1、工業計算機技術的發展

    從PCI到CompactPCI到AdvancedTCA，工業計算機正經歷一次革命性的變化。

    傳統的PCI結構的工業計算機，是一種典型的計算架構。高度集中的數據處理方式、不可擴展的系統總線、功能簡單的外圍設備是這種傳統的計算機體系結構的最大的特點。在這樣的系統中，CPU或主板是整個系統的“計算中心”，PCI總線是數據傳遞的唯一通道，數據處理能力、數據傳輸能力、系統擴展能力等方面都受到很大的制約，任何一點形成瓶頸或發生故障都會使整個系統陷入癱瘓。這一切，使傳統的PCI結構的工業計算機的應用受到很多限制。

    在PCI基礎上發展而成的CompactPCI工業計算機，是一種比較先進的擴展的計算架構。在這種新型的計算機體系結構中，CPU或主板不再是整個系統的“計算中心”，外圍設備更加智能化和模塊化，集中分散式的數據處理方式取代了高度集中的數據處理方式；PCI總線也不再是數據傳遞的唯一通道，大量的業務數據可以通過星型或雙星結構的以太網交換總線進行傳輸，也可以通過擴展的H.110通信總線或客戶自定義的方式實現更多的業務。CompactPCI工業計算機，采用了比PCI工業計算機更加穩固的、易于維護的、具有良好散熱特性和EMC特性的機械結構，采用了開放化、模塊化的、可擴展的系統結構，采用了熱拔插、系統管理、冗余設計等先進的設計思想，因此，具有更高的性能和可靠性，正在被越來越多的應用于網絡通信、工業測控、航空航天和國防軍工等關鍵行業。

    無論是PCI工業計算機還是CompactPCI工業計算機，都沒有擺脫傳統的計算架構和電平方式傳輸的并行總線，這成為影響其性能進一步提高的最大的障礙。

    PICMG于2002年發布的ATCA（Advanced Telecommunication Computing Architecture）技術標準，以先進的通信架構取代傳統的計算架構，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撲結構取代單一的PCI傳輸模式。這種革命性的變化，使工業計算機徹底擺脫了各種制約，進入了一個全新的發展時期。ATCA因為具有更先進的性能、更好的模塊化的結構和更加完善的系統管理方式，正在被越來越多的高性能計算機、通信設備制造商和運營服務商選定為新一代產品的解決方案。

    PICMG最近發布的MicroTCA（Micro Telecommunications Computing Architecture）技術標準，充分采納、沿用了ATCA 的各項優點，把ATCA中的AMC模塊（Advanced Mezzanine Card）作為系統的基本配置單元，以更小的體積、更緊湊的結構和相對較低的系統成本，為下一代工業計算機和測控系統提供了更先進的解決方案。

2、MicroTCA的技術特點

    MicroTCA是一個完全模塊化的系統平臺，主要包括AMC模塊、MCH模塊、電源模塊、高速背板、機箱和風扇模組等部分。MicroTCA的系統結構如圖1所示。

圖1 MicroTCA的系統結構

    MicroTCA的功能模塊有6種可選擇的標準尺寸，如圖2所示。

圖2 AMC的標準尺寸

    AMC是MicroTCA的基本功能模塊，它與ATCA中的AMC在機械結構、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可以直接應用于MicroTCA。用AMC可以實現數據處理（CPU/NPU/DSP/FPGA）、數據存儲（CF/HDD/CDR）、數據通信（GbE/10GbE/xDSL/xPON/RF）和數據I/O功能。與CPCI系統的PMC模塊（PCI Mezzanine Card）相比，AMC在結構、功能、性能、互連方式和擴展能力等方面都有很大的優勢。

表1 AMC模塊與PMC模塊的對比

表2 AMC的背板接口類型

    MCH（MicroTCA Controller & Hub）是MicroTCA的系統控制、管理和數據交換模塊，之前曾被稱為虛擬載卡管理器（VCM--Virtual Carrier Manager），即，MicroTCA系統的MCH相當于ATCA系統的交換模塊+AMC載卡+機箱管理模塊（Fabric+Carrier+ShMC）。每個MCH可以對12個AMC提供數據交換和管理功能，每個系統最多可以有4個MCH通過Update Channel互連，實現多達48個AMC的數據交換和管理。MCH的結構框圖如圖3所示。

圖3 MCH的結構框圖

    每個AMC最多可以有21個可配置的高速數據接口，每個MCH最多可以有60個可配置的高速數據接口，這些接口通過MicroTCA背板及MCH的交換網絡實現高速數據通信。AMC模塊可以通過MCH在背板上以star、dual star、star fabric方式連接，也可以不通過MCH，在背板上實現mesh結構的點到點的直接連接。

圖4 Dual star 結構的MicroTCA系統互聯方式

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

    MicroTCA的每個模塊都有兩個IPMI接口，Power Module通過IPMB-0對MCH進行在位偵測和上電控制，MCH通過IPMB-L對所有AMC模塊進行在位偵測、使能和物理地址識別，所有的MCH和AMC都可以通過特定的IP接口與上一級的系統管理模塊相連，實行更為復雜的系統監控、配置和管理功能。

    由于要面向小規模的系統應用，MicroTCA采用小尺寸、細顆粒的功能模塊的同時，也采用了符合IEC 60297、 IEC 60917的非常靈巧的機箱結構，可以根據配置規模和應用環境進行選擇。圖5是幾種典型的MicroTCA機箱結構示意。

圖5 MicroTCA的機箱結構

    在可靠性設計方面，MicroTCA也根據不同的應用要求提供了不同的選擇。比如，在可靠性要求低的系統中，可以只有1個MCH和Power Module、采用簡單的星形拓撲結構，可以只有1組風扇甚至沒有風扇，可以沒有系統監控和機箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求比較高的系統中，MCH、Power Module和風扇模組要采用1+1冗余，MCH和AMC模塊之間的通信要采用雙星拓撲結構，要有基本的系統監控和機箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求更高的環境，多個MCH和AMC之間的通信則要采用Star Fabric或Full Mesh的網絡拓撲結構，供電系統、冷卻系統和機箱管理系統等也要采取更多的HA（High Available）設計。

3、MicroTCA的應用前景

    從前面的介紹可以看出，MicroTCA具有如下先進特性：

• 完全兼容AMC和ATCA
• 標準化的功能模塊
• 可配置的業務類型
• 可擴展的背板傳輸帶寬
• 緊湊的物理結構
• 靈活的應用方式
• 梯級化的可靠性設計
• 較低的開發和應用成本
• 較少的產品開發時間
• 更長的產品生命周期

    MicroTCA雖然是PICMG最新發布的標準，但是由于它是從ATCA和AMC發展而來，產業技術基礎和應用環境都已經基本形成，再加上PICMG數百家成員的積極推動，必將在新一代的網絡通信邊緣接入設備、嵌入式測量和控制設備、圖形圖像處理設備、醫療設備、智能交通、航空航天和軍工等領域得到非常廣泛的應用。

圖6 MicroTCA的市場預測

4、參考文獻

    本文根據PICMG Micro Telecommunications Computing Architecture Short Form Specification MTCA.0 , September 21st, 2006編寫，部分圖片和數據摘自MTCA.0及PICMG成員的研究報告。

    由于MicroTCA還在繼續發展和完善之中，作者對這一新技術的理解也不夠全面和深入，所以，本文內容僅供參考，請勿作為產品設計依據。