Im Juni 2008 fiel der Startschuss: Die PICMG, ein unabhängiges Embedded-Computing-Konsortium, hat ein Subkomittee gegründet, um den gegenwärtigen CompactPCI-2.0- sowie den CompactPCI-Express-EXP.0-Standard für 3-HE- und 6-HE-Kartenformate zu erweitern und für zukünftige Anwendungen fit zu machen. Zum gleichen Zeitpunkt verabschiedete die Arbeitsgruppe ihr „Statement of Work“ unter dem Vorsitz von MEN Mikro Elektronik. Dem gingen Gespräche führender Anbieter von Embedded-Hardware (Baugruppen, Mechanik, Steckverbinder) seit etwa Anfang des Jahres voraus. Die erfolgreichsten parallelen Busstandards heißen CompactPCI und VME-Bus – beiden mangelt es an Unterstützung für serielle Busse. Auf der anderen Seite sind AdvancedTCA und MicroTCA als auch VXS und VPS mit aufwändigen Switched Fabrics ausgerüstet, was die System-Kosten erhöht. CompactPCI Plus dagegen hat sich zum Ziel gesetzt, alle seriellen Schnittstellen aus heutigen und zukünftigen Chipsets auch auf Systemebene über die Busplatine direkt zugänglich zu machen. Hierzu zählen PCI Express, Ethernet, SATA/SAS und USB. Der Standard definiert klare Migrationspfade von CompactPCI und CompactPCI Express zu CompactPCI Plus. Erstens wird ein neuer System-Slot definiert, der über eine Sternarchitektur an bis zu acht Peripherie-Slots angebunden wird. Solche Sterne werden zu komplexeren Systemen gebündelt, um eine höhere Rechenleistung zu erhalten oder um redundante Systeme für sicherheitskritische Anwendungen aufzubauen. Dies geschieht ohne den Einsatz von Switched Fabrics, um den Systemaufbau einfach und kostengünstig zu gestalten. Zweitens wird ein Peripherie-Slot zusammen mit einem Stecker für mindestens 10 GBit/s schnelle differenzielle Signale definiert, um auch die nächste Generation serieller Busse wie SATA 3.0, PCIE 2.0, 10-GBaseT-Ethernet oder USB 3.0 zu unterstützen. Alle Slots verfügen über die gleiche, fest definierte Pinbelegung, um zusätzliches Keying auf der Busplatine zu vermeiden. Ebenso unterstützt werden IPMI/SMB und geografische Adressierung. Diese Peripherieslots lassen sich neben PCI-Express-Erweiterungen für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Geschwindigkeit und Datenübertragungsrate auch für Hard-Drive-Raids, Ethernet-Switches oder USB-basierte WiFi-Lösungen einsetzen. Die Spezifikation legt größten Wert auf die Kompatibilität zu 32-Bit-CompactPCI-Systemen. Wozu diese Anstrengungen?
Sanfte Migration
Es gibt gute Gründe, für einen Migrationspfad von CompactPCI nach CompactPCI Plus zu sorgen. Betrachtet man die verfügbaren Zahlen über die bis 2007 installierte Basis an CompactPCI-Systemen, dann müsste das einem Volumen von etwa 800Mio. Euro am Markt gehandelter Geräte entsprechen. Sollten davon rund 75 Prozent in 6-HE-Bauform in Telecom-Anwendungen gehen und sollte sich andererseits das Wachstum bei 3-HE-Systemen fortsetzen, dann könnten alleine die Einfach-Europasysteme bereits bis Ende 2010 bei 400 Mio. Euro liegen. Anwender schätzen CompactPCI im kleinen 3-HE-Format als robuste und platzsparende Lösung, beispielsweise für mobile Anwendungen, als Plattform für komplexe Cluster und redundante Systeme, und als wartungsfreundlichen, erweiterbaren PC für die Industrie. Und für diese Anwender würde CompactPCI mittelfristig zur „parallelen“ Sackgasse, wenn sie keine Alternative zur Erweiterung ihrer Systeme um moderne serielle Schnittstellen bekämen. Technisch wird daher eine Lösung geschaffen, welche die parallele und die serielle „Welt“ einfach und damit kostengünstig verbindet. Derzeitige CompactPCI-CPU-Boards lassen sich zu Hybrid-Lösungen erweitern, indem die seriellen Busse auf einem modifizierten J2-Steckverbinder unterstützt werden. Solch eine Hybrid-CPU bleibt 100 Prozent CompactPCI 2.0 kompatibel, die Peripherie-Slots sind zu 100 Prozent CompactPCI-Plus-kompatibel. Allerdings ist die Anzahl der Peripherie-Slots auf vier sowie die Übertragunsgbandbreite begrenzt. Als Dual-Slot-CPU kann auch mit dem System-Slot ein Hybrid-System aufgebaut werden. Zusammen mit der dazu passenden Hybrid-Backplane ist so ebenfalls die Voraussetzung geschaffen, in einem System CompactPCI- und CompactPCI-Plus-Baugruppen gemischt einzusetzen. Das ist von Vorteil, da ein Großteil der vorhandenen E/A-Karten auf CompactPCI weiterverwendet werden kann, während die Funktionen mit hoher Anforderung an die Datenübertragungsrate als CompactPCI-Plus-Karten realisiert sind. In der Praxis sieht das so aus, dass bei Hybridsystemen der System-Slot in der Mitte sitzt.
