CompactPCI Express Steckverbinder für hohe Datenraten und sicheres Stecken

Autor / Redakteur: Bernd Eifer* / Kristin Rinortner

Bei CompactPCI Express wurden gegenüber dem bisherigen CompactPCI Standard viele Merkmale beibehalten, wie z.B. die 3HE- und 6HE-Formfaktoren. Auch Gehäuse bzw. Baugruppenträger müssen nicht modifiziert werden. Allerdings bedingt die Implementierung des PCI Express-Busses Veränderungen bei der Backplane und den Tochterkarten, wobei die „Legacy Slots“ und „Hybrid Slots“ quasi die Brücke zwischen den beiden Welten darstellen. Außerdem werden die bisherigen P1- und P2-Steckverbinder durch neue komplexe, schnelle Steckverbinder ersetzt.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Im Gegensatz zu bisherigen parallelen Backplane-Architekturen wie VMEbus oder CompactPCI steht CompactPCI Express für schnelle serielle Kommunikation mit Switched-Fabric-Strukturen. Für die schnelle Datenübertragung, leistungsfähige Stromversorgung und I/O wurden neue Steckverbinder spezifiziert. Hier ist zuerst der XJ1/XP1 Leistungssteckverbinder (UPM, Universal Power Modul) für die Stromversorgung (3,3; 5; 12 V und 5 Vaux) zu nennen, der notwendig wurde, weil moderne CPUs einen sehr hohen Leistungsbedarf haben (Größenordnung oberhalb 80 W). Für den zweiten und dritten Steckplatz (XP2 und XP3) sind ADF (Advanced Differential Fabric) Steckverbinder vorgesehen, die die schnelle Datenübertragung sicherstellen. Die ERmet-ZD-Steckverbinder, die den ADF-Anforderungen entsprechen, beinhalten die differenziellen Leitungspaare und wurden bereits für den AvancedTCA-Standard spezifiziert. Der verbleibende Steckplatz ist für den XP4-eHM-Steckverbinder vorgesehen.

Schnelle Datenübertragung

Bildergalerie

Das Steckverbindersystem ERmet ZD ist für den neuen Standard (als ADF-Steckverbinder) spezifiziert. Entsprechende Simulationen belegen, dass die ERmet-ZD-Steckverbinder sowohl die erste PCI-Express-Generation mit Datenraten von bis zu 2,5 GBit/s als auch die künftige Generation (Gen 2) mit 5,0 GBit/s unterstützen.

Die ZD-Steckverbinder in der 3-reihigen Version bieten z.B. 30 differenzielle Kontaktpaare auf einer Steckerlänge von 25 mm. Außerdem erlauben die 3-reihigen ZD-Steckverbinder durch geringeren Raumbedarf in die Steckkarte hinein den Einsatz von aufsteckbaren PMC-Modulen bzw. XMC-Modulen auf den Boards. Diese Steckverbinder sind bereits Standard in den Spezifikationen PICMG 2.20 und PICMG 3.0 (ACTA).

ERmet ZD wurde für sehr schnelle differenzielle Signale entwickelt. L-förmig ausgeführte Schirmungen isolieren die differenziellen Signalpaare von benachbarten Signalpaaren. Damit sorgen sie nicht nur für eine exzellente Signalintegrität, sondern bieten auch eine gute mechanische Festigkeit.

Der Steckverbinder nutzt ein optimiertes Kontaktraster, mit einem „Wafer“-Raster von 2,5 mm und einem Raster von 1,5 mm zwischen den Kontakten innerhalb des Signalpaars bzw. 4,5 mm zwischen den Signalpaaren. Dadurch wird einerseits das Nebensprechen reduziert und anderseits genügend Platz für das Routing der Leiterbahnen bzw. den Einsatz von breiteren, HF-optimierten Leiterbahnen geschaffen.

Sichere und flexible I/O

Um den High-Speed- bzw. Stromversorgungs-Anforderungen bei CompactPCI Express gerecht zu werden, werden auf einer 3HE-Steckkarte bis zu zwei ZD-Steckverbinder und ein 7poliges Power-Modul eingesetzt. In den verbleibenden Platz am oberen Ende der 3HE-Tochterkarte passte kein Standard-Steckverbinder.

