CompactPCI, ein offener Industriestandard für Computer, wurde von PICMG entwickelt. Es ist das erste PCI-System mit passiver Bus-Grundplattenarchitektur. 1. PCI Local Bus und seine Eigenschaften: Der PCI Local Bus wurde erstmals von der Intel Corporation vorgeschlagen. 1991 gründete Intel zusammen mit mehreren anderen Unternehmen weltweit die PCI SIG. Die PCI SIG widmete sich der Etablierung und Weiterentwicklung des Industriestandards für den PCI Local Bus. 1992 veröffentlichte die PCI SIG die PCI Local Bus Specification 1.0. Nach Überarbeitungen erschien 1993 die PCI Local Bus Specification 2.0 und 1995 die überarbeitete Version 2.1, die am 1. Juni 1995 in Kraft trat. Der PCI Local Bus ist der Verbindungsmechanismus zwischen Prozessor/Speicher und Peripherie-Steuerkomponenten sowie Peripherie-Erweiterungskarten eines Mikrocomputers. Er spezifiziert die Protokolle sowie die elektrischen, mechanischen und Konfigurationsraumspezifikationen dieses Verbindungsmechanismus. Elektrisch definiert er insbesondere 5-V- und 3,3-V-Signalumgebungen. Die PCI Local Area Bus Spezifikation Version 2.1 definiert insbesondere die technischen Spezifikationen für eine 64-Bit-Buserweiterung und einen 66-MHz-Bustakt. Die PCI Local Area Bus Spezifikation ist heute der De-facto-Standard in der Mikrocomputerindustrie und einer der Industriestandards, die von Mikrocomputersystemen und -produkten weit verbreitet angewendet werden. Der PCI Local Area Bus erfüllt nicht nur die Anwendungsanforderungen von High-End-, Mittelklasse- und Low-End-Desktop-Computern, sondern eignet sich auch für den gesamten Bereich von mobilen Computern bis hin zu Servern. Die Hauptmerkmale des PCI Local Area Bus sind: Er ist ein leistungsstarker 32-Bit- oder 64-Bit-Synchronbus mit Adress- und Datenmultiplexing. Daher verfügt er über eine geringe Anzahl von Bus-Pins: nur 47 Signalleitungen für das Zielgerät und maximal 49 Signalleitungen für das Master-Gerät. Der PCI Local Area Bus entstand mit der Weiterentwicklung der Technologie und den Anforderungen der Anwendungen. Moderne Betriebssysteme wie Windows und OS/2 sind äußerst leistungsfähig und nutzen viele Grafikanwendungen. Die traditionelle PC-I/O-Struktur hat sich zu einem Flaschenhals entwickelt, der die Verbindung zwischen Prozessor und Grafikgeräten einschränkt. Auch andere leistungsstarke Peripheriegeräte wie LAN, SCSI und Multimedia benötigen hohe Leistung und Bandbreite. Der PCI-Local-Bus erreicht eine maximale Bandbreite von 132 MB/s bei einer Taktfrequenz von 33 MHz und einem 32-Bit-Datenpfad sowie eine maximale Bandbreite von 264 MB/s bei derselben Taktfrequenz und einem 64-Bit-Datenpfad. Bei einer Taktfrequenz von 66 MHz beträgt die maximale Bandbreite für den 32-Bit- und den 64-Bit-Datenpfad 264 MB/s bzw. 528 MB/s. Der PCI-Local-Bus ist prozessorunabhängig. Obwohl er von Intel entwickelt wurde, ist er nicht auf Intel-Prozessoren beschränkt; auch andere gängige Prozessorfamilien wie die Alpha-AXP-, PowerPC- und SPARC-Serien sowie Prozessoren der nächsten Generation mit zukünftigen Architekturen können den PCI-Local-Bus nutzen. Die vollständige Multi-Master-Fähigkeit des PCI-Local-Busses ermöglicht es PCI-Mastergeräten, direkt auf jedes Master- oder Zielgerät im Bus zuzugreifen. Die PCI-Konfigurationsraumspezifikation gewährleistet die automatische Konfiguration des gesamten Systems und erhöht so die Benutzerfreundlichkeit erheblich. Die Vorwärts- und Rückwärtskompatibilität von PCI ermöglicht einen reibungslosen Übergang bestehender Produkte zum neuen Standard und schützt die Interessen der Anwender. 