1、工业计算机技术的发展

    从PCI到CompactPCI到AdvancedTCA，工业计算机正经历一次革命性的变化。

    传统的PCI结构的工业计算机，是一种典型的计算架构。高度集中的数据处理方式、不可扩展的系统总线、功能简单的外围设备是这种传统的计算机体系结构的最大的特点。在这样的系统中，CPU或主板是整个系统的“计算中心”，PCI总线是数据传递的唯一通道，数据处理能力、数据传输能力、系统扩展能力等方面都受到很大的制约，任何一点形成瓶颈或发生故障都会使整个系统陷入瘫痪。这一切，使传统的PCI结构的工业计算机的应用受到很多限制。

    在PCI基础上发展而成的CompactPCI工业计算机，是一种比较先进的扩展的计算架构。在这种新型的计算机体系结构中，CPU或主板不再是整个系统的“计算中心”，外围设备更加智能化和模块化，集中分散式的数据处理方式取代了高度集中的数据处理方式；PCI总线也不再是数据传递的唯一通道，大量的业务数据可以通过星型或双星结构的以太网交换总线进行传输，也可以通过扩展的H.110通信总线或客户自定义的方式实现更多的业务。CompactPCI工业计算机，采用了比PCI工业计算机更加稳固的、易于维护的、具有良好散热特性和EMC特性的机械结构，采用了开放化、模块化的、可扩展的系统结构，采用了热拔插、系统管理、冗余设计等先进的设计思想，因此，具有更高的性能和可靠性，正在被越来越多的应用于网络通信、工业测控、航空航天和国防军工等关键行业。

    无论是PCI工业计算机还是CompactPCI工业计算机，都没有摆脱传统的计算架构和电平方式传输的并行总线，这成为影响其性能进一步提高的最大的障碍。

    PICMG于2002年发布的ATCA（Advanced Telecommunication Computing Architecture）技术标准，以先进的通信架构取代传统的计算架构，以低压差分方式的高速串行总线取代电平方式的低速并行总线，以可配置的多样化的接口和拓扑结构取代单一的PCI传输模式。这种革命性的变化，使工业计算机彻底摆脱了各种制约，进入了一个全新的发展时期。ATCA因为具有更先进的性能、更好的模块化的结构和更加完善的系统管理方式，正在被越来越多的高性能计算机、通信设备制造商和运营服务商选定为新一代产品的解决方案。

    PICMG最近发布的MicroTCA（Micro Telecommunications Computing Architecture）技术标准，充分采纳、沿用了ATCA 的各项优点，把ATCA中的AMC模块（Advanced Mezzanine Card）作为系统的基本配置单元，以更小的体积、更紧凑的结构和相对较低的系统成本，为下一代工业计算机和测控系统提供了更先进的解决方案。

2、MicroTCA的技术特点

    MicroTCA是一个完全模块化的系统平台，主要包括AMC模块、MCH模块、电源模块、高速背板、机箱和风扇模组等部分。MicroTCA的系统结构如图1所示。

图1 MicroTCA的系统结构

    MicroTCA的功能模块有6种可选择的标准尺寸，如图2所示。

图2 AMC的标准尺寸

    AMC是MicroTCA的基本功能模块，它与ATCA中的AMC在机械结构、电气特性、接口类型和连接方式等方面都完全兼容。ATCA中的AMC可以直接应用于MicroTCA。用AMC可以实现数据处理（CPU/NPU/DSP/FPGA）、数据存储（CF/HDD/CDR）、数据通信（GbE/10GbE/xDSL/xPON/RF）和数据I/O功能。与CPCI系统的PMC模块（PCI Mezzanine Card）相比，AMC在结构、功能、性能、互连方式和扩展能力等方面都有很大的优势。