Überlegungen zur Heterogenität der Anwendungen bzw. der Vielfalt der zu steckenden Karten (herkömmliche Compact-PCI- oder -PXI-Karten, neue Compact-PCI-Express-Karten mit und ohne PXI, unbekannte Karten weiterer Anbieter, zusätzliche Ausführungen mit Rear-I/O etc.) ergaben, dass hier bei falschem Stecken ein erhebliches Zerstörungsrisiko besteht – daher war eine Steckerlösung für die I/Os und Peripheral-Stromversorgung mit Kodierungen gefragt.

Die grundlegende Idee bestand darin, dem bestehenden ERmet-B8-Modul auf der Backplane eine Seitenwand hinzuzufügen, in die Kodierungen integriert sind und ein entsprechendes Gegenstück auf die Seitenwand der Federleiste (auf der Tochterkarte) aufzubringen. Der so entwickelte eHM-(enhanced-Hard-Metric-)Steckverbinder mit Kodierungen für ein sicheres Stecken steht als 56-polige Messerleiste (40 Signalkontakte und 16 zusätzliche Schirmkontakte) sowie als 40-polige Federleiste zur Verfügung.

Diese modifizierte Version der bisherigen P2-Steckverbinder unterstützt folgende Funktionen: Rear-I/O für 3-HE-Boards, geografische Adressierung, PXI-Signalkompatibilität und die Stromversorgung für Type-2-Peripheral-Boards. Spezielle Kodierungen stellen sicher, dass nur die jeweils entsprechenden Boards in die Slots einer Backplane gesteckt werden können. Die Kodierung besteht aus vier Rippen bzw. entsprechenden Schlitzen. Die Schlitze in der Messerleiste können gefüllt werden, die Rippen an der Seite der Federleiste können jeweils wegfallen. So kommen Kodiervarianten auf beiden Seiten zustande, die in bestimmten Kombinationen das Stecken zulassen bzw. verhindern.

Slot- und Board-Typen

Für CompactPCI Express sind verschiedene Slot-Typen spezifiziert: System-Slot, Type-1-Peripheral-Slot, Type-2-Peripheral-Slot, Hybrid-Slot, Switch-Slot und Legacy-Slot.

Der System-Slot ist für das Primary-CPU-Board vorgesehen und enthält alle vier der vorher beschriebenen Stecker. Die ADF- bzw. ZD-Steckerverbinder „routen“ entweder zwei oder vier PCI-Express-Ports (1 × 8 und 1 × 16 Lanes oder 4 × 4 Lanes).

Der Type-1-Peripheral-Slot ist für intelligente I/O-Boards oder für Secondary-CPU-Boards vorgesehen. Er entspricht in seiner Steckerpopulation dem Systemslot. Dagegen ist der Type-2-Peripheral-Slot für preiswerte I/O-Boards ausgelegt und verfügt über einen ZD- und eHM-Steckverbinder. Die komplette Stromversorgung erfolgt hier über den eHM-Stecker. Bei diesem Slot ist nur ein Kanal mit 1 × 8 Lanes vorhanden. Type-2-Baugruppen können in Type-1-Slots betrieben werden, jedoch nicht umgekehrt, da bei Type-2-Slots das Power-Modul für die Versorgungsspannungen fehlt.

Der Hybridslot besteht aus der Kombination von einem Type-2-Peripheralslot und einem 32-Bit-CompactPCI-Steckplatz (Legacy Slot). In diesem können sowohl bisherige 32-Bit-CompactPCI- sowie neue CompactPCI-Express (Type 2 Peripheral) oder modifizierte PXI-Karten verwendet werden. Der Slot enthält einen traditionellen P1-Steckverbinder sowie den oberen ZD- und den eHM-Steckverbinder. Alle Baugruppen haben dabei auf die zusätzlichen Signale des eHM-Steckverbinders Zugriff.

Der Switch-Slot umfasst einen Stromversorgungsstecker und mehrere ZD-Steckverbinder, um die vielen Signale handhaben zu können. In der 3HE-Version sind es drei ZD-Stecker und es können bis zu sieben Slots mit x4-Ports angeschlossen werden. Der Legacy-Slot schließlich unterstützt die bisherigen CompactPCI-Boards.

Erni Electronics, Tel. +49(0)7166 50583

*Dipl-Ing. (FH) Bernd Eifer ist bei ERNI Electronics in Adelberg als Applikationsingenieur tätig.

(ID:195521)