2. Grundlegende Anforderungen an Industriecomputer: Wie Desktop-PCs benötigen auch moderne Industriecomputer hohe Geschwindigkeit und Leistung, insbesondere in Umgebungen mit grafischen Benutzeroberflächen, komplexen Steuerungsalgorithmen und strengen Zeitvorgaben. In bestimmten Büroumgebungen stellen Industriecomputer darüber hinaus besondere Anforderungen an ihre Systeme, vor allem: * **Robustheit:** Industriecomputer arbeiten häufig in heißen, kalten, schmutzigen und rauen Umgebungen und müssen Stößen und Vibrationen standhalten. Daher benötigen sie eine hohe Belüftung, Wärmeableitung und Robustheit. * **Zuverlässigkeit:** Eine hohe MTBF (mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen) ist unerlässlich. Dies umfasst die Zuverlässigkeit elektrischer Komponenten, mechanischer Teile, Steckverbinder und Peripheriegeräte. * **Modularität:** Industriecomputer verfügen neben den Standardkonfigurationen von Desktop-Computern über diverse I/O-Ports für unterschiedliche Zwecke, wie z. B. Analog-Digital-Wandler, SPSen, Videoschnittstellen und weitere spezialisierte I/O-Schnittstellen. Unterschiedliche Anwendungen stellen zudem unterschiedliche Anforderungen, was Modularität erforderlich macht. • Standardisierung – Erfolgreiche Computerdesigns sind selten das Werk eines einzelnen Unternehmens. Nur durch die Verwendung von Standardplattformen und Industriestandards lassen sich qualitativ hochwertige Produkte von verschiedenen Anbietern erzielen. • Frontpanel-I/O – Für eine einfache Bedienung benötigen Industriecomputer häufig Frontpanel-I/O-Anschlüsse. Das Frontpanel dient außerdem als Statusanzeige, zum Ein- und Ausstecken von Karten und als Verriegelungsfunktion. 3. Was ist CompactPCI? CompactPCI ist die Abkürzung für Compact Peripheral Component Interconnect und bedeutet „robustes PCI“. Vereinfacht ausgedrückt ist CompactPCI der elektrische und Softwarestandard des PCI-Busses in Kombination mit dem industriellen Montagestandard für Karten im europäischen Stil. Es ist aktuell der neueste Standard für Industriecomputer. Seit 1993 hat der PCI-Bus aufgrund seiner Vorteile in Bezug auf Offenheit, hohe Leistung, niedrige Kosten und universelle Betriebssysteme rasant an Popularität und Entwicklung gewonnen. Diese Innovationswelle hat Hersteller im Kommunikations- und Industriesektor sowie robuste, modulare, benutzerfreundliche und langlebige Embedded-Computerprodukte stark angeregt, um den Bedarf dieses Bereichs zu decken. 1994 gründeten einige Industriecomputerhersteller in den USA die PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG). Als gemeinnützige Branchenorganisation widmet sich die PICMG vorrangig der Erweiterung des PCI-Standards auf industrielle Systeme, der Verwaltung und Pflege der zugehörigen PCI-Spezifikationen sowie der Förderung der Etablierung relevanter PCI-Spezifikationen als branchenweite Standards. Die Mitgliedschaft in der PICMG ist freiwillig und wird je nach gezahltem Mitgliedsbeitrag in Vorstandsmitglieder, Verbindungsmitglieder und Mitglieder unterteilt. Die PICMG genießt langfristig unterschiedliche Rechte und hat derzeit über 370 Mitglieder. 