Technologischer Fortschritt hat seine Tücken – speziell bei modularen PC-Plattformen. Denn oft sind Anwender gezwungen, eine „Ganz-oder-gar-nicht“-Entscheidung zu treffen: Entweder die Applikation komplett auf die neue Architektur umstellen oder mit dem weniger leistungsfähigen System weiterarbeiten, um die Investitionen in die bestehende Technologie zu bewahren. In der Praxis führt das dazu, dass für eine gewisse Zeit beide Technolo­gien – alt und neu – so lange parallel eingesetzt werden müssen, bis alle Funktionen der alten Hardware nach und nach auf der neuen Plattform zur Verfügung stehen.

Die PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) hat dies bei CompactPCI Serial (CPCI-S.0) berücksichtigt: Aufbauend auf der CompactPCI-Architektur wurde deren Modularität und robuster Aufbau mit schnellen seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen kombiniert. Um keinen scharfen Schnitt zu CompactPCI und dessen paralleler Busstruktur zu haben, hat die PICMG mit CompactPCI-PlusIO (PICMG 2.30) als Unterspezifikation zum CompactPCI-Standard eine Migrationslösung definiert.
In den letzten Jahren hat man den parallelen PCI-Bus um schnelle, serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen erweitert, zum Beispiel SATA, SAS, USB, Ethernet und PCI-Express.

Diese Kommunikationsschnittstellen werden aber nicht mehr mit einzelnen Controller-Chips realisiert, die ihrerseits über den parallelen PCI-Bus miteinander verbunden sind. Moderne Chipsätze kombinieren diese Schnittstellen in einem einzigen Chip. Diese Entwicklung hat Konsequenzen für die Struktur eines Rechners, der sich von einem busbasierten Aufbau zu einer Sternarchitektur mit seriellen Verbindungen zu den Peripherie-Geräten wandelt. Der Vorteil dieser Architektur liegt in den hohen Datenraten ohne Bandbreitenverluste.  Die Sternarchitektur von CompactPCI Serial kommt ohne zusätzliche Hardware wie Switches, Bridges oder Fabrics aus, ist also einfach und preisgünstig zu realisieren.

Von parallel zu seriell

Für Standard-Computer mag diese einfache Struktur vollkommen ausreichen, für anspruchsvolle, über Ethernet vernetzte Multicomputer-Systeme allerdings nicht. Der Grund: Durch die Full-Mesh-Architektur von CompactPCI Serial können alle Ethernet-Interfaces ohne den Einsatz von Switch-Fabrics direkt miteinander kommunizieren. Dies erlaubt einen schnellen und einfachen Aufbau von Multi-Processing-Systemen und CPU-Clustern, sogar ohne eine spezielle Software.

In solchen vermaschten Netzwerken ist jedes Board über ein Ethernet-Interface mit jedem anderen Board verbunden. Da CompactPCI Serial für bis zu neun Steckplätze auf einer Standard-Busplatine spezifiziert wurde, sind dafür jeweils acht Ethernet-Interfaces auf einem Board notwendig. Somit kann jedes Board mit jedem anderen kommunizieren – ohne Switch und Co. Entsprechend den Anforderungen der nächsten Generation serieller Bussysteme wie SATA 3.0, USB 3.0, PCIe 2.0 und 10 GBase-T-Ethernet wurde ein Stecker mit hoher Signaldichte und mit einer wesentlich höheren Übertragungsfrequenz spe­zifiziert, als sie der bisherige Com­pact­PCI-Standard Serial benötigt. Der im CompactPCI-Serial-Standard eingeführte Stecker AirMaxVS der Firma FCI (Second Source: Amphenol TCS), schafft Übertragungsfrequenzen von über 12 GBit/s und bietet Platz für bis zu 176 Pin-Paare oder 352 Einzelsignale auf einem 3HE-Board. Die hohe Anzahl Pins ist nicht nur wegen der Sternarchitektur wichtig, die bis zu 120 freien Pin-Paare stehen als 3HE-Rear-I/O für die Kommunikation mit kundenspezifischen Peripheriebaugruppen zur Verfügung.

