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MicroTCA Stabile Plattform für viele Industrieapplikationen

Autor / Redakteur: Nigel Forrester* / Holger Heller

MicroTCA, Mitte 2006 als Standard ratifiziert, wird seitdem verstärkt für den Einsatz in Telekommunikationsanwendungen gepriesen; kein Wunder, da es auf hot-swappable Mezzanine-Modulen und ATCA-Grundlagen basiert. Aufgrund vieler Vorteile ist die Frage berechtigt, ob es sich auch für andere Anwendungsbereiche eignet.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Micro(µ)TCA-Systeme bestehen aus maximal zwölf AdvancedMC-(AMC-)Modulen im Postkartenformat, die auf einer Backplane aufgesteckt sind, welche über angemessene Leistungs-, Kühlungs- und mechanische Ressourcen verfügt. Die AMC- und µTCA-Spezifikationen stammen von der PICMG-Organisation, die aus Anbietern, Kunden und anderen daran interessierten Mitgliedern besteht. µTCA unterscheidet sich von der Vielzahl anderer offener Standards, die für den industriellen Gebrauch konzipiert sind, insbesondere durch die Tatsache, dass es auf dem Markt eine wesentlich größere Auswahl an AMC-Modulen gibt, die mehr als nur universelle Rechenleistung bieten.

µTCA-Systeme ermöglichen einfache Kombinationen

Jedes µTCA-System wird von einem speziellen Modul gesteuert, dem µTCA-Carrier-Hub (MCH), der ein standardisiertes, IPMI-basiertes Management-Subsystem bereitstellt, das für die Stromversorgung, die Kühlung und das Hot-Swapping der Module zuständig ist. Das Modul stellt auch die Switching-Funktionalität zur Verfügung, die nötig ist, um AMC-Module mittels Gigabit-Ethernet, PCI-Express und Serial-Rapid-I/O miteinander zu verbinden. µTCA-Systeme ermöglichen einfache Kombinationen wie Gigabit-Ethernet (zur Steuerung) mit SATA (Datenspeicherung) oder mit PCI-Express zur Implementierung lokaler I/O- und Grafik-Funktionen.

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Da die Spezifikation bis zu 21 serielle Hochgeschwindigkeitskanäle (Pipes) auf der Backplane zulässt, lassen sich µTCA-Systeme mit unterschiedlicher Performance realisieren, deren Bandbreiten zwischen 100 MBit/s und 40 GBit/s liegen. Sechs physikalische AMC-Formfaktoren sind möglich (von „kompakt“ und „mittelgroß“ über „groß“ bis zur „Vollgröße mit zweifacher Breite“). Der Trend geht zur Nutzung einer kleineren Anzahl von Formfaktoren, um so – durch die Absatzsteigerung der Module jeder verwendeten Größe – den Stückpreis zu reduzieren.

Flexibel für verschiedene Gehäusegrößen

Ein weiteres, wichtiges Merkmal von µTCA wurde von den Erstellern der Spezifikation gezielt geschaffen: Der Standard ist so konzipiert, dass er eine Vielzahl von Packaging-Lösungen unterstützt und sich somit für unterschiedlichste Anwendungen eignet. Zurzeit gibt es zahlreiche Lösungen „von der Stange“, vom 19"-Schaltschrank für große Systeme bis zu „Pizza-Box“-Gehäusen für kleinere Systeme. Heute besteht großes Interesse daran, applikationsspezifische Packaging-Lösungen zu entwickeln. Auf dem Industriemarkt sind hauptsächlich drei Equipment-Typen zu finden: Handheld, Portable/Benchtop und fest installierte Systeme.

Handheld-Geräte sollen so klein und leicht wie möglich sein und eine Stromversorgung mittels Batterie zulassen, sodass ihre Leistungsaufnahme von Bedeutung ist. In der Regel müssen Designer oft ein Gehäuse verwenden, das einer firmenweiten Markenstrategie entspricht, was mit gewissen Zwängen hinsichtlich des verfügbaren Raumes verbunden ist. Entwickler müssen auch besondere I/O- und Display-Voraussetzungen erfüllen, sodass sie quasi gezwungen sind, ein kundenspezifisches Baseboard zu entwerfen.

