摘要：PICMG倡導(dǎo)的ATCA，因?yàn)榫哂邢冗M(jìn)的性能、開放的架構(gòu)和高度的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，正在被越來(lái)越多的高性能計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)服務(wù)商選定為新一代產(chǎn)品的解決方案。PICMG近發(fā)布的MicroTCA，充分采納、沿用了ATCA 的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，以更小的空間、更緊湊的結(jié)構(gòu)，為下一代網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)提供了更好的解決方案。本文將對(duì)MicroTCA的特點(diǎn)和在下一代工業(yè)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用方式進(jìn)行具體的介紹。

　　引言

　　隨著業(yè)務(wù)和內(nèi)容的不斷豐富、技術(shù)和市場(chǎng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和廣播電視網(wǎng)絡(luò)都在經(jīng)歷翻天覆地的變化。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從復(fù)雜向簡(jiǎn)單演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從專有系統(tǒng)向通用系統(tǒng)演進(jìn)。在這個(gè)變化過(guò)程中，PICMG倡導(dǎo)的ATCA、MicroTCA技術(shù)規(guī)范，因?yàn)榫哂邢冗M(jìn)的性能、開放的架構(gòu)和高度的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，正在被越來(lái)越多的通信設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)服務(wù)商選定為新一代網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品的解決方案。無(wú)論是有線網(wǎng)絡(luò)，還是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從邊緣層的業(yè)務(wù)接入設(shè)備，到層的業(yè)務(wù)處理設(shè)備，ATCA、MicroTCA都顯露出巨大的應(yīng)用前景。

　　3.125Gb/s的高速數(shù)據(jù)鏈路，2.4TB/s的背板傳輸帶寬，200W/slot的電源供應(yīng)，強(qiáng)勁的通風(fēng)散熱能力，完善的系統(tǒng)管理功能，完全的Redundant FRU設(shè)計(jì)理念，這些優(yōu)越的性能無(wú)一不是新一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的規(guī)劃和設(shè)計(jì)者們所企盼的。

　　與任何一個(gè)新技術(shù)一樣，在沒(méi)有獲得規(guī)模應(yīng)用之前，在產(chǎn)業(yè)化環(huán)境沒(méi)有建立和完善之前，ATCA/MicroTCA在提供高性能解決方案的同時(shí)，也因?yàn)槠湎鄬?duì)較高的成本，為初期應(yīng)用者設(shè)置了比較大的障礙。

　　DINTEK從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)小型系統(tǒng)和產(chǎn)品開發(fā)，設(shè)計(jì)了2U ATCA 系統(tǒng)，以緊湊的結(jié)構(gòu)，優(yōu)越的性能，為初期應(yīng)用者提供了一個(gè)低成本的ATCA、MicroTCA的開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)。

　　1、工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展

　　從PCI到CompactPCI到AdvancedTCA，工業(yè)計(jì)算機(jī)正經(jīng)歷革命性的變化。

　　傳統(tǒng)的PCI結(jié)構(gòu)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，是一種典型的計(jì)算架構(gòu)。高度集中的數(shù)據(jù)處理方式、不可擴(kuò)展的系統(tǒng)總線、功能簡(jiǎn)單的外圍設(shè)備是這種傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的的特點(diǎn)。在這樣的系統(tǒng)中，CPU或主板是整個(gè)系統(tǒng)的“計(jì)算中心”，PCI總線是數(shù)據(jù)傳遞的通道，數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)傳輸能力、系統(tǒng)擴(kuò)展能力等方面都受到很大的制約，任何一點(diǎn)形成瓶頸或發(fā)生故障都會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)陷入癱瘓。這一切，使傳統(tǒng)的PCI結(jié)構(gòu)的工業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用受到很多限制。

　　在PCI基礎(chǔ)上發(fā)展而成的CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)，是一種比較先進(jìn)的擴(kuò)展的計(jì)算架構(gòu)。在這種新型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，CPU或主板不再是整個(gè)系統(tǒng)的“計(jì)算中心”，外圍設(shè)備更加智能化和模塊化，集中分散式的數(shù)據(jù)處理方式取代了高度集中的數(shù)據(jù)處理方式；PCI總線也不再是數(shù)據(jù)傳遞的通道，大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以通過(guò)星型或雙星結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)交換總線進(jìn)行傳輸，也可以通過(guò)擴(kuò)展的H.110通信總線或客戶自定義的方式實(shí)現(xiàn)更多的業(yè)務(wù)。CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)，采用了比PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)更加穩(wěn)固的、易于維護(hù)的、具有良好散熱特性和EMC特性的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用了開放化、模塊化的、可擴(kuò)展的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了熱拔插、系統(tǒng)管理、冗余設(shè)計(jì)等先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，因此，具有更高的性能和可靠性，正在被越來(lái)越多的應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)測(cè)控、航空航天和國(guó)防等關(guān)鍵行業(yè)。

