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利用模組化設計開發ATCA和AMC方案

上網時間: 2006年06月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ATCA  AMC  可擴展參考設計  電信運算平台  平台設計 

作為基於標準的下一代電信運算平台ATCA廣受業界歡迎。它是在PCI工業電腦製造商協會(CompactPCI單板電腦系列" target=_blank>PICMG)的指導下,由100多家供應商和電信設備製造商開發出來的。這種基於標準的平台設計能滿足CompactPCI或專用系統無法勝任的電信產業特殊需求。

新的封包基礎設備架構正在取代原來的TDM基礎設施。這意味著機櫃中的數據頻寬要求正從10和100Mbps提高到Gb或Tb等級。Compact PCI中的PCI匯流排無法提供足的頻寬,即使採用Gb速率的PICMG 2.16背板,也無法支援一個雙Gb乙太網路板。此外,隨著頻寬的提升,也需要更多電路板空間與功率來進行數據處理。

圖1:MPC8548 AMC參考設計卡。

而ATCA標準涵蓋了機架尺寸、功率和環境標準等,另外還納入了電信產業的特殊要求,包括適合需要大量處理功能的高密度應用,如無線和語音應用、有線數據及線速最高達10Gbps的光傳輸應用。

為滿足這些應用需求,PICMG 3.x ATCA技術規格定義了支援多種拓樸配置和互連技術的背板架構,包括Gb乙太網路和串列RapidIO介面。高速率交換矩陣技術能在單一機架上實現2.5Tbps的交換和處理速率。ATCA還包含管理整個平台的基本機制。這是一種演進過程,為設備製造商提供了建構新型增值業務的基礎平台。

ATCA目標應用及前景

隨著網路泡沫破滅和隨後電信業發展速度的減緩,許多OEM和ODM解聘了大量工程人員。現在,隨著通訊市場的逐步復甦,上市時間成為重要的成功因素。採用標準平台能協助公司迅速開發解決方案,將更多時間用於真正的增值業務(如軟體服務),在競爭中脫穎而出。

ATCA的目標是無線接取、無線EDGE、有線接取和核心傳輸市場。顯然,它首先很可能會在2/2.5/3G無線基礎架構市場上取得成功,如基地台控制器(BSC)、無線網路控制器(RNC)、服務GPRS支援節點(SGSN)、網路閘道GPRS支援節點(GGSN)、媒體網路閘道(MGW)和行動交換中心(MSC)等。

據Crystal Cube Consulting(CCC)預估,到2009年底,AMC的市場交易額將達到140億美元,ATCA市場交易額將達到420億美元;而In-Stat/MDR也估計ATCA標準機櫃的收入預計將達到184億美元。

而在支援ATCA標準的模組卡方面,目前整個產業正從PCI夾層卡(PCI Mezzanine Card,PMC)和交換夾層卡(Switched Mezzanine Card,XMC)轉向高階夾層卡AMC(Advanced Mezzanine Card),主要是因為AMC支援熱插拔,使得AMC能夠提供具有編程功能的現場可替換模組,為服務人員帶來極大的靈活性,並協助廠商降低資本支出。

業界新提議的MicroTCA平台允許在1個機架中最多使用12個AMC,而不需要ATCA承載卡,為這些標準模組創造了更多商機。MicroTCA被視為ATCA的補充,它將為電信以外的市場提供成本更低的路由,特別是專用板卡領域,如軍事、醫藥和工業自動化市場中的高性能嵌入式應用。透過增強AMC和MicroTCA的市場支援和普及力度,更大的業務量將為提供標準板卡的公司帶來新的機會,這反過來又將協助終端客戶降低每個模組化建構區塊的成本。

ATCA和AMC帶來的挑戰

ATCA和AMC技術規格的推出為板卡設計人員提出了一系列新的挑戰。過去,板卡設計人員只需考慮匯流排負載、高速設計和功率管理等問題。現在,他們還必須考慮板卡所需的空間和散熱性能,確保它們能與ATCA子系統無縫整合。這就迫使設計人員從電子工程師變成系統設計專家。

圖2:ATCA參考平台。

兩種技術規格都為板卡設計人員定義了包含獨特設計挑戰的新環境。其中最重要的兩個限制是板卡尺寸和散熱問題。

1. 板卡尺寸

儘管AMC有時被誤認為是PMC卡,但它為板卡設計人員提供了比PMC卡更大的表面積。AMC技術規格允許兩種不同的PCB尺寸,其中單寬卡尺寸約75mm × 180mm,雙寬卡約149mm × 180mm。在載體密度方面,標準8U載體能容納4個單寬卡,2個雙寬卡或1個雙寬卡和2個單寬卡(假設卡為全高。如果是半高卡,數量就會增加)。