Im Gegensatz zu CompactPCI befindet sich bei CPCI Serial der Stecker nun auf dem Board, die Buchse auf der Backplane. Dies verhindert einerseits verdrückte Pins und schließt eine Verwechslung der Boards aus. Eine Peripheriebaugruppe (3HE) ist meist nur mit einem einzigen Steckverbinder bestückt, was Kosten spart. Während bei CompactPCI der große Steckverbinder für die Stabilität des Boards sorgte, wurde bei CompactPCI Serial ein so genanntes Guide-Element eingeführt, um die Karte nochmals auf der Rückwand zu positionieren und zu stabilisieren. Ein Durchbiegen der Leiterplatte wird so vermieden sowie die Belastbarkeit bei Schock und Vibration erhöht.

Aus Fehlern früherer Spezifikationen gelernt

Bei der Definition des CPCI-S.0-Standards standen drei Faktoren im Vordergrund: Die Nutzung serieller Schnittstellen anstelle paralleler Busse, kostenoptimiertes, robustes Design sowie die Rückwärtskompatibilität zu existierenden Lösungen.

© MEN

Neben schneller serieller Datenübertragung liegt ein weiterer Vorteil des Standards in der konsistenten Pinbelegung. Um hier die Interoperabilität zwischen CPU-Boards mehrerer Hersteller zu gewährleisten, schreibt der CompactPCI-Serial-Standard nun explizit vor, in welcher Reihenfolge die Schnittstellen auf dem Stecker „aufzufüllen“ sind. Dies gewährleistet, dass beispielsweise nicht das PCIe-Interface des einen Herstellers mit der Belegung eines anderen Herstellers kollidiert.

Laut dieser Implementierungsreihenfolge werden Karten mit PCIe, USB und Ethernet aufsteigend implementiert, beginnend bei Slot 1, dann Slot 2 und so weiter. SATA jedoch wird absteigend beginnend mit Slot 8 (bei einem System mit 9 Steckplätzen) aufgefüllt. Um keinen scharfen Technologie-Schnitt zu erzwingen, wurde Compact­PCI-PlusIO als Unterspezifikation ent­wickelt. PlusIO definiert für den CompactPCI-Systemslot (32 Bit) das Pinout des P2-Steckverbinders für die vier seriellen Busse PCIe 2.0, GbE, SATA 3.0 und USB 3.0. Somit ist ein Aufbau von hybriden Systemen mit „alten“ CompactPCI-Komponenten und CompactPCI-Serial-Baugruppen möglich. Dazu unterstützt die System-Slot-CPU sowohl den parallelen CompactPCI-Standard (PICMG 2.0) als auch CompactPCI-Serial (PICMG CPCI-S.0).

Die CPU kommuniziert über den P1-Steckverbinder mit den parallelen CompactPCI-Slots, über den P2-Bereich mit den seriellen Slots. Hybrid-Backplanes verschiedener Hersteller erlauben die Konfiguration mit Peripheriekarten links und rechts des System-Slots – im Maximalausbau bis zu sieben parallele und maximal vier serielle Karten in einem Rack. Komponenten wie analoge oder binäre I/O-Karten (CompactPCI) können auf diese Weise weiterhin erhalten bleiben. Daher brauchen nur die speziellen Funktionen auf CompactPCI Serial umgestellt zu werden, die eine der seriellen Schnittstellen oder mehr Bandbreite benötigen.

Renaissance der Affenschaukel

In der Fahrzeug-Entwicklung kommen die Vorteile von cPCI-Serial zum Tragen: rob­us- te Mechanik, kombiniert mit hoher Rechenleistung und Kommunikationsbandbreite.

© MEN

Was tun, wenn keine der Standard-Hybrid-Backplanes für die neue Anwendung passt oder mehr als vier serielle Peripheriekarten benötigt werden und zudem die (anfänglichen) Stückzahlen zu gering sind, um eine kundenspezifische Backplane-Entwicklung zu rechtfertigen? Auch für diese Szenarien wurde von MEN eine Lösung entwickelt. In diesem Fall werden die beiden Welten – CompactPCI Serial und CompactPCI – über ein spezielles Kartenpaar ge­koppelt: Eine Steckkarte bildet die Schnittstelle von CompactPCI-Serial zu CompactPCI und steckt in einem Peripherie-Slot der cPCI-Serial-Backplane.