　　無(wú)論是PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)還是CompactPCI工業(yè)計(jì)算機(jī)，都沒(méi)有擺脫傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)和電平方式傳輸?shù)牟⑿锌偩€，這成為影響其性能進(jìn)一步提高的的障礙。

　　PICMG于2002年發(fā)布的ATCA（Advanced Telecommunication Computing Architecture）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以先進(jìn)的通信架構(gòu)取代傳統(tǒng)的計(jì)算架構(gòu)，以低壓差分方式的高速串行總線取代電平方式的低速并行總線，以可配置的多樣化的接口和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取代單一的PCI傳輸模式。這種革命性的變化，使工業(yè)計(jì)算機(jī)徹底擺脫了各種制約，進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)期。ATCA因?yàn)榫哂懈冗M(jìn)的性能、更好的模塊化的結(jié)構(gòu)和更加完善的系統(tǒng)管理方式，正在被越來(lái)越多的高性能計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)服務(wù)商選定為新一代產(chǎn)品的解決方案。

　　PICMG近發(fā)布的MicroTCA（Micro Telecommunications Computing Architecture）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，充分采納、沿用了ATCA 的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，把ATCA中的AMC模塊（Advanced Mezzanine Card）作為系統(tǒng)的基本配置單元，以更小的體積、更緊湊的結(jié)構(gòu)和相對(duì)較低的系統(tǒng)成本，為下一代工業(yè)計(jì)算機(jī)和測(cè)控系統(tǒng)提供了更先進(jìn)的解決方案。

　　MicroTCA是PICMG發(fā)布的、基于ATCA和AMC結(jié)構(gòu)的、面向未來(lái)網(wǎng)絡(luò)低成本應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與ATCA一樣，MicroTCA也是一個(gè)先進(jìn)的計(jì)算和通信平臺(tái)，它的基本模塊就是ATCA中的AMC，二者的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣特性、接口類型等都完全相同。也就是說(shuō)，AMC模塊可以直接應(yīng)用于MicroTCA。

　　MicroTCA定義了一種新型模塊--MCH（MicroTCA Controller & Hub），它是MicroTCA系統(tǒng)的控制、管理和數(shù)據(jù)交換模塊，之前曾被稱為虛擬載卡管理器（VCM--Virtual Carrier Manager）。即，MicroTCA系統(tǒng)的MCH相當(dāng)于ATCA系統(tǒng)的ShMC+Fabric+Carrier。MCH采用了與AMC完全相同的連接方式，結(jié)構(gòu)尺寸與半寬全高的AMC模塊完全相同，連接方式也完全相同。

　　MicroTCA還特別定義了標(biāo)準(zhǔn)的Power Module，把背板輸入的DC48V電源轉(zhuǎn)換成DC12V，為MCH和其他MicroTCA模塊提供電源供應(yīng)和功率管理功能，類似于ATCA系統(tǒng)的PEM和載卡上的DC/DC Converter。 MicroTCA的Power Module也采用了與半寬全高AMC模塊完全相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但是，為了保證電源供應(yīng)能力，采用了與AMC不同的連接方式

　　2、MicroTCA的技術(shù)特點(diǎn)

　　MicroTCA是一個(gè)完全模塊化的系統(tǒng)平臺(tái)，主要包括AMC模塊、MCH模塊、電源模塊、高速背板、機(jī)箱和風(fēng)扇模組等部分。MicroTCA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MicroTCA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    MicroTCA的功能模塊有6種可選擇的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如圖2所示。

圖2 AMC的標(biāo)準(zhǔn)尺寸

    AMC是MicroTCA的基本功能模塊，它與ATCA中的AMC在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣特性、接口類型和連接方式等方面都完全兼容。ATCA中的AMC可以直接應(yīng)用于MicroTCA。用AMC可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理（CPU/NPU/DSP/FPGA）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（CF/HDD/CDR）、數(shù)據(jù)通信（GbE/10GbE/xDSL/xPON/RF）和數(shù)據(jù)I/O功能。與CPCI系統(tǒng)的PMC模塊（PCI Mezzanine Card）相比，AMC在結(jié)構(gòu)、功能、性能、互連方式和擴(kuò)展能力等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。

