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簡潔高效的下一代工業計算機——CompactPCI Serial規范概述

      CompactPCI Serial是國際PICMG組織定義的CompactPCI總線的后繼標準(版本號CPCI-S.0)。這個新結構的開發重點在于保持CompactPCI生態系統的優勢,不僅考慮到硬件設計,而且關注了軟因素的影響,包括技術人員的知識與經驗,以及產業鏈的高附加價值。

1、關于CompactPCI Serial    

CompactPCI Serial規范定義了一個模塊化計算機系統,包括:

  • 一個無源背板

  • 一個系統槽

  • 多達24個外設模板    

CompactPCI Serial定義了對PCI Express、SATA/SAS、USB和Ethernet的同步支持。PCI Express、SATA/SAS和USB是簡單的星型結構,Ethernet是全網結構。CompactPCI Serial無需交換模板。為了支持高速串行接口,新規范引入了一個新連接器,兼容IEEE1101標準。CompactPCI Serial支持的數據帶寬高達8 Gb/s PCI Express、6 Gb/s  SATA和USB 3.0、 以及10 Gb Ethernet。機械設計與CompactPCI完全兼容并且可以在現有系統中互操作。新規范允許實現混合背板設計,包括CompactPCI Serial和CompactPCI、CompactPCI PlusIO 和/或CompactPCI Express。新規范支持3U和6U模板但以3U為主。在3U設計中引入了導冷概念,允許所有模板在導冷環境工作。

2、從CompactPCI移植到CompactPCI Serial    

CompactPCI是當前主流的模塊化計算機的行業規范,IEEE 1101兼容結構的堅固性是業界公認的,其電氣接口基于并行PCI總線,這一技術正在被串行高速點到點連接所取代。CompactPCI Serial采用了與CompactPCI完全兼容的機械結構,同時采用串行互連技術。CompactPCI Serial無需專用的結構硬件。從CompactPCI移植到CompactPCI Serial可以采用相對簡單的混合系統,系統無需專門的交換模板或橋接模板,因為CompactPCI PlusIO規范(版本號PICMG 2.30)限定了接入背板的串行連接的數量,因此新的外設模板能夠插入現有的CompactPCI系統,全部結構件均與IEEE 1101兼容。


圖1  CompactPCI PlusIO結構圖    

CompactPCI PlusIO定義了在現有的CompactPCI系統中使用J2連接器以連接一些高速串行信號到背板。遵循PICMG 2.30設計的系統槽能夠控制*多七塊現有的32-bit CompactPCI外設卡以及*多四塊CompactPCI Serial外設卡,這可以通過混合背板輕而易舉的實現,因為PICMG 2.0 和 PICMG CPCI-S.0兩種規范都是IEEE 1101 兼容的。

3、CompactPCI Serial架構    

CompactPCI Serial完全采用CompactPCI的機械結構,與IEEE 1101完全兼容。只有原有的2-mm連接器被一種更先進的高密度連接器所取代,能夠支持差分信號,達到10 Gb/s以上帶寬。與CompactPCI一樣采用無源背板,3U系統的電源電壓是12V,6U系統附加48V供電,支持以太網供電應用。 與CompactPCI一樣采用專門的系統槽設計,為系統提供*低限度的集中管理功能,諸如復位和時鐘分布,這意味著一個*小CompactPCI Serial系統可以僅包括一個系統槽。外設槽以先進的串行高速點到點鏈路連接,與MicroTCA相似,但無需交換或集線器。CompactPCI Serial在背板上實現了PCI Express、SATA和USB信號的星型連接,以及Ethernet的全網連接。圖2顯示了CompactPCI Serial 星型架構。


圖2  CompactPCI Serial星型架構    

在CompacPCI Serial系統中,系統模板可以安裝在系統槽或者外設槽中,從而實現多處理功能。系統模板間的通信是用以太網通信方式實現的。 因為以太網采用xxBase-T電纜標準而不用專用背板標準,這降低了成本,保證了更好的互操作性,目前可以支持10 Gb/s 的帶寬。    

CompactPCI Serial與CompactPCI一樣支持后I/O設計,并且提供了更多的信號引腳和支持更高的帶寬。    

CompactPCI Serial采用了與CompactPCI一樣堅固的機械結構設計,支持先進的串行連接,并且無需交換模板。CompactPCI Serial適用于惡劣環境,具有成本優勢,滿足關鍵業務應用對高帶寬和可靠性的要求。

4、CompactPCI Serial機械結構    

一個基于CompactPCI Serial系統的結構部件與現有的CompactPCI系統完全一樣,規范同時定義了3U 系統和6U系統。無源背板用于連接所有模板包括后I/O,每一個模板都具有前面板或后面板,把手用于將模板插入和拔出機架。一個插槽*多安裝六個獨立的連接器,所用連接器的數量按照應用的不同而有所不同,這樣就實現了*大的可擴展性和成本經濟型。圖3展示了一個九槽3U系統的實例,該背板安裝了*大數量的連接器,提供了*大的帶寬。


