利用模块化的可扩展参考设计瞄准ATCA和AMC市场机会
Rod Watt: 飞思卡尔半导体首席工程师
Colin Cureton:飞思卡尔半导体无线基础架构系统市场部
Gavin Gall:飞思卡尔半导体ATCA/AMC系统市场部
我们为什么需要ATCA？
AdvancedTCA®作为基于标准的下一代电信计算平台而广受人们的欢迎。它是在PCI工业计算机制造商组织（PICMG®）的指导下，由100多家业内提供商和电信设备制造商开发出来的。这款基于标准的平台设计用于满足CompactPCI或专用系统无法轻松胜任的电信行业特殊需求。
新的分组基础架构正在取代原来的TDM基础架构。这就意味着机柜中的数据带宽要求正在从10和100Mbps提高到千兆比特（Gb）或太比特（Tb）级别。Compact PCI中的PCI总线不能提供足够的带宽，即使使用千兆比特速率的 PICMG2.16底板，您也不能支持一个双千兆以太网板。此外，随着带宽的增加，利用这些数据来进行一些有意义的工作所需的带宽和功率也在不断增加。
AdvancedTCA标准涵盖了机架尺寸、功率和环境标准等问题，另外还包括了电信行业的特殊要求。这包括适合需要大量处理功能的高密度应用，如无线和语言应用、有线数据及线速最高达10Gb/s的光传输应用。
为了满足这些应用的需求，PICMG 3.x AdvancedTCA技术规范定义了支持多种拓扑配置和互连技术的底板体系结构，包括千兆以太网和串行RapidIO®接口。高速率交换矩阵技术能在单个机架上实现2.5Tb/秒的交换和处理速率。ATCA还包含管理整个平台的基本机制。这是一个演进步骤，为设备制造商提供了构建新型增值业务的基本平台。
ATCAT用在什么地方？
最近的行业报告显示，ATCA设备有着很大的市场：
CCC（Crystal Cube Consulting），2006年3月: "预计到2009年底，AMC的市场交易额将达到140亿美元，ATCA市场交易额将达到420亿美元。"
In-Stat/MDR，2004年3月：2003-2007年， ATCA标准底架的收入预计将达到184亿美元（Eric Mantion - Instat/MDR）
全球网络设备---终端市场累计销售额
RHK，"Advanced TCA平台及刀片展望，2003年10月"："…到2007年，收入将从现在的很小数量增加到37亿美元。"
研究预测，2003-2007年的累计收入将达到 26亿美元和57亿美元。
随着".com"网络泡沫的破灭和此后电信业发展速度的减慢，许多OEM和ODM解聘了大量工程人员。现在，随着通信市场的逐步繁荣，面市时间成为重要的成功因素。标准平台的使用能帮助公司迅速开发解决方案，将更多时间用于真正的增值业务（如软件服务），从而在竞争中脱颖而出。
ATCA的目标是无线接入、无线边缘、有线接入和核心传输市场。显然，它首先很可能会在2/2.5/3G无线基础架构市场上取得成功：基站控制器（BSC）、无线网络控制器（RNC）、服务GPRS支持节点（SGSN）、网关GPRS支持节点（GGSN）、媒介网关（MGW）和移动交换中心（MSC）。
许多客户正在为其最终用户开发ATCA兼容系统，但是，根据飞思卡尔的经验，我们的所有客户都从将ATCA作为快速原型系统中受益。
现在，整个行业都在从PCI Mezzanine Card（PMC）和Switched Mezzanine Card（XMC）向Advanced Mezzanine Card
（AdvancedMC™ /AMC）移植，主要是因为AMC支持热插拔。这样，AMC就能提供具有编程功能的现场可替换模块，为服务人员带来极大的灵活性，帮助运行商降低资本开支。
新建议的 MicroTCA™平台允许在1个机架中最多使用12个AMC而不需要ATCA载体卡，从而为这些标准模块创造了更多机会。MicroTCA被视为ATCA的补充产品，它将为电信市场以外的市场提供成本更低的路由，特别是专用板卡领域，如军事、医药和工业自动化市场中的高性能嵌入式应用。通过增强AMC和MicroTCA的市场支持和普及，更大的业务量将为提供标准板卡的主板公司带来新的机会，这反过来又将帮助最终客户降低每个模块化组件的成本。
工程挑战
ATCA和AMC技术规范的出台为板卡设计人员提出了一系列新的挑战。过去，板卡设计人员只需考虑总线负载、高速率设计和功率管理等问题。现在，他们还必须考虑板卡所需的空间和散热性能，确保它们能与ATCA子系统无缝集成。这就迫使设计人员从电子工程师变成系统设计行家。
