简洁高效的下一代工业计算机——CompactPCI Serial规范概述
来源:    发布时间: 2013-03-17 11:32   7245 次浏览   大小:  16px  14px  12px
    CompactPCI Serial是国际PICMG组织定义的CompactPCI总线的后继标准(版本号CPCI-S.0)。这个新结构的开发重点在于保
    CompactPCI Serial是国际PICMG组织定义的CompactPCI总线的后继标准(版本号CPCI-S.0)。这个新结构的开发重点在于保持CompactPCI生态系统的优势,不仅考虑到硬件设计,而且关注了软因素的影响,包括技术人员的知识与经验,以及产业链的高附加价值。

1、关于CompactPCI Serial

    CompactPCI Serial规范定义了一个模块化计算机系统,包括:
    ·一个无源背板
    ·一个系统槽
    ·多达24个外设模板

    CompactPCI Serial定义了对PCI Express、SATA/SAS、USB和Ethernet的同步支持。PCI Express、SATA/SAS和USB是简单的星型结构,Ethernet是全网结构。CompactPCI Serial无需交换模板。为了支持高速串行接口,新规范引入了一个新连接器,兼容IEEE1101标准。CompactPCI Serial支持的数据带宽高达8 Gb/s PCI Express、6 Gb/s  SATA和USB 3.0、 以及10 Gb Ethernet。机械设计与CompactPCI完全兼容并且可以在现有系统中互操作。新规范允许实现混合背板设计,包括CompactPCI Serial和CompactPCI、CompactPCI PlusIO 和/或CompactPCI Express。新规范支持3U和6U模板但以3U为主。在3U设计中引入了导冷概念,允许所有模板在导冷环境工作。

2、从CompactPCI移植到CompactPCI Serial

    CompactPCI是当前主流的模块化计算机的行业规范,IEEE 1101兼容结构的坚固性是业界公认的,其电气接口基于并行PCI总线,这一技术正在被串行高速点到点连接所取代。CompactPCI Serial采用了与CompactPCI完全兼容的机械结构,同时采用串行互连技术。CompactPCI Serial无需专用的结构硬件。从CompactPCI移植到CompactPCI Serial可以采用相对简单的混合系统,系统无需专门的交换模板或桥接模板,因为CompactPCI PlusIO规范(版本号PICMG 2.30)限定了接入背板的串行连接的数量,因此新的外设模板能够插入现有的CompactPCI系统,全部结构件均与IEEE 1101兼容。


图1  CompactPCI PlusIO结构图

    CompactPCI PlusIO定义了在现有的CompactPCI系统中使用J2连接器以连接一些高速串行信号到背板。遵循PICMG 2.30设计的系统槽能够控制最多七块现有的32-bit CompactPCI外设卡以及最多四块CompactPCI Serial外设卡,这可以通过混合背板轻而易举的实现,因为PICMG 2.0 和 PICMG CPCI-S.0两种规范都是IEEE 1101 兼容的。

3、CompactPCI Serial架构

    CompactPCI Serial完全采用CompactPCI的机械结构,与IEEE 1101完全兼容。只有原有的2-mm连接器被一种更先进的高密度连接器所取代,能够支持差分信号,达到10 Gb/s以上带宽。与CompactPCI一样采用无源背板,3U系统的电源电压是12V,6U系统附加48V供电,支持以太网供电应用。 与CompactPCI一样采用专门的系统槽设计,为系统提供最低限度的集中管理功能,诸如复位和时钟分布,这意味着一个最小CompactPCI Serial系统可以仅包括一个系统槽。外设槽以先进的串行高速点到点链路连接,与MicroTCA相似,但无需交换或集线器。CompactPCI Serial在背板上实现了PCI Express、SATA和USB信号的星型连接,以及Ethernet的全网连接。图2显示了CompactPCI Serial 星型架构。


图2  CompactPCI Serial星型架构

    在CompacPCI Serial系统中,系统模板可以安装在系统槽或者外设槽中,从而实现多处理功能。系统模板间的通信是用以太网通信方式实现的。 因为以太网采用xxBase-T电缆标准而不用专用背板标准,这降低了成本,保证了更好的互操作性,目前可以支持10 Gb/s 的带宽。

    CompactPCI Serial与CompactPCI一样支持后I/O设计,并且提供了更多的信号引脚和支持更高的带宽。

    CompactPCI Serial采用了与CompactPCI一样坚固的机械结构设计,支持先进的串行连接,并且无需交换模板。CompactPCI Serial适用于恶劣环境,具有成本优势,满足关键业务应用对高带宽和可靠性的要求。

