Erweiterungsbaugruppen nach Bedarf (Embedded World: 12-404)

Frischer Wind für die PICMG-1.x-Standards

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Der Standard PICMG 1.3 ist konzipiert für PCI-Express- und PCI-Erweiterungskarten sowie zahlreiche andere Schnittstellen, die ohne interne Verkabelung via Backplane zur Verfügung gestellt werden. Er stellt die ideale Plattform für besonders flexible IPC-Konfigurationen mit kostengünstigen Erweiterungskarten dar. Der Beitrag beschreibt, was mit den 1.x-Standards heute – mit „frischem Wind“ – alles möglich ist.

In allen Anwendungen zur Datenübertragung und -verarbeitung steigen die Anforderungen an die verfügbare Bandbreite ständig. Die bestehende PCI-Infrastruktur soll jedoch so weit als möglich weiterverwendet werden – zumindest in den technisch sinnvollen Fällen, da dies bestehende Investitionen sichert und Kosten für Neuzulassungen reduziert. In den aktuellen Chipsätzen tragen die Hersteller diesen Forderungen Rechnung, indem im-mer mehr PCI-Express-Schnittstellen integriert werden, unter Beibehaltung des PCI-Busses. Dies regte das PICMG Subkomitee zur Definition des PICMG-1.3-Formfaktors an.

Durch die hohe Flexibilität der Schnittstellen von PICMG 1.3 System Host Boards (SHB) können auf Basis passender Backplanes nahezu alle Anforderungen an den Typ und die Zahl der verwendbaren Steckkarten umgesetzt werden. Dies ist der entscheidende Vorteil von PICMG 1.3 sowohl gegenüber Slotbaugruppenkonzepten, die entweder nur PCI oder nur PCI-Express unterstützen, als auch gegenüber konventionellen Motherboardlösungen, bei denen die Anzahl der Schnittstellen nicht vom Applikationsentwickler frei definiert werden kann. Diese hohe Flexibilität bei gleichzeitiger Verwendung von PCI- und PCI-Express-Erweiterungskarten macht PICMG 1.3 zu einem sehr gefragten Formfaktor für den Aufbau kundenspezifischer Lösungen.
Interessant ist PICMG 1.3 insbesondere auch wegen der langen Tradition, die mit dem Launch von PICMG 1.0 begann, dem ersten Standard der im Jahr 1994 gegründeten PICMG. Zu diesem Standard ist auch PICMG 1.3 mechanisch kompatibel, was nicht verwundert, da auch heute noch verwendete ATX-Standards für die Frontbleche zugrunde liegen und zahlreiche Anbieter von Erweiterungskarten mit diesem mechanischen Konzept arbeiten. Vorteilhaft beim Slotkonzept ist zudem die Möglichkeit, die CPU-Baugruppe ausbauen zu können, ohne die Erweiterungskarten aus ihrem Steckplatz entfernen zu müssen. Darüber hinaus wird bei PICMG 1.3 – im Gegensatz zu PICMG 1.2 – wieder die gleiche Bestückungsseite für die CPU verwendet. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass der CPU-Kühlkörper auf derselben Seite wie bisher integriert wird. Hierdurch reduziert sich der Aufwand für eine Umstellung von PICMG 1.0 noch weiter, da auch die bestehende Slot-Anordnung beigehalten werden kann.
Das Interfaceportfolio des SHB
Die Direktstecker an eine Baugruppe nach PICMG 1.3 sind logisch in Funktionsgruppen gegliedert. Der Direktstecker A liefert 16 PCI-Express Lanes, die je nach Chipsatz unterschiedlich ausgeführt sein können (1 x PCI-Express X16 oder 2 x PCI-Express X8 oder 1 x PCI-Express X8 und 2 x PCI-Express X4 oder 4 x PCI-Express X4 oder 16 x PCI-Express X1). Der Direktstecker B liefert entweder 1 x PCI-Express X4 oder 4 x PCI-Express X1. Der Stecker C bietet an Standard-Schnittstellen bis zu 2 x Sata (für Sata-II-Treiber auf BLP nötig), bis zu 4 x USB 2.0 sowie bis zu 2 x LAN. Der Steckplatz D ist für den (lt. Spezifikation) optionalen PCI-Bus reserviert. Zusätzlich sind noch Signale zur Kontrolle eines ATX-Netzteils vorgesehen sowie ein I²C-Bus. Je nach SHB kann die Zahl der verfügbaren Funktionen variieren.
Das Interfaceportfolio der Backplanes
Aus dieser Vielfalt der vom System Host Board maximal über Backplane unterstützten Schnittstellen lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Kombinationen entwickeln. Für Standardlösungen stehen dabei bereits diverse Standard-Backplanes zur Verfügung. Unproblematisch ist aber auch die kundenindividuelle Backplane-Gestaltung, die sich bereits ab rund 500 Stück amortisiert. Exemplarische Bestückungsvarianten einer PICMG 1.3 Backplane sind nachfolgend beschrieben, wobei der Einfachheit halber lediglich die Buserweiterungen dargestellt sind. Die dedizierten Schnittstellen für USB, Sata etc. sind selbstverständlich ebenfalls verfügbar und bedarfsgerecht ausführbar:
  • Backplane für PCI-Erweiterungskarten: Für manche Applikationen ist zwar die Rechenleistung aktueller PICMG-1.3-Systeme gefordert, nicht aber die erhöhte Bandbreite von PCI-Express. In solchen Fällen bietet sich eine Umsetzung an, wie sie seit Jahren bei PICMG 1.0 üblich ist. Die Anzahl der maximal möglichen Slots kann dabei durch PCI zu PCI Bridging erhöht werden. Vorteilhaft ist bei einem solchen Aufbau der softwaretransparente, technisch einfache Aufbau mit bewährten Komponenten bei Bandbreitenbeschränkung auf 132 MByte/s – und zusätzlich PCI-Express-Potenzial.
  • Backplane für PCI- und PCI-X-Erweiterungskarten: Systeme, die auf PCI-X- und PCI-Erweiterungskarten bauen, können ein PICMG 1.3 SHB mit einer Backplane betreiben, die mit Bridges von PCI-Express sowohl nach PCI als auch nach PCI-X bestückt sind. Diese Variante bietet bereits deutliche höhere Bandbreiten, als die reine PCI-Variante. Auch beschränkt das PCI-Segment nicht die Bandbreite des PCI-X-Segments. Um eine solche Lösung zu betreiben, muss jedoch das Bios des SHB angepasst werden. Eine solche Backplane-Lösung ist komplexer, die Bridges müssen BGA(Ball Grid Array)-bestückt werden. Das ist bei kleinen Stückzahlen entsprechend teurer.
  • Backplane für PCI-Express-Erweiterungskarten: Höchste Performance wird durch PCI-Express-Erweiterungskarten erzielt. Um die bei den Chipsätzen ausgeführten PCI-Express x 16 Lanes (eigentlich für PEG – PCI-Express for Graphics – gedacht) für „neutrale“ Lanes zu nutzen, gibt es mittlerweise sogenannte „PCIe Switches“. Die Funktionalität entspricht in etwa den PCI-„Bridge“-Bausteinen. Vorteilhaft ist hier, dass die Flexibilität auf der Backplane realisiert wird, nicht mittels kostenintensiver Serverchipsatz-Lösungen. Hierdurch fallen die Kosten nur in Applikationen an, in denen die Flexibilität tatsächlich benötigt wird. Weiterhin ist diese Lösung unabhängig vom jeweiligen SHB, was den Anwender herstellerunabhängig macht. Bei SHBs mit integrierten Grafikchipsätzen kann diese Grafik jedoch teilweise nicht genutzt werden. Da derzeit zumeist auch noch PCI-Erweiterungskarten verwendet werden, unterstützen die meisten SHBs sowie die PCI-Express Backplanes weiterhin PCI, sodass bestehende Erweiterungskarten nach diesem Standard problemlos eingesetzt werden können.
Diese Variantenbeispiele zeigen, dass jede nur erdenkliche Lösung von Seiten der Erweiterungskarten mit PICMG 1.3 umsetzbar ist, sodass sich PICMG 1.3 für alle Applikationen eignet, die heute mit den Vorgängerversionen der PICMG 1.3 umgesetzt werden. Und selbst PCI-zu-ISA-Bridges können einfach auf die Backplanes eindesigned werden, sofern der verwendete Chipsatz dies noch unterstützt. Diese extrem hohe Abwärtskompatibilität erschließt bestehenden Applikationen einen nahtlosen Transfer hin zu neuesten Performanceklassen.
Ein im Vergleich zu allen anderen SBC(Single Board Computer)-Konzepten einmaliger Vorteil, der auch für die Zukunft für PICMG-1.x- Konfigurationen spricht, ist: Der Generationswandel von PCI zu PCIe fällt mechanisch deutlich unproblematischer aus, als bei allen an-deren Slotbaugruppenlösungen bzw. SBCs. Auch ist langfristig jede neu geforderte Steckplatzanordnung und Kombination möglich, was evolutionäre Migrationen (und nicht Revolutionen) von kundenspezifischen Konfigurationen ermöglicht. Gleichzeitig wird auf getestete und bewährte Konzepte zurückgegriffen, was Designkosten und Risiko reduziert. In der Summe bieten PICMG-1.x-Lösungen auch für die Zukunft maximale Flexibilität und damit hohes Innovationspotenzial bei gleichzeitig optimaler Abwärtskompatibilität zu bestehenden Technologien.
eA 409

