плат сетевых контроллеров. Интерфейс PCI Express x8 обеспечивает достаточный запас для передачи данных, поступающих с двух интерфейсов 10G Ethernet. Данное решение позволяет в максимальной степени повысить коэффициент использования и срок службы систем, а также уменьшить совокупную стоимость владения для конечных пользователей.

Стандартные платформы отвечают требованиям будущих систем

В новых высокопроизводительных приложениях, где требуется очень широкая полоса пропускания, стандарт CompactPCI Serial предлагает использовать достижения новейших технологий ввода-вывода. Эта спецификация предоставляет, кроме того, возможность повысить производительность существующих систем CompactPCI на базе стандартной платформы, обеспечивая огромную пропускную способность с помощью таких интерфейсов, как PCI Express (до 8 Гпередач/с), SATA/SAS (до 6 Гбит/с), USB 2.0/3.0 и Ethernet до 10 Gigabit.

Поддерживая новые последовательные интерфейсы двухточечной связи, спецификация CompactPCI Serial способствует развитию вычислительных средств, начиная с шинных систем, в которых применяются специализированные периферийные компоненты, и заканчивая сложными системами с последовательными интерфейсами и более эффективной топологией типа «звезда». Поскольку компоненты SATA, USB и Ethernet пользуются собственной выделенной линией связи, скорость передачи данных в промышленных системах увеличивается. При этом отсутствуют потери в полосе пропускания, которые наблюдаются при использовании протокола параллельной шины PCI.