4、CompactPCI Serial机械结构

    一个基于CompactPCI Serial系统的结构部件与现有的CompactPCI系统完全一样,规范同时定义了3U 系统和6U系统。无源背板用于连接所有模板包括后I/O,每一个模板都具有前面板或后面板,把手用于将模板插入和拔出机架。一个插槽最多安装六个独立的连接器,所用连接器的数量按照应用的不同而有所不同,这样就实现了最大的可扩展性和成本经济型。图3展示了一个九槽3U系统的实例,该背板安装了最大数量的连接器,提供了最大的带宽。


图3  3U系统的机械结构

    6U系统定义了前模板和后I/O板,与3U系统相比增加了一对连接器(J0/P0)的定义,它提供了附加的6U系统电源以及另外两路Ethernet连接,可以用作系统管理(e.g. AMT)。背板可以是单板型(monolithic)或 拼接型(split),它还可以是用户定制的混合背板。图4显示了3U和6U模板的规格尺寸。


图4  3U和6U模板的规格尺寸

    CompactPCI Serial连接器专为高速差分信号传输优化,具有较好的信号屏蔽与阻抗控制。该连接器每行12个引脚,满足4对高速差分对,另4个引脚接地。而且连接器中的引脚具有一致性,一个引脚可以用于差分信号也可以用于接地或电源信号。背板采用孔型连接器,插入模板采用针型连接器,后I/O则相反。所有的连接器都是压接安装(press-fit),PCB内的引脚长度是仅1.6 mm,尽可能减少信号线长度以提高信号完整性。为了实现后I/O,无源背板的背面是针型连接器。图5显示了6U模板后I/O的规格尺寸。


图5  6U模板后I/O的规格尺寸

    为了保证模板连接器与背板连接器完美接触,并且考虑到恶劣环境应用,本规范定义了背板定位轨(guide)的设计要求。在一个3U/6U系统中必须使用定位轨,并且6U系统需要使用一个额外的定位轨。如果没有使用定位轨(特别是6U系统),那么当一个模板插入歪了或没对准时有可能会损坏连接器。模板与定位轨的良好吻合也能提供更佳的机械稳定性。

5、CompactPCI Serial电气要求

    背板电源分配——CompactPCI Serial依赖单一+12V 主电源。 +5V standby 是可选电源。-48V 仅用于6U系统。背板将电源电压分配到前模板上,后I/O由相应的前模板供电。

    电源控制——电源控制信号PS_ON#、PWRBTN#、PWR_FAIL# 由系统槽分配到管理插口上(utility connector)上。PS_ON# 信号允许系统板远程控制电源,具有软启动/制动、网络唤醒等功能。PWRBTN# 信号可以用于控制电源的 PS_ON# 信号,而且可以用于关闭操作系统。PWR_FAIL#信号用于显示电源输出电压短时间偏离额定电压的情况,系统板可以利用这一信息以确定的方式关闭系统,但本规范没有定义实现的方法。

    复位信号——系统槽的 PRST# 信号连接到管理插口,而系统槽的 RST# 输出信号连接到外设槽的全部RST# 输入信号。

    唤醒信号——系统槽的 WAKE_IN# 信号连接到外设槽的全部 WAKE_OUT# 信号。

    系统槽检测——背板上的每个槽都有一个系统槽识别引脚 (SYSEN#),该 SYSEN# 引脚连接到系统槽的GND引脚而在外设槽则开路。具有系统槽支持能力的模板检测到 SYSEN# 低电平,从而启动系统槽功能,如RST#、PS_ON# 等。

    位置寻址——由于 CPCI-S.0 规范要求每一个物理SATA 端口必须采用同样的位置地址(因为SGPIO),使位置地址并不对应物理槽序号,而是SATA顺序(filling order)。每个物理插槽由背板GA[3:0]位置寻址信号唯一标识。CPCI-S.0 规范定义了最高槽序号是位置地址0,次一级槽序号是位置地址1,直至第一个外设槽。外设模板能够利用基于 GA[0]、GA[1]和 GA[2]的位置寻址, GA[3] 能够用在多于8个外设槽的系统。

    系统管理——I2C 系统管理总线在电气上兼容 SMBus 规范。系统管理总线的I2C_SCL和I2C_SDA信号连接到每个槽和管理插口。

    串行 GPIO——系统槽的 SATA_SCL、SATA_SL、SATA_SDO、SATA_SDI 信号连接到外设槽的相应信号。

    为了保证不同模板厂商的产品具有最大程度的兼容性,并优化厂商在系统中采用 CPCI-S.0,CompactPCI Serial标准定义了实现接口的优先顺序(Filling Order)。PCIe、Ethernet 和USB 是升序的,而 SATA/SAS 是降序的。如果一个系统槽只支持部分规范定义的接口,那么外设槽的可用性就得到优化。

    CompactPCI Serial架构简洁而清晰,既可以建立经济高效的模块化计算机,又具有充足的灵活性设计高性能计算机。