praxis plus
Der PICMG-1.3-Standard ist die ideale Plattform für besonders flexible IPC-Konfigurationen mit kostengünstigen Erweiterungskarten. Alternative Systemaufbauten sind zum einen Mother-board-basierte Lösungen, mit entsprechend geringerer Packungsdichte und geringerer Bestückungsvariabilität, dafür aber mit bereits integrierten Erweiterungsslots. Somit entfallen die Kosten für eine separate Backplane. Zum anderen gibt es CompactPCI-Systeme mit robusten indirekten Steckverbindern und wesentlich komplexerem Featureset wie IPMI und Hotswap-Funktionalität. Diese Variante ist allerdings etwas teurer. Kontron bietet alle drei Lösungsalternativen und damit eine formfaktorunabhängige Beratung an.

Weitere Informationen zu PICMG 1.3 (SHB Express) bzw. zur Vielfalt aktueller Spezifikationen in diesem Bereich bietet die PICMG auf der hier verlinkten Website.
Details zu Konzern und Produktspektrum von Kontron bietet die Unternehmenswebsite.

eA-INFO-TIPP
Weitere Informationen zu PICMG 1.3 (SHB Express) bzw. zur Vielfalt aktueller Spezifikationen in diesem Bereich bietet die PICMG auf der folgenden Website:
www.picmg.org/v2internal/ specifications.htm
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