Laut PICMG sollen vor allem Anwendungen in der Industrie, Luft- und Raumfahrttechnik, Medizintechnik und im Transportwesen, aber auch bestehende Telekommunikationssysteme auf CompactPCI-Basis vom neuen CompactPCI-Plus-Standard profitieren. Darüber hinaus gibt es eine ungleich höhere Anzahl an industriellen Anwendungen, die bisher versucht, mit Industrie-PCs (IPC) auszukommen. Dabei beschreibt IPC die Tatsache, dass ein gewöhnlicher Desktop-PC oder ein Notebook einer oder einigen typisch industriellen Anforderungen nicht gerecht wird. Die zumeist auf Basis von kommerziellen Motherboards aufgebauten IPCs folgen keinen systemspezifischen Industriestandards; entsprechend unüberschaubar ist die Vielfalt an Modellen und Lösungsansätzen. Zumindest für einen Teil dieser Anwendungen könnte CompactPCI bzw. zukünftig CompactPCI Plus eine Alternative sein, insbesondere da die Kosten für einen IPC mittlerweile nicht mehr unter den Kosten für ein vergleichbares CompactPCI(Plus)-System liegen. Und was wäre CompactPCI(Plus) anderes als ein PC mit zusätzlichen Vorteilen? Erstens die Robustheit als Kriterium beispielsweise in nicht klimatisierten Produktionshallen, an Maschinen, die große Werkstücke bearbeiten, auf Ölplattformen oder als Bestandteil eines mobilen Gerätes, ob Roboter oder Baustellenfahrzeug. CompactPCI(Plus) ist durch sein Steckkonzept auf der passiven Rückwandplatine robust, das kleine Format und die Verpackung im 19-Zoll-Gehäuse, das auch verschiedene Optionen zur Kühlung bietet. Zweitens die Skalierbarkeit als Eigenschaft, die unabhängig vom Anwendungsgebiet wichtig ist, wenn die nächste Maschinengeneration oder die nächste Überwachungsplattform mehr Rechenleistung benötigt, ohne dass dafür gleich die ganze Systemumgebung erneuert werden soll. Im Idealfall muss man bei CompactPCI(Plus) nur die CPU-Karte tauschen. Drittens die Wartungsfreundlichkeit eines 19-Zoll-Steckkartensystems als weiterer Kostenfaktor. Wo der Ausfall einer Steuerung zu hohen Kosten führen würde, sind lange Stillstandszeiten eines Gerätes oder einer Anlage nicht akzeptabel – ob beim Test in der Serienproduktion von Autos, der Energieerzeugung oder der Verkehrsüberwachung. CompactPCI(Plus) ist in diesem Fall der ideale IPC und unterstützt bei Bedarf sogar Hot-Swap. Viertens die Langzeit-Verfügbarkeit als ein Faktor, der ebenfalls die Systemkosten beeinflusst. Nicht jeder Hersteller garantiert eine Verfügbarkeit von zehn Jahren und mehr für die gleiche Produktfunktionalität, aber allein die Tatsache dass CompactPCI(Plus) ein Standard ist, lässt die Auf- oder Umrüstung von bestehenden Systemen mit kompatiblen Baugruppen verschiedener Hersteller zu. Fünftens als Kostenfaktor bei sicherheitskritischen Steuerungen wie beispielsweise für Atomkraftwerke oder Zugüberwachung. Je sicherheitskritischer eine Anwendung ist, desto höher fallen unter dem Strich die Kosten aus, die mit einem Fehlverhalten der Steuerung verbunden sind, und im schlimmsten Fall auch Menschenleben in Gefahr bringt. Hier wird man alles tun, um die Steuerung sicher zu machen bzw. zu definieren, wie das System auf welchen Fehler reagieren muss. Die CompactPCI(Plus)-Architektur eignet sich ideal für den Aufbau von komplexen Clustern und redundanten Systemen.
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