Konvergenz der Networking- und der Computingfunktionen

Sie müssen darauf vertrauen, dass sie auf dem freien Markt ein passendes Processing-Modul finden, um damit die Steuerung oder die Datenerfassung zu implementieren. Diese Handheld-Geräte wurden traditionell als Stand-alone-Systeme entwickelt, aber regulierende Vorschriften, firmeneigene Networking-Strategien sowie Forderungen nach einfacher bedienbaren Geräten verlangen, dass diese Instrumente drahtlos vernetzbar sind. µTCA-Systeme und viele AMC-Module werden so entworfen, dass die geforderte Konvergenz der Networking- und der Computingfunktionen bereits im Vorfeld gegeben ist. Bei µTCA-Produkten ist die Vernetzbarkeit eine von vornherein integrierte Funktion.

Gerade die Nachfrage nach hochqualitativen Grafikdisplays sorgt für den Einsatz x86-basierter Intel-Architekturen. Sie sind einfach zu programmieren und verhältnismäßig kostengünstig. Der Markt bietet zahlreiche Rechnermodule wie Computer On Module (COM), COM Express, ETX, MicroETX und all die PC/104-Derivate. Sie stellen alle einen direkt anschließbaren Miniatur-PC dar, der über unterschiedliche Busschnittstellen zu einem Baseboard sowie über mehrere PC-I/Os (USB, RS-232, Audio-Schnittstelle) verfügt. Auf dem Markt sind AMC-Module erhältlich, die auf Intel-CPUs basieren und ebenso gut als Plug-in-PCs fungieren können, wenn auch dann das Instrument eher AMC-basiert ist.

µTCA ist ein starker Mitbewerber bei semiportablen Industriegeräten

Benchtop- und semiportable Geräte verfügen meist über eine AC-Stromversorgung und müssen mechanische Belastungen aushalten, die sich z.B. beim Transport ergeben. Solche Systeme bieten den Vorteil einer modularen Bauweise, sie sind problemlos aufrüstbar, um sie an kundenspezifische Bedürfnisse anzupassen. So kann es vorkommen, dass Testequipment über länder- bzw. marktspezifische Module oder über mehrfache Ausführungen des gleichen Moduls verfügen muss, um das parallele Testen in einer Fertigungsstraße zu ermöglichen. Semiportable Geräte (z.B. transportierbare Testinstrumente) können einen universellen Prozessor zur Geräte- und Displaysteuerung sowie andere kommerzielle Module verwenden, z.B. spezifische Schnittstellen zur Verbindung mit den zu testenden Komponenten sowie DSP- und FPGA-Module zur Verarbeitung der Testergebnisse. Auch hier eignet sich µTCA zur Realisierung semiportabler Industrieausrüstungen.

Es existieren mehrere offene Standards, die für den industriellen Markt geschaffen wurden. Beispiele dafür sind der VMEbus und 3U-CompactPCI. Auch für sie gibt es, wie für AMCs und µTCA, eine Vielzahl kommerzieller Boards und Module, zu denen auch komplexe DSP- und FPGA-Designs gehören. Verfügbar sind auch einige Packaging-Lösungen „von der Stange“, und die Lebenszyklen der entsprechenden Systemlösungen sind im allgemeinen lang. Auf dem Gebiet der semiportablen Industriegeräte ist allerdings µTCA ein starker Mitbewerber, v.a. aufgrund der zunehmenden Anzahl erhältlicher AMC-Module. Da µTCA-Systeme klein sind, für sie eine große Anzahl von Gehäusen zur Verfügung steht und sich dieser Standard aufbauend auf einer Ethernet-Switched-Architektur entwickelt hat, eignet er sich besonders für verteilte Applikationen, die einen Datenaustausch voraussetzen.

Fest installierte Systeme

Fest installierte Industrieapplikationen sind sehr verschiedenartig: sie reichen vom Kioskterminal für Parkuhren über komplexe Prozesssteuerungssysteme für geregelte Umgebungen bis zu Eisenbahn-Signalisierungsanlagen für raue, ungeregelte Umgebungen. Diese Beispiele zeigen, wie schwer es ist, allgemein gültige Aussagen hinsichtlich der am besten passenden Ausrüstung zu machen. Es lässt sich dennoch behaupten, dass ein Bedarf an unterschiedlichen Typen von Steuerungsprozessoren besteht. Der Grund dafür könnte z. B. eine große Anzahl vorliegender Programme sein, die für eine spezifische Architektur wie PowerPC geschrieben wurde, oder auch der Zwang, ein bestimmtes Embedded-Betriebssystem aus Sicherheits- oder Echtzeit-Gründen einzusetzen.