選擇何種板卡尺寸顯然取決於特定應用所需的矽晶片數量。但是,矽晶片數量不是選擇設備尺寸的唯一考慮因素。雙寬PCB不僅意味著可用空間能夠增加一倍,還意味著可在前面板上提供I/O所需的額外空間。儘管一個板卡上要求的矽晶片數量允許設計人員將此卡縮小為單寬AMC,但I/O可能會要求使用雙寬卡。例如,使用單寬卡時,前面板上可能只有3個RJ45接頭(記住:LED和把手開關也要佔用空間)。根據板卡的I/O,這可能遠遠不夠,因而迫使設計人員使用雙寬卡。

人們已經開發出高度整合的處理器(包括整合的記憶體控制器、串列RapidIO和PCI Express SERDES模組),大幅降低了對橋接晶片和週邊設備的要求。但即使如此,仍需注意板卡空間問題。

同時,ATCA技術規格還為板卡設計人員帶來了嚴格限制。乍看之下,技術規格提供的大板卡尺寸可提供放置組件的足夠空間。但是,嚴格的‘預留空間’(為了支援AMC卡的添加、滿足電源要求、支援背板互連)限制也大幅縮小了載體上的可用空間。

2. 散熱問題

儘管技術規格為單寬AMC卡規定了60W的功率預算,但設計人員發現,在有限的可用空間內要有效散熱非常困難。人們普遍認為,大多數AMC將安裝在ATCA機架上,其中提供的標稱氣流為1m/s。但應該記住,在由4個卡組成的載體上,最後1個AMC卡只能用前面3個卡排出的暖氣流進行冷卻。設計人員希望將散熱保持在最低水準。這時,整合的低功率處理器非常有用,但可能還需要使用某種吸熱裝置。

ATCA載體卡的預算功率目前規定為200W。當然,我們還應特別注意載體上最終使用的AMC卡。例如,如果增加2個額定功率為60W的AMC卡,載體其餘部份就只有80W的預算功率了。與過去相同,儘管我們完全可以在這個功率預算內完成設計,但設計人員應設法大幅降低功率。

對矽晶片設計的影響

ATCA和AMC對高度整合的低功率設備的要求已對元件供應廠商產生了重要影響,並且已經明顯影響到它們產品的定義。以飛思卡爾包含PowerPC核心的的MPC8548處理器為例,該晶片的許多設計特徵使其非常適合此類環境。

MPC8548是一種高度整合的處理器,合成了許多建構完整系統所需的晶片功能。如使用板上DDR1/2控制器後就不再需要外部橋接晶片。該晶片以板上串列RapidIO、PCI Express和Gb乙太網路模組的形式在板上整合了一個寬管。這不僅可以降低對外部晶片的需求(因而減少板卡佔用的空間),還可以消除使用橋接/週邊設備晶片時可能出現的系統瓶頸。這些板上模組具有內建DAM引擎,使數據無需任何主CPU交互就能快速傳輸到卡的主記憶體中。

圖3:多標準訊息通道卡參考設計。

當然,矽晶片只是設計一部份。為了加速產品上市,客戶普遍求助於矽晶片製造商,希望獲得參考設計。這些設計既可以是一種實體板,也可以是詳細的可靠設計。客戶可以在此基礎上設計自己的產品。

以飛思卡爾的MPC8548 AMC為例,這套參考設計是基於MPC8548 PowerPC處理器的一種高階夾層卡。如圖1所示,此卡是單寬、全高AMC卡,符合AMC.4技術規格。也就是說,它採用的光纖互連介面是串列RapidIO。除2個×4串列RapidIO互連外,此卡還透過3個Gb乙太網路SERDES介面連接到背板。第4個Gb乙太網路介面透過標準RJ45接頭從前板的外部提供。

該處理器的最高工作頻率為1.5GHz。它既可以從自己的板載ROM(16MB非揮發性快閃記憶體)上啟動,也可以配置為從串列RapidIO上啟動。後一種方案主要用於主/從配置。編程空間由符合業界標準的SODIMM(小型雙面記憶體模組)提供。該模組提供2個1GB的DDR型記憶體,能以533MHz的速率傳輸數據。一個小型D接頭為用戶提供到前面板外部的串列埠。插入到ATCA機櫃時,該卡可以作為大型系統的一部份執行,或者遠離標準電源獨立執行。