两种技术规范都为板卡设计人员定义了包含独特设计挑战的新环境。其中最重要的两个限制是板卡尺寸和散热问题。
板卡尺寸
尽管AMC有时被误认为是PMC卡，但它为板卡设计人员提供了比PMC卡更大的表面积。技术规范允许两种不同的PCB尺寸，其中单宽度卡尺寸为75mm x 180mm左右，双宽度卡为149mm x 180mm左右。在载体密度方面，标准的8U载体能够容纳4个单宽度卡，2个双宽度卡或1个双宽度卡和2个单宽度卡（假设卡为全高度。如果是半高度卡，数量就会增加）。
选择哪种板卡尺寸显然取决于特定应用所需的硅元件数量。但是，硅元件数量不是选择设备尺寸的唯一考虑因素。双高度PCB不仅意味着可用空间能够增加一倍，还意味着可在前面板上提供I/O所需的额外空间。尽管一个板卡上要求的硅元件数量允许设计人员将此卡缩小为单宽度AMC，但I/O可能会要求使用双宽度卡。例如，使用单宽度卡时，前面板上可能只有3个RJ45接头（记住，LED和把手开关也要占用空间）。根据板卡的I/O，这可能远远不够，从而迫使设计人员使用双宽度卡。
人们已经开发出高度集成的处理器（包括集成的内存控制器、串行RapidIO 和 PCI Express SERDES模板），大大降低了对桥接芯片和外围设备的需要。但即使如此，板卡空间仍然非常紧缺。
同样，ATCA技术规范还为板卡设计人员带来了严格限制。乍一看，技术规范提供的大板卡尺寸可提供放置组件的足够空间。但是，严格的"预留空间"（为了支持AMC卡的添加、满足电源要求、支持背板互连）限制大大减少了载体上的可用空间。
热传
尽管本规范为单宽度AMC卡规定了60W的预算功率，但设计人员发现，在有限的可用空间内有效散热非常困难。人们普遍认为大多数AMC将安装在ATCA机架上，这里提供的标称气流为1m/s。但应该记住，在由4个卡组成的载体上，最后1个AMC卡只能用前面3个卡排出的暖气流进行冷却。设计人员希望将散热保持在最低水平。这时，集成的低功率处理器非常有用，但可能还需要使用某种吸热装置。
ATCA载体卡的预算功率目前规定为200W。当然，我们还应特别注意载体上最终使用的AMC卡。例如，如果增加2个额定功率为60W的AMC卡，载体其余部分就只有80W的预算功率了。与以前一样，尽管我们完全可以在这个功率预算内设计一种卡，但设计人员应设法最大限度地降低功率。
对硅元件厂商的意义
对高度集成的低功率设备的要求已对硅厂商产生了重要影响，并且已经明显影响到它们产品的定义。
例如，飞思卡尔半导体提供的包含PowerPC®核心的MPC8548处理器。
芯片的大量设计特征使它们非常适合此类环境。
1. 高级集成
MPC8548是一种高度集成的处理器，综合了许多构建完整系统所需的芯片功能。例如，使用板上DDR1/2控制器后就不再需要外部桥接芯片。
2. 芯片上的粗管道（Fat Pipe）
处理器以板上串行RapidIO、PCI Express和千兆以太网模块的形式在板上结合了一个粗管道。这不仅可以降低对外部芯片的需求（从而减少板卡占用的空间），还可以消除使用桥接/外设芯片时可能出现的系统瓶颈。这些板上模块带有自己的内置DAM引擎，使数据无需任何主CPU交互就能快速传输到卡的主内存中。
3. 低功耗设计
领先的结构和设计技术可以降低功耗，以便最大限度地提高每瓦的MIPS效率，进而提高"每插槽MIPS"效率。
参考平台
当然，硅元件只是设计的一部分。为了加快产品上市，客户普遍求助于硅制造商，希望获得参考设计。这些设计既可以是一种物理板，也可以是详细的可靠设计。客户可以在此基础上设计自己的产品。
让我们看看飞思卡尔半导体提供的三款设计：
MPC8548 AMC
ATCA 参考设计
多标准信道卡
MPC8548AMC
顾名思义，MPC8448AMC是基于MPC8548 PowerPC处理器的一种Advanced Mezzanine Card。
图1：MPC8548AMC卡
如图所示，此卡是单宽度、完高度AMC卡，符合AMC.4技术规范。也就是说，它采用的光纤互连是串行RapidIO。除2个x4串行RapidIO互连外，此卡还通过3个千兆以太网SERDES接口连接到后面板。第四个千兆以太网接口通过标准RJ45接头从前面板外部提供。
该处理器的最高运行频率为1.5GHz。它既可以从自己的板上ROM（16兆非易失性闪存）上启动，也可以配置为从串行RapidIP上启动。后一种方案主要用于主-备配置。程序空间由符合行业标准的SODIMM (小型双内联内存模块)提供。该模块提供2个1GB的DDR型内存，可以533MHz的速率传输数据。