表1 AMC模塊與PMC模塊的對(duì)比

表2 AMC的背板接口類型

    MCH（MicroTCA Controller & Hub）是MicroTCA的系統(tǒng)控制、管理和數(shù)據(jù)交換模塊，之前曾被稱為虛擬載卡管理器（VCM--Virtual Carrier Manager），即，MicroTCA系統(tǒng)的MCH相當(dāng)于ATCA系統(tǒng)的交換模塊+AMC載卡+機(jī)箱管理模塊（Fabric+Carrier+ShMC）。每個(gè)MCH可以對(duì)12個(gè)AMC提供數(shù)據(jù)交換和管理功能，每個(gè)系統(tǒng)多可以有4個(gè)MCH通過(guò)Update Channel互連，實(shí)現(xiàn)多達(dá)48個(gè)AMC的數(shù)據(jù)交換和管理。MCH的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 MCH的結(jié)構(gòu)框圖

    每個(gè)AMC多可以有21個(gè)可配置的高速數(shù)據(jù)接口，每個(gè)MCH多可以有60個(gè)可配置的高速數(shù)據(jù)接口，這些接口通過(guò)MicroTCA背板及MCH的交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。AMC模塊可以通過(guò)MCH在背板上以star、dual star、star fabric方式連接，也可以不通過(guò)MCH，在背板上實(shí)現(xiàn)mesh結(jié)構(gòu)的點(diǎn)到點(diǎn)的直接連接。

圖4 Dual star 結(jié)構(gòu)的MicroTCA系統(tǒng)互聯(lián)方式

    MicroTCA的Power Module，把系統(tǒng)輸入的DC48V電源或AC電源轉(zhuǎn)換成DC12V，通過(guò)背板為其他MicroTCA模塊提供電源供應(yīng)和功率管理功能，類似于ATCA系統(tǒng)的PEM和載卡上的DC/DC Converter。每個(gè)Power Module有16個(gè)DC輸出通道，可分別對(duì)12個(gè)AMC、2個(gè)MCH和2個(gè)風(fēng)扇模組供電。與CPCI電源一樣，MicroTCA的Power Module也支持N+1的冗余工作模式。

    MicroTCA的每個(gè)模塊都有兩個(gè)IPMI接口，Power Module通過(guò)IPMB-0對(duì)MCH進(jìn)行在位偵測(cè)和上電控制，MCH通過(guò)IPMB-L對(duì)所有AMC模塊進(jìn)行在位偵測(cè)、使能和物理地址識(shí)別，所有的MCH和AMC都可以通過(guò)特定的IP接口與上的系統(tǒng)管理模塊相連，實(shí)行更為復(fù)雜的系統(tǒng)監(jiān)控、配置和管理功能。

    由于要面向小規(guī)模的系統(tǒng)應(yīng)用，MicroTCA采用小尺寸、細(xì)顆粒的功能模塊的同時(shí)，也采用了符合IEC 60297、 IEC 60917的非常靈巧的機(jī)箱結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)配置規(guī)模和應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇。圖5是幾種典型的MicroTCA機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意。

圖5 MicroTCA的機(jī)箱結(jié)構(gòu)

    在可靠性設(shè)計(jì)方面，MicroTCA也根據(jù)不同的應(yīng)用要求提供了不同的選擇。比如，在可靠性要求低的系統(tǒng)中，可以只有1個(gè)MCH和Power Module、采用簡(jiǎn)單的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以只有1組風(fēng)扇甚至沒(méi)有風(fēng)扇，可以沒(méi)有系統(tǒng)監(jiān)控和機(jī)箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求比較高的系統(tǒng)中，MCH、Power Module和風(fēng)扇模組要采用1+1冗余，MCH和AMC模塊之間的通信要采用雙星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要有基本的系統(tǒng)監(jiān)控和機(jī)箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求更高的環(huán)境，多個(gè)MCH和AMC之間的通信則要采用Star Fabric或Full Mesh的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和機(jī)箱管理系統(tǒng)等也要采取更多的HA（High Available）設(shè)計(jì)。