1995 veröffentlichte die PICMG die CompactPCI-Spezifikation 1.0 und 1997 die CompactPCI-Spezifikation 2.0. Diese Spezifikationen bilden den Kern von CompactPCI und müssen erworben werden. Das Design von CompactPCI zielt darauf ab, die Vorteile von PCI schnell zu nutzen, um ein leistungsstarkes Kernsystem bereitzustellen, das die Anforderungen industrieller Anwendungen erfüllt. Gleichzeitig werden traditionelle Busprodukte wie ISA, STD, VME oder PC104 verwendet, um die I/O-Schnittstellen und andere Funktionen des Systems zu erweitern. CompactPCI überarbeitet daher nicht die PCI-Spezifikation, sondern modifiziert die bestehende PCI-Spezifikation, um eine passive, auf einem Backplane-Bus basierende Systemarchitektur zu schaffen. Beispielsweise konnte die ursprüngliche PCI-Spezifikation maximal vier zusätzliche Erweiterungskarten aufnehmen, was für industrielle Anwendungen oft nicht ausreichte. Das Basissystem von CompactPCI ist für acht Karten ausgelegt. Da CompactPCI auf der PCI-Plattform basiert, kann es die Ressourcen von Serien-PCs in Bezug auf Chips, Software und Entwicklungswerkzeuge nutzen und so die eigenen Kosten senken. Die weitverbreitete Verwendung von VME-Busprodukten hat bewiesen, dass die europäische Kartenmontagetechnik eine äußerst zuverlässige und ausgereifte Technologie ist, die sich besonders für verschiedene eingebettete Anwendungen eignet. Ihre Hauptvorteile sind: • Standardisierte Montagetechnik ist von mehreren Anbietern verfügbar, wodurch der Entwicklungsaufwand reduziert wird. • Die Karten werden vertikal und parallel in das Gehäuse eingesetzt, was die Belüftung und Kühlung erleichtert. • Jede Erweiterungskarte kann verschraubt werden, was die Stoß- und Vibrationsfestigkeit erhöht. • Steckbare Netzteile vereinfachen die Wartung. • Einfache Installation in Standardracks und anderen Werksinstallationen. 4. Einführung in das CompactPCI-System (siehe das von PICMG veröffentlichte Standarddokument) 5. Erweiterung des CompactPCI-Systems Ein einfaches CompactPCI-System verfügt über acht Steckplätze: einen für die Systemkarte und sieben für Peripherieadapterkarten. Das ursprüngliche Ziel von PICMG war die schnelle Bereitstellung von Kernsystemen für leistungsstarke Industriemaschinen unter Verwendung der PCI-Steckplätze. Während ein System mit acht Karten für heutige VLSI-basierte Systeme bereits beachtlich ist, benötigen die meisten eingebetteten Echtzeitanwendungen Erweiterungssysteme mit mehr als acht Steckplätzen. Bei kartenbasierten Systemen hängt die Anzahl der Steckplätze auf der Busgrundplatte von der verwendeten Treibertechnologie ab. Der VME-Bus nutzt Hochstromtreiber, während CompactPCI auf CMOS-Technologie (reflektierende Welle) basiert und nur acht Steckplätze unterstützt. Um zusätzliche Steckplätze zu schaffen, kann ein PCI-zu-PCI-Brückenchip verwendet werden, um ein zweites PCI-Bussegment zu erweitern, in das weitere Adapterkarten eingesetzt werden können. Die konkreten Implementierungsmethoden können variieren. Beispielsweise kann ein Brückenchip auf einer 6U-Karte im ersten PCI-Bussegment installiert und die Bussignale durch Zuordnung zu bestimmten Pins mithilfe zusätzlicher Anschlüsse J4 und J5 erweitert werden. Der PCI-zu-PCI-Brückenchip kann trotz seiner hohen Integration und komplexen internen Funktionen als „Superpuffer“ betrachtet werden. Die Methode zur Erweiterung des PCI-Bussegments mittels Brückenschaltungen wurde während der Spezifikationsentwicklung umfassenden Simulationstests unterzogen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Leistungsverlust durch diese Erweiterung minimal war und typischerweise nur einen Taktzyklus (30–33 ns) pro Bustransaktion hinzufügte. Diese Methode ermöglicht die Realisierung großer Systeme, wobei die Auswahl auf den tatsächlichen Anforderungen basiert. PCI-zu-PCI-Brückenschaltungen sind von verschiedenen Herstellern erhältlich. Brückenschaltungen können auch zur Realisierung