圖2所示的是另一種ATCA參考平台,這是一種ATCA承載板卡。該平台最多能夠裝載4個AMC卡或3個AMC卡外加1個封包電話夾層卡(PTMC,Packet Telephony Mezzanine Card)。該卡上的連接是透過串列RapidIO交換機設立的。此外,AMC卡也可以透過Gb乙太網路連接。

圖3顯示的是多標準訊息通道卡,該卡是用來快速開發訊息通道卡功能的開發卡,符合不同空中介面標準,包括但不限於802.16和WCDMA標準。

這種訊息通道卡是根據雙寬度AMC、全高度AMC.4技術規格設計。因此,既可以用於獨立模式,也可以插入到整合的ATCA或MicroTCA環境中。如此訊息通道卡就可作為基地台系統解決方案的訊息通道卡模組或超微細胞基地台的獨立平台。

圖4:使用ATCA和AMC的基地台架構。

此卡由4個主要模組組成。第一個模組是PowerQUICC III(PQ3)子系統,是能以1GHz的頻率執行的MPC8555元件,它通常提供MAC層功能。第二個模組是雙DSP子系統,包括2個MSC8122 StarCore DSP。所有DSP都是4核心DSP,每個核心以500MHz的頻率執行。第三個和第四個子系統是符合演算法的FPGA和SERDES FPGA。DSP和演算法FPGA提供PHY功能,而SERDES FPGA在背板外面提供所需的SERDES連接。

與該卡的連接是透過背板上的兩條Gb乙太網路鏈路和串列RapidIO設立的。此外,還可以透過前面板上的Gb乙太網路、USB和RS232鏈路與PQ3連接,透過兩條快速乙太網路鏈路和兩條RS232鏈路與DSP子系統連接。演算法FPGA則提供與RF模組的連接。

這種訊息通道卡非常靈活。這意味著在相同投資下,訊息通道卡能夠滿足多種設計要求。這種卡不需要太多設計就能安裝在ATCA或MicroTCA基地台中,或者作為獨立系統的一部份執行,因而成為系統開發和系統部署的理想選擇。

ATCA與AMC平台應用實例

無線基地台應用是能利用ATCA和AMC平台優勢的常見終端應用。如果在這個環境中考慮本文討論的幾種開發卡,就不僅能輕鬆地建構基地台,還可以建構多標準基地台。

MPC8548 AMC可以提供實施基地台網路介面卡功能所需的功能等級和連接。在802.16標準中,這將執行802.16標準的融合子層。訊息通道卡隨後將在PowerQUICC III設備上執行其它無線MAC。取決於系統劃分和架構,MSC8126設備可將執行PHY部份。但是在802.16標準中,它通常執行用戶處理功能,而在3G標準中則執行SR訊息通道編碼功能。FPGA將負責完成其餘部份的PHY功能。

基地台的最後一個零組件是RF模組。在訊息通道卡上可以使用不同介面,如串列RapidIO連接。我們可以在系統上製作和插入RF AMC模組,然後根據空中介面的類型使用不同的RF模組。考慮到這類設計靈活性,加上訊息通道卡上支援多個空中介面的功能,這類設計允許修改RF模組或在系統中使用多個RF模組,這就使它成為真正的多標準基地台。另外一個可以修改的唯一組件是軟體。開發系統時,由於這會降低開發板卡所需的投資,因而具有明顯優勢。此外,它在部署方面也擁有諸多優勢。除了ATCA和AMC優勢外,符合多個標準和使用多個低成本RF AMC模組的功能也意味著工程師能以遠端升級軟體並在串列RapidIO交換機上配置路由表,從遠端為不同空中介面配置基地台。

顯然,我們現在可以根據不同因素來以多種不同方式實現無線基地台。這顯示使用正確模組可輕鬆建構不同架構。例如,如果到核心網路或RNC的回程連接是透過ATM而非IP設立,就可以用包含另一元件的卡(如包含PowerPC核心的MPC8360 PowerQUICC II Pro)來替換MPC8548AMC卡,以實現所需的互通功能。

作者:Rod Watt

首席工程師

Colin Cureton

無線基礎架構系統行銷部

Gavin Gall

ATCA/AMC系統行銷部

飛思卡爾半導體




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