圖3  3U系統的機械結構    

6U系統定義了前模板和后I/O板,與3U系統相比增加了一對連接器(J0/P0)的定義,它提供了附加的6U系統電源以及另外兩路Ethernet連接,可以用作系統管理(e.g. AMT)。背板可以是單板型(monolithic)或 拼接型(split),它還可以是用戶定制的混合背板。圖4顯示了3U和6U模板的規格尺寸。


圖4  3U和6U模板的規格尺寸    

CompactPCI Serial連接器專為高速差分信號傳輸優化,具有較好的信號屏蔽與阻抗控制。該連接器每行12個引腳,滿足4對高速差分對,另4個引腳接地。而且連接器中的引腳具有一致性,一個引腳可以用于差分信號也可以用于接地或電源信號。背板采用孔型連接器,插入模板采用針型連接器,后I/O則相反。所有的連接器都是壓接安裝(press-fit),PCB內的引腳長度是僅1.6 mm,盡可能減少信號線長度以提高信號完整性。為了實現后I/O,無源背板的背面是針型連接器。圖5顯示了6U模板后I/O的規格尺寸。


圖5  6U模板后I/O的規格尺寸   

為了保證模板連接器與背板連接器完美接觸,并且考慮到惡劣環境應用,本規范定義了背板定位軌(guide)的設計要求。在一個3U/6U系統中必須使用定位軌,并且6U系統需要使用一個額外的定位軌。如果沒有使用定位軌(特別是6U系統),那么當一個模板插入歪了或沒對準時有可能會損壞連接器。模板與定位軌的良好吻合也能提供更佳的機械穩定性。

5、CompactPCI Serial電氣要求    

背板電源分配——CompactPCI Serial依賴單一+12V 主電源。 +5V standby 是可選電源。-48V 僅用于6U系統。背板將電源電壓分配到前模板上,后I/O由相應的前模板供電。

電源控制——電源控制信號PS_ON#、PWRBTN#、PWR_FAIL# 由系統槽分配到管理插口上(utility connector)上。PS_ON# 信號允許系統板遠程控制電源,具有軟啟動/制動、網絡喚醒等功能。PWRBTN# 信號可以用于控制電源的 PS_ON# 信號,而且可以用于關閉操作系統。PWR_FAIL#信號用于顯示電源輸出電壓短時間偏離額定電壓的情況,系統板可以利用這一信息以確定的方式關閉系統,但本規范沒有定義實現的方法。

復位信號——系統槽的 PRST# 信號連接到管理插口,而系統槽的 RST# 輸出信號連接到外設槽的全部RST# 輸入信號。

喚醒信號——系統槽的 WAKE_IN# 信號連接到外設槽的全部 WAKE_OUT# 信號。

系統槽檢測——背板上的每個槽都有一個系統槽識別引腳 (SYSEN#),該 SYSEN# 引腳連接到系統槽的GND引腳而在外設槽則開路。具有系統槽支持能力的模板檢測到 SYSEN# 低電平,從而啟動系統槽功能,如RST#、PS_ON# 等。

位置尋址——由于 CPCI-S.0 規范要求每一個物理SATA 端口必須采用同樣的位置地址(因為SGPIO),使位置地址并不對應物理槽序號,而是SATA順序(filling order)。每個物理插槽由背板GA[3:0]位置尋址信號唯壹標識。CPCI-S.0 規范定義了*高槽序號是位置地址0,次一級槽序號是位置地址1,直至第一個外設槽。外設模板能夠利用基于 GA[0]、GA[1]和 GA[2]的位置尋址, GA[3] 能夠用在多于8個外設槽的系統。

系統管理——I2C 系統管理總線在電氣上兼容 SMBus 規范。系統管理總線的I2C_SCL和I2C_SDA信號連接到每個槽和管理插口。

串行 GPIO——系統槽的 SATA_SCL、SATA_SL、SATA_SDO、SATA_SDI 信號連接到外設槽的相應信號。

為了保證不同模板廠商的產品具有*大程度的兼容性,并優化廠商在系統中采用 CPCI-S.0,CompactPCI Serial標準定義了實現接口的優先順序(Filling Order)。PCIe、Ethernet 和USB 是升序的,而 SATA/SAS 是降序的。如果一個系統槽只支持部分規范定義的接口,那么外設槽的可用性就得到優化。

CompactPCI Serial架構簡潔而清晰,既可以建立經濟高效的模塊化計算機,又具有充足的靈活性設計高性能計算機。



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