表1 AMC模块与PMC模块的对比

表2 AMC的背板接口类型

    MCH（MicroTCA Controller & Hub）是MicroTCA的系统控制、管理和数据交换模块，之前曾被称为虚拟载卡管理器（VCM--Virtual Carrier Manager），即，MicroTCA系统的MCH相当于ATCA系统的交换模块+AMC载卡+机箱管理模块（Fabric+Carrier+ShMC）。每个MCH可以对12个AMC提供数据交换和管理功能，每个系统最多可以有4个MCH通过Update Channel互连，实现多达48个AMC的数据交换和管理。MCH的结构框图如图3所示。

图3 MCH的结构框图

    每个AMC最多可以有21个可配置的高速数据接口，每个MCH最多可以有60个可配置的高速数据接口，这些接口通过MicroTCA背板及MCH的交换网络实现高速数据通信。AMC模块可以通过MCH在背板上以star、dual star、star fabric方式连接，也可以不通过MCH，在背板上实现mesh结构的点到点的直接连接。

图4 Dual star 结构的MicroTCA系统互联方式

    MicroTCA的Power Module，把系统输入的DC48V电源或AC电源转换成DC12V，通过背板为其他MicroTCA模块提供电源供应和功率管理功能，类似于ATCA系统的PEM和载卡上的DC/DC Converter。每个Power Module有16个DC输出通道，可分别对12个AMC、2个MCH和2个风扇模组供电。与CPCI电源一样，MicroTCA的Power Module也支持N+1的冗余工作模式。

    MicroTCA的每个模块都有两个IPMI接口，Power Module通过IPMB-0对MCH进行在位侦测和上电控制，MCH通过IPMB-L对所有AMC模块进行在位侦测、使能和物理地址识别，所有的MCH和AMC都可以通过特定的IP接口与上一级的系统管理模块相连，实行更为复杂的系统监控、配置和管理功能。

    由于要面向小规模的系统应用，MicroTCA采用小尺寸、细颗粒的功能模块的同时，也采用了符合IEC 60297、 IEC 60917的非常灵巧的机箱结构，可以根据配置规模和应用环境进行选择。图5是几种典型的MicroTCA机箱结构示意。

图5 MicroTCA的机箱结构

    在可靠性设计方面，MicroTCA也根据不同的应用要求提供了不同的选择。比如，在可靠性要求低的系统中，可以只有1个MCH和Power Module、采用简单的星形拓扑结构，可以只有1组风扇甚至没有风扇，可以没有系统监控和机箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求比较高的系统中，MCH、Power Module和风扇模组要采用1+1冗余，MCH和AMC模块之间的通信要采用双星拓扑结构，要有基本的系统监控和机箱管理（ShMC）功能；在可靠性要求更高的环境，多个MCH和AMC之间的通信则要采用Star Fabric或Full Mesh的网络拓扑结构，供电系统、冷却系统和机箱管理系统等也要采取更多的HA（High Available）设计。

3、MicroTCA的应用前景

    从前面的介绍可以看出，MicroTCA具有如下先进特性：

• 完全兼容AMC和ATCA
• 标准化的功能模块
• 可配置的业务类型
• 可扩展的背板传输带宽
• 紧凑的物理结构
• 灵活的应用方式
• 梯级化的可靠性设计
• 较低的开发和应用成本
• 较少的产品开发时间
• 更长的产品生命周期

    MicroTCA虽然是PICMG最新发布的标准，但是由于它是从ATCA和AMC发展而来，产业技术基础和应用环境都已经基本形成，再加上PICMG数百家成员的积极推动，必将在新一代的网络通信边缘接入设备、嵌入式测量和控制设备、图形图像处理设备、医疗设备、智能交通、航空航天和军工等领域得到非常广泛的应用。

图6 MicroTCA的市场预测

4、参考文献

    本文根据PICMG Micro Telecommunications Computing Architecture Short Form Specification MTCA.0 , September 21st, 2006编写，部分图片和数据摘自MTCA.0及PICMG成员的研究报告。

    由于MicroTCA还在继续发展和完善之中，作者对这一新技术的理解也不够全面和深入，所以，本文内容仅供参考，请勿作为产品设计依据。