Sicherheit sowie Wirtschaftlichkeit verlangen wiederum, dass die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit fest installierter Systeme besonders hoch sein müssen. Das wird am Beispiel einer Fertigungsstraße leicht erkennbar, denn auch eine nur wenige Stunden anhaltende Produktionsunterbrechung, die sich infolge unzuverlässiger Systeme ergibt, kann enorme Verluste zur Folge haben. Die besprochenen fest installierten Anlagen können von der Flexibilität, der Skalierbarkeit und der Möglichkeit, die µTCA bietet, High-Availability-Systeme zu implementieren, deutlich profitieren.

Vergleich der unterschiedlichen Technologien

Bestimmte Industrieanwendungen benötigen also die zusätzliche, leicht implementierbare PC-Funktionalität, wie sie von einem COM geboten wird. Die neusten COM-Versionen zeichnen sich durch gute Performance aus und ermöglichen eine Hochgeschwindigkeitsverbindung zu einem Baseboard mittels PCI-Express. Am Markt erhältlich sind eine Vielzahl PCI-basierender Module als auch solche, die noch den ISA-Bus nutzen und sich für Applikationen mit niedriger Geschwindigkeit eignen. Sie alle sind in physikalisch unterschiedlichen Ausführungen (Formfaktoren) erhältlich, sodass damit viele Packaging-Forderungen erfüllbar sind.

Aus technischer Sicht gehören zu den Aspekten, die Entwickler in der Industrie dazu bewegen sollten, µTCA für ihre Designs zu nutzen, folgende Punkte:

  • die Möglichkeit, mehrere Processing-Module zu verwenden, die auf eine verteilte Art über eine Ethernet-Backplane miteinander verbunden sind,
  • die Verfügbarkeit von AMC-Modulen, die unterschiedliche Prozessoren einsetzen wie z.B. Multicore-Paket-Prozessoren, DSPs, FPGAs, PowerPC sowie die jüngsten Strom sparenden Prozessoren mit x86-Architektur,
  • die Verfügbarkeit einer großen Anzahl gängiger, wiederverwendbarer I/O-Module, die eine kurze Entwicklungszeit ermöglichen, sowie das Vorhandensein kommerzieller Entwicklungssysteme,
  • der beträchtliche Preisrückgang bei AMC-Modulen, der aufgrund eines stark zunehmenden Absatzes dieser Produkte prognostiziert wird,
  • die schnelle Austauschbarkeit (Hot-Swap) der Module, die für die Instandhaltung und Wartung der Anlagen bei bestimmten Applikationen von hoher Bedeutung ist. Bei Anwendungen, bei denen ein Modulaustausch nicht stattfinden darf, lässt sich diese Forderung durch eine entsprechende Packaginglösung auf Systemebene erfüllen,
  • das Vorhandensein einiger kommerzieller Packaginglösungen, insbesondere solcher für raue Umgebungen, wodurch sich Entwicklungszeit einsparen lässt,
  • die Vorzüge einer seriellen Hochgeschwindigkeits-Switched-Backplane, die bis zu 40 GHz Bandbreite bietet.

µTCA bietet Schutz in bereits getätigte Investitionen

µTCA verfügt über das Potenzial, neue Anwendungsbereiche auf dem Gebiet des Embedded-Computing für sich zu erobern, insbesondere dank dem gebotenen Preis-Leistungs-Verhältnis. Dieser Standard profitiert von der für ATCA ausgeführten Entwicklungsarbeit und hat davon viele Leistungsmerkmale übernommen, die andere Embedded-Architekturen nicht bieten können. Zu diesen zählen ein kompakter, hochmodularer und skalierbarer Aufbau, eine effiziente Kühlung, serielle Hochgeschwindigkeitskanäle, hohe Servicefreundlichkeit, Systemebenen-Management sowie eine mechanisch sehr robuste Ausführung.

Zusätzlich bietet µTCA eine hohe Flexibilität bei der Gehäuseauswahl und industriegerechte Payload-Module. Ein weiterer Fakt ist die Dauerhaftigkeit: µTCA erfüllt alle nötigen Voraussetzungen, um als stabile Plattform für Industrieapplikationen für die nächsten zehn Jahre oder mehr zu dienen. Kein anderer Standard bietet zurzeit einen so langen Lebenszyklus, und es gibt auch keine vergleichbare Lösung, deren Verfügbarkeit sich in nächster Zukunft auch nur andeuten würde. Der sich daraus ergebende Schutz getätigter Investitionen ist für viele Unternehmen der Hauptgrund, in µTCA zu investieren.

*Nigel Forrester ist Marketing Manager der Embedded Communications Computing Group bei Motorola in England.

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