EP Basics: Gehäusesysteme 19-Zoll-Systeme kurz erklärt: Backplane-Architekturstandards (Teil 1)

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In unserer neuen Serie zu 19-Zoll-Systemen nehmen wir die wichtigsten Backplane-Standards unter die Lupe. Die beiden Konsortien PICMG und VITA haben diese Standards maßgeblich vorangetrieben.

In drei Teilen werfen wir einen genaueren Blick auf die wichtigsten Backplane-Standards für 19-Zoll-Technik. Federführend für deren einheitliche Definition sind die beiden Konsortien PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) und VITA (VMEbus International Trade Association), ein Zusammenschluss engagierter Industrieunternehmen, welche in genauen Prozessen die Entwicklung dieser Standards maßgeblich vorantreiben.

Bevor wir uns diesen widmen, gestatten wir uns noch ein kurzer „Abstecher“ zu einigen grundlegenden Normen: Die IEEE 1101-1 legt die Grundmaße einer Reihe von modularen Baugruppenträgern für den Einbau in 19-Zoll-Geräten sowie die Grundmaße von kompatiblen Einschüben, Leiterplatten und Backplanes fest.

Außerdem werden die erforderlichen Abmessungen und Toleranzen angegeben, um mechanische und funktionelle Kompatibilität bis hin zur vollständigen Systemintegration sicherzustellen.

Die Norm IEEE 1101-10 gewährleistet eine mechanische Austauschbarkeit von Baugruppenträgern und Einschüben auf Basis von 19-Zoll (482,6 mm) und definiert damit auch Backplanes für 3 und 6 Höheneinheiten (HE). IEC 60297-3-104 beschreibt schließlich die Schnittstelle einer Backplane zum Baugruppenträger bezüglich Abmessungen, Anschraubpunkten und Eckdaten der Backplane. Dies setzt den „mechanischen Rahmen“ fest.

Für weitere Details wie beispielsweise Schnittstellen bzw. Steckverbinder mit unterschiedlicher Anzahl an Bus-Signalen sowie unterschiedlichen Spannungsversorgungen gibt es zusätzliche Standards.

Gehäusetechnik: Überblick zu wichtigen offenen Standards

Was versteht man unter einem offenen Standard? Ein offener Standard legt Spezifikationen fest, die ein Hersteller kennen muss, um Hard- oder Software so zu bauen, dass diese mit den Produkten anderer Hersteller kompatibel sind und interagieren können.

Die Existenz offener, für alle frei zugänglicher Standards hat sicherlich auch dazu geführt, dass heute viele Möglichkeiten am Markt vorhanden sind, um Computer- und (Embedded) Systemlösungen schnell zu realisieren und nicht jedes Mal bei Null anzufangen – ein großer Vorteil auch bei Aktualisierungen.

In den letzten Jahrzehnten haben offene Standards für viele Anwendungen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Standardisierungen sind dabei nicht statisch, sondern erhalten kontinuierlich Ergänzungen, um mit den steigenden Anforderungen und der technologischen Entwicklung am Markt Schritt zu halten.

Mit diesem Beitrag werden wir uns auf einige wesentliche Standards auf Basis der 19-Zoll-Architektur konzentrieren. Im Jahr 1979 wurde mit VERSAbus der Grundstein für den ersten Industriestandard für Backplane-Busarchitekturen gelegt, woraus sich 1981 der VMEbus entwickelte. Weitere Standards wie CompactPCI (1999), AdvancedTCA (2003), MicroTCA (2006), VPX als VME-Nachfolgestandard (2004), OpenVPX (2009), zuletzt CompactPCI Serial (2011) folgten.

Was ist ein Datenbus? Der „Bus“ erlaubt die Kommunikation verschiedener Systembestandteile einer Computerarchitektur miteinander. Anders als bei Punkt-zu-Punkt Verbindungen nutzen bei einem Bus mehrere Systembestandteile einen gemeinsamen Übertragungsweg und nicht einzelne Verbindungen untereinander.

In diesem Teil des Artikels beschäftigen wir uns mit den von der VITA standardisierten Architekturen VMEbus und den Derivaten sowie VPX und seinen Verwandten.

Die VMEbus-Spezifikation und ihre Derivate

Die VMEbus-Spezifikation legte den Rahmen für parallele 8-, 16-, 32- und 64-Bit-Busbreite fest, mit denen Einzel- und Multiprozessorsysteme für Echtzeitanwendungen realisiert werden können. Der VMEbus umfasst mehrere Sub-Busse für Datenüber­tragung, Prioritäts-Interrupts, Arbitrierung (Zugangsberechtigung) sowie Utility (Stromversorgung).

Die mechanischen Dimensionen von Platinen, Backplanes, Baugruppenträgern und Gehäusen basieren auf den IEC 60297- und IEEE 1101-1-Normen. Die spezifizierte Lösung sieht Steckverbinder mit einem Pin-Abstand von 2,54 mm (oder 0,1 Zoll) vor.