1个小型D接头为用户提供到前面板外部的串行端口。
插入到ATCA机柜时，该卡可以作为大型系统的一部分运行，或者远离标准电源独立运行。
ATCA参考平台
如图2所示，ATCA参考平台是一种ATCA载体卡。该平台最多能够装载4个AMC卡或3个AMC卡外加1个Packet Telephony Mezzanine Card（PTMC）。
该卡上的连接是通过串行RapidIO交换机建立的。此外，AMC卡也可以通过千兆以太网连接。
图 2: ATCA 参考平台
多标准信道卡
如图3所示，飞思卡尔多标准信道卡是用来快速开发信道卡功能的开发卡，符合不同空中接口标准，包括但不限于802.16 和 WCDMA标准。
这种信道卡是根据双宽度AMC、全高度AMC.4技术规范设计的。因此，既可以用于独立模式，也可以插入到集成的AdvancedTCA 或 MicroTCA环境中。这样，信道卡就可以用作基站系统解决方案的信道卡模块或微微型小区基站的独立平台。
此卡由4个主要模块组成。第一个模块是PowerQUICC™ III (PQ3)子系统，是能以1GHz的频率运行的MPC8555设备。它通常提供MAC层功能。第二个模块是双DSP子系统，包括2个MSC8122 StarCore™DSP。所有DSP都是4核心DSP，每个核心以500MHz的频率运行。第三个和第四个子系统是符合算法的FPGA和SERDES FPGA。DSP和算法FPGA提供PHY层功能，而SERDES FPGA在背板外面提供所需的SERDES连接。
图3:多标准信道卡
与该卡的连接是通过背板上的两条千兆以太网链路和串行RapidIO建立的。此外，还可以通过前面板上的千兆以太网、USB和RS232链路与PQ3连接，通过两条快速以太网链路和两条RS232链路与DSP子系统连接。算法FPGA提供与RF模块的连接。
因此，这种信道卡非常灵活。这意味着，在相同投资下，信道卡能够满足多种设计要求。这种卡不需要太多设计就能安装在ATCA或MicroTCA基站中，或者作为独立系统的一部分运行，从而成为系统开发和系统部署的理想之选。
应用举例
无线基站应用是常见的能利用ATCA和AMC平台优势的终端应用。如果在这个环境中考虑本文讨论的几种开发卡，就不仅能轻松地构建基站，还可以构建多标准基站。
MPC8548 AMC可以提供实施基站网络接口卡功能所需的功能级别和连接。在802.16标准中，这将运行802.16标准的融合子层。信道卡随后将在PowerQUICC™III设备上运行其它无线MAC。根据系统分区和体系结构，MSC8126设备将运行PHY部分。但是在802.16标准中，它通常运行用户处理功能，而在3G标准中则运行SR信道编码功能。FPGA将负责完成其余部分的PHY功能。
图 4:使用ATCA和AMC的基站体系结构
基站的最后一个组件是RF模块。在信道卡上可以使用不同接口，如串行RapidIO连接。我们可以在系统上创建和插入RF AMC模块，然后根据空中接口的类型使用不同的RF模块。考虑到这类设计的灵活性，加上信道卡上支持多个空中接口的功能，这类设计允许修改RF模块或在系统中使用多个RF模块，这就使它成真正的多标准基站。另外一个可以修改的唯一组件是软件。开发系统时，由于这会降低开发板卡所需的投资，因而具有明显优势。此外，它在部署方面也拥有诸多优势。除了ATCA和AMC的优势外，符合多个标准和使用多个低成本RF AMC模块的功能意味着，工程师可以远程升级软件并在串行RapidIO交换机上配置路由表，从而远程为不同空中接口配置基站。
显然，我们现在可以根据不同因素来以多种不同方式实施无线基站。这表明，使用正确的模块可以非常轻松地构建不同的体系结构。例如，如果到核心网或RNC的回程连接是通过ATM而不是IP建立的，就可以用包含另一设备的卡（如包含PowerPC® 核心的MPC8360 PowerQUICC™II Pro）来替换MPC8548AMC卡，以实现所需的互通功能。
小结
初看起来，转而使用ATCA和AMC标准对公司而言是迈出了一大步。技术规范在板大小、散热和板功能方面的严格要求向板卡设计人员和设备制造商提出了严峻挑战。
但是，随着大型硅元件厂商(如飞思卡尔等)开始提供参考平台和设计资料，您可以随时获得帮助。
标准的灵活性和模块化为系统集成商带来了巨大优势。"构建模块"法能帮助他们轻松重新配置系统或快速生产出原型。这意味着开发和部署新系统将比以往任何时候都更经济高效。这不仅有利于更频繁地更新解决方案，还为最小的设计公司打开了新市场。