用CPCI/ATCA 构建高性能工业计算机/通信产品平台

责任编辑：企业网 |来源：企业网D1Net 2010-08-06 16:47:40 原创文章企业网D1Net

1 高性能计算机/通信产品的特殊要求

高性能计算机，顾名思义，就是在处理能力和可靠性方面具有更高的性能。下一代网络与通信设备，由于要承担几百倍、几千倍于目前的业务数据的交换和传输，同样也需要更高性能、更先进的解决方案。更先进的高性能的处理器，更高的系统工作频率，更高的总线带宽，更优化的系统结构，是这样的高性能系统所需要的。由于承载的业务量越来越多，在可靠性方面，高性能计算机和NGN 设备比过去有更高的要求。高效的软硬件管理体制、可靠的供电系统，良好的通风散热机制，完善的EMC 结构，是实现高可靠性所必须采用手段。

概括地讲，新一代的高性能计算机和网络通信设备都具有如下的要求：

1）足够强的数据处理能力
    2）足够高的数据传输速度
    3）足够多的外部连接接口
    4）安全而高效的系统管理机制
    5）标准而可靠的系统连接方式
    6）易于维护的系统结构
    7）良好的开放性和可扩展性
    8）抗恶劣环境
    9）容错性强

2 CPCI/ATCA的技术优势

CPCI/ATCA 技术标准是PCI 在充分吸收其他工业总线的优点的基础上，针对高性能计算机、测量和控制系统、网络和通信设备的应用而开发的。

CPCI 采用33MHz/32bit~66MHz/64bit 的并行总线结构，信号传输速度高达528Mbyte/s。与一般的PCI总线比较，CPCI在速度上虽然没有太大优势，但扩展能力很强。一段CPCI总线可以连接一个系统设备和7个外围设备，通过桥接电路可以扩展到20 个外围设备。同时，在每个设备上还预留了更多的可扩展接口，这些接口可以由用户自行定义，也可以根据需求选择相应的标准扩展方式，包括：针对传统电信领域的H.110 总线，针对网络通信领域的包交换总线（PSB）

图1 CPCI总线结构

ATCA 抛弃传统的以CPU为中心的并行总线，改用双星（Dual Star）、双双星（Dual-dualStar）、全互连（Full Mesh）结构，通过最多200 个3.125G 的高速串行LVDS 通道，实现高达300G 的双向数据传输和处理能力。

图2 ATCA总线结构

CPCI 和ATCA 的这种总线结构非常适合于分布式并行处理的高性能计算机通信系统。CPCI 作为新一代工业计算机的技术标准，经过近10年的发展和遍布全球的PICMG成员的共同努力，已经成为当代高可靠性系统的首选的解决方案。ATCA系列规范虽然发布时间不长，但是，由于它为下一代高性能计算机、通信系统提供了更先进的设计思想和更完善的实现手段，所以也正被越来越多地应用于这些领域的新产品开发。

3 用CPCI技术设计的3G UTRAN系统平台

3G 系统是由用户设备（UE）、无线接入网（UTRAN）和核心网（CN）三部分组成，如图3。

图3 3G网络的构成

图4 UTRAN 结构示意图

[NextPage] 针对这样一个特殊的系统，设计了基于CPCI 技术的系统解决方案：CPCI 并行总线作为系统管理与维护平面，双星PSB 总线作为业务数据传输平面。采用6U10SLOT 的背板，4 个Node Board、2 个STM-1 Board 分别占据6 个外围插槽，Node Board 采用3+1 冗余结构，STM-1Board 采用1+1 冗余结构，2块System Manager Board 分别位于两个主备用的系统插槽，通过CPCI 总线对所有外围槽上的设备进行配置和管理，2 块Switch Board 分别占据两个交换槽，2 个系统槽和6个外围槽同时作为业务节点，它们一起构成双星拓扑的交换结构。

图5 基于CPCI并行总线的系统管理结构

图6 基于PSB高速串行总线的数据传输结构

根据系统应用要求设计了专用的9U 机箱结构。10 个6U CPCI 插卡以水平方式安装，在与Node Board对应的位置，预留了3-4个RF模块安装位置和相应天线连接的接口面板。RF模块的下面是系统监控模块，对电源、风扇和系统进行检测告警和控制。监控模块的下面是2 个3U 250W 的CPCI 电源，以1+1 方式对所有CPCI插卡冗余供电。同时，机箱的底部还有一个标准的3U1800W的通信电源，用它对RF模块和外接天线提供-48V 馈电，需要时也可以对蓄电池进行浮充电。机箱内还特别配置了具有防雷功能的配电单元，以确保复杂应用环境下人身和设备的安全。为了确保系统可靠运行，针对系统的特点，设计了两个完全独立的通风系统。位于上面的系统主体部分，用4 个120x120的强力风扇，以高达528CFM的通风量，在系统监控模块的控制下，根据系统工作温度对10 块插卡和两块CPCI电源进行散热。位于下面的通信电源，每个模块都具有独立的风扇和独立的通风通道，并可根据温度自动调节风扇的运转状态。

最后设计完成的产品如图7 所示：

图7 3G UTRAN 系统机箱及背板实物

4 用ATCA技术设计的刀片式服务器

刀片式服务器，顾名思义，就是把原来的体积庞大的台式服务器或机架式服务器缩小为一块SBC（Single Board Computer）,箱刀片一样插入相应的机箱。一个机箱内有若干个这样的刀片，他们可以进行统一的配置管理，共享数据，根据不同的要求，加载相同或不同的程序，同时执行一个或多个数据处理任务。这样的刀片式服务器将成为下一代的高性能计算机、网络通信系统的核心设备。

采用图2 所示的总线拓扑结构，在一个高14U 的19”标准机箱内，可以安装多达14 个服务器刀片。由于服务器刀片之间的高速数据线路已经全部在一块背板实现，并且又更良冷却系统和完善的机箱管理功能，因此，其可靠性远高于传统的服务器。