von Hybridsystemen mit anderen Bussen verwendet werden. Auf einer 6U-Systemkarte beispielsweise erzeugt die Verwendung eines PCIVME-Brückenchips (von Newbridge) zur Zuordnung von VME-64-Signalen zu den J4- und J5-Anschlüssen von CompactPCI ein hybrides CompactPCI/VME-System. Force hat ein solches System angekündigt. Der grundlegende Übertragungsmodus von PCI ist die Burst-Übertragung, die hohe Geschwindigkeiten ermöglicht. Die Nutzung von CompactPCI für den Zugriff auf herkömmliche, langsame I/O-Schnittstellen, wie z. B. Parallel- oder A/D-Wandler, nutzt die Systemleistung nicht optimal aus. Ein einzelner 8-Bit- oder 16-Bit-Schreibzyklus dauert zwar 100 ns, ist aber immer noch deutlich schneller als der Zugriff auf langsame I/O-Schnittstellen. Diese Konvertierung kann mithilfe eines PCI-zu-ISA-Brückenchips erreicht werden, wodurch das Problem der weiteren Verwendung der heute auf dem Markt erhältlichen gängigen I/O-Schnittstellen effektiv gelöst wird. In industriellen Echtzeitanwendungen verfügen Kommunikationssysteme über eine Vielzahl von I/O-Modulen und -Kabeln. Wie lässt sich das Problem der I/O-Modulerweiterung komfortabel und effektiv lösen? Mitglieder von PICMG haben durch ihre Praxis eine Antwort gefunden. Die neueste Spezifikation definiert insgesamt 315 Pins auf der Bus-Backplane und drei zusätzliche Anschlüsse (J3/P3, J4/P4, J5/P5) auf der Adapterkarte, was eine einfache Erweiterung von I/O-Modulen ermöglicht. Detaillierte Spezifikationen werden mit der Veröffentlichung des neuesten Entwurfs der mechanischen Spezifikation IEEE 1101.11 bereitgestellt. Eine weitere gängige Methode zur Erweiterung von Benutzer-I/O-Modulen ist das sogenannte Mezzanine-Modul. Dieses Mezzanine-Modul, auch Subblock genannt, existiert in zwei Subblock-Standards: Industrial PACK und PMC. Die Industrial-PACK-Tochterkarte misst 45,7 mm × 99 mm und verfügt über zwei Anschlüsse: einen für den PCI-Bus und einen für eine 50-polige Benutzerschnittstelle. Die Tochterkarte wird in eine Trägerkarte (die CompactPCI-Adapterkarte) eingesetzt und mit Nylonschrauben befestigt. Eine 3U-Trägerkarte kann zwei Tochterkarten aufnehmen, eine 6U-Adapterkarte vier. Das vom VME-Hersteller entwickelte PMC-Modul ist etwas größer und kann zu zweit auf einer 6U-Karte installiert werden. Um die neuesten Technologien zu nutzen, können CompactPCI-Module zusätzlich über USB und IEEE 1394 erweitert werden. Der USB-Standard (Universal Serial Bus) erhöht die Busbandbreite um 12 MB/s und ermöglicht so den Anschluss gängiger Geräte wie Mäuse, Tastaturen, Monitore, Lautsprecher, Scanner, Gamecontroller und Drucker per Kabel. USB wird von Windows und NT unterstützt. Für die Verarbeitung unkomprimierter Live-Videodaten ist IEEE 1394 mit einer Bandbreite von 100–400 MB/s eine gute Wahl und somit ausreichend für hochwertige Videoverarbeitung, beispielsweise mit MPEG-2, Videodiscs oder SVGA. 6. Fazit: CompactPCI ist ein neuer, offener Industriestandard, der PCI-Bustechnologie mit ausgereifter europäischer Kartenfertigungstechnologie kombiniert. Die Einführung von CompactPCI ermöglicht die sofortige Integration neuester Siliziumtechnologien in PCs und bietet gleichzeitig die für Kommunikations- und Echtzeitanwendungen in der Industrie notwendige Robustheit, Zuverlässigkeit, Modularität, Benutzerfreundlichkeit und Wartungsfreundlichkeit. PICMG engagiert sich für die Weiterentwicklung des CompactPCI-Standards, der zweifellos ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis für zukünftige industrielle Computeranwendungen bieten wird.