MicroTCA-Systeme haben bis zu zwölf Steckplätze für AMC-Module und erfordern mindestens einen, bei redundantem Aufbau sogar zwei MCHs (MicroTCA Carrier Hub). Diese Komponenten beinhalten Funktionen, die für den Betrieb eines Systems notwendig sind, beispielsweise das Switching der Verbindungen zwischen den AMC-Modulen, das System- Management und die Taktgenerierung. Der Funktionsumfang eines MCH lässt sich jedoch nur in gewissem Rahmen variieren. Hinzu kommen noch bis zu vier Power-Module (PM). Insgesamt führt das zu Systemkosten und Chassis-Abmessungen, die den Kostenrahmen industrieller Applikationen sprengen.

Beschränkung aufs Wesentliche

Simple MicroTCA (SMTCA) beschreibt dagegen Gehäusesysteme mit AMC-Steckplätzen, die ohne Carrier-Hubs und Power-Module auskommen. Das reduziert die Kosten eines SMTCA-Aufbaus mit Prozessor-Modul auf etwa ein Drittel eines MicroTCA-Systems, konkret: 3000 Euro. Damit liegen die Systeme im Bereich klassischer Industrie-PCs, bieten aber die Modularität eines MicroTCA-Aufbaus. Voraussetzung dafür ist die Reduzierung und eindeutige Definition der MicroTCA- Funktion:

In Vorbereitung: Simple-MicroTCA-System mit neun AMC-Steckplätzen (Mid-Size ) für die Wandmontage.

Die Analyse der möglichen Interfaces zu den I/O-Modulen ergab, dass unter den Gesichtspunkten von Kosten, Leistungsfähigkeit und langfristiger Verfügbarkeit PCIexpress (PCIe) das optimale Interface ist. Für Standard-I/O-Funktionen in Industrie- Anwendungen reichen PCIe-×1-Verbindungen aus, da selbst eine Gigabit- Ethernet-Schnittstelle kaum mehr Bandbreite nutzen kann.

Der Aufbau im Detail

Bei SMTCA ist der Steckplatz 1 für den CPU-Slot reserviert. Die Ports Nummer 4 bis 11 (zwei PCIe-×4-Lanes) des CPUSlot sind auf einen PCI-express-Switch des SSM geführt. Von hier aus werden die I/O-Steckplätze mit acht einzelnen PCIe-×1-Verbindungen angesprochen. Diese Konfiguration setzt ein CPU-Modul mit einem PCIe-×8-Port oder mit zwei PCIe-×4-Ports voraus - eine Funktionalität, die fast alle AMC-CPUs haben. Natürlich lassen sich die I/O-Steckplätze auch mit CPU-Modulen bestücken, denen in jedem Fall ein PCIe-×1-Port zur Verfügung steht. Zusätzlich können benachbarte Steckplätze über die AMC-Ports 0 bis 3 und 8 bis 11 (Fat Pipes) auch direkt angesprochen werden.

Da bestimmte Module (AMC.2 Typ E1 oder E2) die AMC-Ports 0 und 1 für Ethernet-Interfaces verwenden, definiert SMCTA für diese Ports ebenfalls direkte Verbindungen zwischen den benachbarten Steckplätzen. Dies gilt auch für die AMCPorts 2 und 3 (AMC.3), die normalerweise für SATA- oder SAS-Schnittstellen (Serial-Attached-SCSI) zum Anschluss von Massenspeichern verwendet werden. Weitere feste Verbindungen ermöglichen die direkte Kommunikation der I/O-Module untereinander. Die AMC-Ports 0 und 1 des CPU-Slot sind über ein Kabel-Interface und RJ-45-Buchsen aus dem System geführt. Damit stehen je nach verwendetem CPU-Modul ein oder zwei Gigabit- Ethernet-Ports extern zur Verfügung.

Eine 12-V-Stromversorgung ersetzt das aufwendige PM (Power-Modul) der MicroTCA-Spezifikation. Eingangsseitig sind AC- oder DC-Einspeisung sowie auch redundante oder externe Stromversorgungen möglich. Die relativ geringe Leistung für die Management-Spannungsversorgung wird vom Support-Modul (SSM) geliefert.

Die Entwicklung von AMC-Modulen (hier ein Carrier-Board) mit industriespezifischen Schnittstellen ist bereits angelaufen.

Zu den Funktionen des MicroTCA PMs gehört auch die Steuerung der Versorgungsspannungen der AMC-Steckplätze. Ein SMTCA-System stellt die gleiche Funktionalität zur Verfügung und bietet Hot-Swap-Fähigkeit für alle AMC-Steckplätze.

Das SSM generiert für alle AMC-Steckplätze den PCIe-Takt (FLCKA), standardmäßig als Spread-Spectrum-Clock oder alternativ als festen 100-MHz-Takt. Weiterhin überwacht das SSM die Versorgungsspannungen der bis zu acht Lüfter eines Systems und signalisiert den System- Status über eine LED. Diese Aufgaben übernimmt der Carrier-Management-Controller (SCMC) auf dem SSM, der auch die Verbindung zu den Management- Ports der AMC-Steckplätze herstellt. Über den Fast-Ethernet-Port steht das Management- Interface auch extern zur Verfügung.

Upgrade-Fähigkeit bleibt erhalten

Simple MicroTCA beschreibt einen Systemaufbau mit einem CPU-Slot und bis zu 8 I/O-Slots. Prinzipiell lassen sich aber auch mehr I/O-Steckplätze realisieren. Grundsätzlich ist der Einsatz aller AMCFormate in einem SMTCA-System möglich. Die Spezifikation empfiehlt Single Mid-Size als Standardformat. Die ersten Systeme bieten jeweils neun Mid-Size- Steckplätze und sind in Stromversorgung und Kühlung gemäß MicroTCA-Spezifikation für 40W Leistungsaufnahme pro AMC-Steckplatz ausgelegt. Da diese hohe Leistungsaufnahme in Industrieanwendungen meist nicht oder nur in einzelnen Steckplätzen benötigt wird, gibt es auch Ausführungen mit geringerer Netzteilleistung. In Entwicklung ist ein weiteres Chassis mit 150 mm × 200 mm × 240 mm für Wandmontage.

Aufgrund der Systemkosten bisheriger MicroTCA-Systeme gibt es noch keine Akzeptanz im industriellen Umfeld - und daher auch keine AMC-Module, die den typischen Funktionsumfang industrieller Applikationen abdecken. Daher wurden bereits Entwicklungen angestoßen, um zusammen mit anderen Anbietern eine Palette an AMC-Modulen mit analog/digitalen I/Os, CAN-Interface, seriellen Schnittstellen und Ethernet/Feldbus-Kopplungen aufzubauen. Fehlende Funktionen lassen sich bei Bedarf über zwei Carrier-Boards von TEWS Technologies und NAT für IPund PMC-Module integrieren.
Der definierte Funktionsumfang eines Simple-MicroTCA-Systems verringert die Systemkosten und ermöglicht damit den Einsatz in vielen Anwendungsbereichen, zum Beispiel in der Medizintechnik, Industrieautomation, Verkehrstechnik, Wehrtechnik - und auch in der Telekommunikation. Der AMC-Standard als gemeinsame Basis ermöglicht einer Applikation jederzeit das Upgrade vom Simple- auf ein Standard-MicroTCA-System.

Autor: Thomas Hannemann ist Geschäftsführer der Powerbridge Computer GmbH in Burgwedel