    3、MicroTCA的應(yīng)用前景

    從前面的介紹可以看出，MicroTCA具有如下先進(jìn)特性：

• 完全兼容AMC和ATCA
• 標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊
• 可配置的業(yè)務(wù)類型
• 可擴(kuò)展的背板傳輸帶寬
• 緊湊的物理結(jié)構(gòu)
• 靈活的應(yīng)用方式
• 梯級(jí)化的可靠性設(shè)計(jì)
• 較低的開發(fā)和應(yīng)用成本
• 較少的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間
• 更長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期
• 可靠性能高達(dá)99.999%
• 可選冗余的配置
• 支持所有類型的AMC模塊
• 可選支持熱插拔的Virtual Carrier
• 支持全高的AMC模塊 

    MicroTCA雖然是PICMG發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，但是由于它是從ATCA和AMC發(fā)展而來(lái)，產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用環(huán)境都已經(jīng)基本形成，再加上PICMG數(shù)百家成員的積極推動(dòng)，必將在新一代的網(wǎng)絡(luò)通信邊緣接入設(shè)備、嵌入式測(cè)量和控制設(shè)備、圖形圖像處理設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、智能交通、航空航天和等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。

圖6 MicroTCA的市場(chǎng)預(yù)測(cè)

　　4、MicroTCA的應(yīng)用

　　由于MicroTCA結(jié)構(gòu)和性能上的特點(diǎn)，使我們能用它實(shí)現(xiàn)一個(gè)成本更低，外形更小的系統(tǒng)，使用的AMC模塊，依然延續(xù)ATCA的高可靠性。

　　無(wú)線基站

　　ATCA的高帶寬、冗余性，大容量板卡，高功率容量使得其非常適合于大規(guī)模，高可靠性的電信系統(tǒng)，如RNC及其他設(shè)備。而MicroTCA更低廉的成本，更小的物理形式，模塊化和高靈活性，VC Mgr提供的控制能力與AMC模塊強(qiáng)大的處理能力使其成為無(wú)線基站的理想選擇。

　　路由器

　　MicroTCA背板上強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信能力與模塊化特性使其非常適合數(shù)據(jù)包路由應(yīng)用。VC Mgr提供交換結(jié)構(gòu)與控制，而AMC模塊可支持多種I/O接口并提供強(qiáng)大的包數(shù)據(jù)處理能力。MicroTCA的冗余特性更提高了可靠性。

　　VoIP Node

　　各種各樣的VoIP boxes都可以用MicroTCA實(shí)現(xiàn)。VC Mgr提供交換結(jié)構(gòu)與控制，而AMC模塊可以是網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)字信號(hào)處理器，甚至簡(jiǎn)單的處理電話程序的處理器，等等，配置非常靈活。MicroTCA的冗余性和5個(gè)九的高可靠性也保證了其能勝任這種關(guān)鍵的電信應(yīng)用。

　　MicroTCA的應(yīng)用還可以擴(kuò)展到其他諸如Wi-Fi/Wi-Max Radio盒，光纖到路邊光學(xué)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，安全設(shè)備等等，可以說(shuō)，MicroTCA無(wú)疑是ATCA的完美補(bǔ)充。

　　5、MicroTCA的優(yōu)勢(shì)

　　MicroTCA極大的擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍并有效的降低成本。MicroTCA的機(jī)箱接受任意不同形狀的AMC模塊，包括單寬，雙寬，全高，半高任意形式的組合。這樣，應(yīng)用的范圍更多樣化了。從開始設(shè)想的電信/企業(yè)應(yīng)用，擴(kuò)展到現(xiàn)在的柵極計(jì)算技術(shù)，Wi-Fi，Wi-Max，醫(yī)療，工業(yè)等……這些都是因?yàn)锳MC模塊及MicroTCA的技術(shù)特性所提供與保障的。

　　MicroTCA使用標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，都是在功能上可以互換的部件，應(yīng)用范圍的增大能使AMC模塊的產(chǎn)量增加，從而也有助于成本的降低。并且，與全副武裝的ATCA shelf相比，MicroTCA除去了交換卡和ShMC，還可以根據(jù)對(duì)系統(tǒng)能力的不同要求而更的計(jì)算成本，實(shí)現(xiàn)更低成本的配置。

　　6、參考文獻(xiàn)

    本文根據(jù)PICMG Micro Telecommunications Computing Architecture Short Form Specification MTCA.0 , September 21st, 2006編寫，部分圖片和數(shù)據(jù)摘自MTCA.0及PICMG成員的研究。

    由于MicroTCA還在繼續(xù)發(fā)展和完善之中，作者對(duì)這一新技術(shù)的理解也不夠全面和深入，所以，本文內(nèi)容僅供參考，請(qǐng)勿作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]. PCI datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/PCI_1201469.html.
[2]. EMC datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/EMC_2342312.html.