Im Prinzip arbeitet der VMEbus im Master- oder Slave-Betrieb, wobei die Datenübertragung über parallele Datenleitungen stattfindet und ein zentraler Controller den Zugang zum Bus steuert.

Der Standard erfuhr diverse Erweiterungen, etwa für Peripherieschnittstellen und Kommunikation zwischen kompatiblen Modulen. VME64x definiert eine Reihe von weiteren Merkmalen für VME32- und VME64-Karten, Backplanes und Baugruppenträger. Zu diesen Merkmalen gehören ein 160-poliger Steckverbinder, ein P0-Steckverbinder, geografische Adressierung, Spannungspins für 3,3 V und 5 V, ein Test- und Wartungsbus, sowie EMV- und ESD-Schutz. 20 Steckplätze – mit Erweiterungen ggf. mehr – können belegt werden. Die maximale Datenrate liegt bei 160 MBit/s.

Ursprünglich wurde der VMEbus in vielen Industrie-, Forschungs-, Halbleiterprozesssteuerungs-, Transport-, Medizin- und Verteidigungsanwendungen eingesetzt, bevor er durch neuere und breitbandigere, meist serielle Architekturen ergänzt wurde. Jedoch ist er aufgrund seiner Robustheit nach wie vor im Verteidigungssektor sehr verbreitet.

Höhere Leistung: VPX für Highspeed-Anwendungen

Da die Anforderungen an Highspeed und Bandbreite wuchsen, wurde VPX, auch bekannt als VITA 46, entwickelt. Es handelt sich um einen ANSI-Standard (ANSI/VITA 46.0-2019), der VMEbus-basierte Systeme mittels neuem Hochgeschwindigkeitsanschluss mit Unterstützung für Switched Serial Fabrics wie Gigabit Ethernet, PCI Express, Serial RapidIO, InfiniBand und Aurora vorsieht. VPX definiert auch einen erhöhten Leistungsumfang, einschließlich eines 48-V-Profils, und zusätzliche Kühlmethoden.

Zu den besonderen Merkmalen gehören Platinen im Europakarten-Format mit Hochgeschwindigkeits-Differentialanschlüssen, Karten mit einer Kombination aus Hochgeschwindigkeits-Differential- und Single- Ended-Anschlüssen sowie die zur Unter­stützung dieser Merkmale erforderliche Backplane-/Chassis-Infrastruktur.

Der Basisstandard definiert ähnliche physikalische Eigenschaften für das Europakarten-Format mit 3 HE und 4 TE und bietet die gleichen zwei Arten von Steckverbindern wie für 6 HE-Steckmodule. Auch hier gibt es Ergänzungsstandards wie etwa die Definition verschiedener Signale auf einem VITA 46-Stecker, die Spezifikation für das Verbindungs-Mapping zwischen definierten Mezzanine-Steckverbinder-Kontaktpositionen und der entsprechenden Backplane-Steckverbinder-Position.

Auch gab es Erweiterungen für mehr Skalierbarkeit, Komplexität und höhere Datenraten sowie die Festlegung der Systemmanagement-Architektur mit zugewiesenen Schnittstellen für Interoperabilität aller Systemteile.

Höhere mechanische Robustheit: Open VPX

Für erhöhte mechanische Robustheit und Kompatibilität wurde ANSI/VITA 65-2017 oder auch OpenVPX lanciert. Der Standard basiert auf dem VPX-Basisstandard, der die Entwicklung und Implementierung von Switched Fabric-basierten Highspeed-Systemen ermöglicht, und liefert verbesserte Bedingungen für HF-Signalisierung und optische Verbindungen.

Specs gibt es für Steckplätze, Backplanes und Module für eine leichte Austauschbarkeit von Boards ohne große notwendige Backplane-Anpassungen. Die Steckverbinder-Bandbreite wurde von 6,25 GHz auf 10 GHz, die Anzahl der differentiellen Paare von 64 auf 192 und die maximal unterstützte Spannungsversorgung von 12 V auf 48 V erhöht.

Ein spezifiziertes Moduldesign ermöglicht zudem die Kühlung mittels Konduktion. Mit neuen Spezifikationen wurden die Interoperabilität und Performance von VPX-Boards und Backplanes verschiedener Anbieter verbessert, was zu mehr Optionen, einfacherer Systemintegration und einem breiten Ökosystem von Board- und Gehäuse-Herstellern geführt hat.

Dies war nun ein kleiner „Schnelldurchlauf“ zur Entwicklung des VMEbus-Standards und seiner Nachfolger, welche auch die technische Weiterentwicklung im Markt widerspiegeln.

Im nächsten Teil wird es um den CompactPCI-Standard gehen, der inzwischen die Embedded Welt erobert hat, und die daraus hervorgegangenen Spezifikationen.

* Sebastian Schenk ist Produktmanager im Geschäftsgebiet Elektronik bei Heitec in Eckental.

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