Die zweite Steckkarte ersetzt die System-Slot-CPU auf der CompactPCI-Backplane und ist über ein klassisches Steckerkabel mit der Schnittstellenkarte im CompactPCI-Serial-System verbunden. Da beide Standards die 19-Zoll-Mechanik nutzen, kann diese Lösung in einem Rack untergebracht werden. Rechnet sich bei größeren Stückzahlen die Entwicklung einer kundenspezifischen Backplane, kann die auf PCI-Express basierende Verbindungsleitung über Rear-I/Os erfolgen. Dann wird lediglich die Schnittstellenkarte auf der CompactPCI-Seite benötigt.

Vor allem Anwendungen in der Industrie, Luft- und Raumfahrttechnik, Medizintechnik und im Transportwesen, aber auch bestehende Telekom­munikations­systeme auf CompactPCI-Basis werden vom seriellen CompactPCI-Standard profitieren. Zusätzlich gibt es im industriellen Umfeld viele Anwendungen im Grenzbereich, die versuchen, mit Motherboard-basierenden Industrie-PCs auszukommen. Für einen Teil dieser Anwendungen bietet sich CompactPCI-Serial als Alternative an, insbesondere da sich die Kosten für einen Highend-Industrie-PC mittlerweile etwa auf dem gleichen Niveau befin­den wie die Kosten für ein modulares Computer-System.

Servertechnologie kommt im Embedded-Markt an

Optimale Nutzung der PCI-Express-basierten Grafikausgabe: Ansteuerung von 32 Bildschirmen mit acht Grafikkarten à vier DisplayPorts im 9-Slot-Standardsystem.

© MEN

Neue Anwendungen benötigen eine beträchtliche Bandbreite und Datenverwaltungskapazitäten. Daher werden in Zukunft immer mehr Technologien aus dem Bereich der Server-Anwendungen im industriellen Embedded-Markt ankommen. Dies trifft vor allem deshalb zu, weil die Datenintegrität für datenzentrierte Anwendungen wie beispielsweise Videoüberwachung höchste Priorität hat. So erobern Technologien, die ursprünglich für Rechenzentren entwickelt wurden, inzwischen raue und mobile Anwendungsfelder. Echtzeit-Fähigkeit ist eine weitere Herausforderung bei Video- oder Audio-Anwendungen. Mit CompactPCI-Serial-Systemen können Kraftwerks-Leitwarten und Stellwerke flexibel ausgerüstet werden – bis hin zu kompletten Monitorwänden.

Aktuelle Grafik-Chips unterstützen die Ansteuerung von bis zu vier hochauflösenden Displays per DisplayPort. Ein CompactPCI-Serial-System kann bis zu acht solcher Grafikkarten aufnehmen und in Verbindung mit geeigneter Software bis 32 Bildschirme ansteuern. Exemplarisch für eine Grafikanwendung mit hoher Rechenperformance ist ein aktuelles Projekt der Firma MEN – ein optisches Anti-Kollisionssystem für zivile Flugzeuge. Zu Forschungszwecken wird derzeit eine Drohne eingesetzt. Sie verfügt über drei Kameras, die jeweils von einem Rechner gesteuert werden, und eine zusätzlichen CPU für deren Koordination. Via Full-Mesh-Ethernet vernetzt, stellen insgesamt vier CompactPCI-Serial CPU-Boards die Performance für die aufwendige Bildverarbeitung bereit.

Auch bei HiL-Anwendungen (Hardware in the Loop) im Automotive-Test-Bereich werden hohe Datenübertragungsraten und Aufzeichnungskapazitäten gefordert. Bisher eingesetzte parallele Architekturen wie Compact­PCI können deshalb nicht mehr mithalten. Hier sind Systeme mit PCI-Express, SATA, USB, Gigabit-Ethernet, leistungsstarken PMC- und XMC-Modulen und High-End-Grafik gefragt. Erste reine CompactPCI-Serial-Systeme sind bereits in Testfahrzeugen namhafter deutscher Automobilher­steller im Einsatz. Die Entwickler testen damit die Fahrzeug-Elektronik, wie Anti-Kollisionsverhalten, Spurhalten, Stopp- und Anfahrtsautomatik oder auch mögliche Einparkhilfen. Via WiFi können die aufgezeichneten Messdaten zur weiteren Verarbeitung und Analyse an das Rechenzentrum zur Diagnose übermittelt werden.

Autor: Angela Bieber arbeitet im Marketing bei MEN Mikro Elektronik in Nürnberg.