将ATCA架构用于电信级操作系统的设计考虑.docx

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将ATCA架构用于电信级操作系统的设计考虑

将ATCA架构用于电信级操作系统的设计考虑

（一）

作者：

MelissaHeckman,RamRajan    

上网时间：

2006年01月27日

所属类别:

工业控制I嵌入式设计I技术方案I技术方案I技术方案

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关键字:

ATCA  高级电信计算结构  电信级操作系统

引言：

高级电信计算结构（ATCA）提供了诸如高速、稳定性、开放标准和鲁棒的系统管理等特性，是电信级操作系统（CGOS）的可选平台。

本文讨论了基于ATCA的设计考虑，包括热设计解决方案、结构拓扑考虑以及机箱管理。

在任何时候，管理电信级操作系统（CGOS）的设计和开发都是一项重要工作。

特别是在成本挑战的时代，当团队由于有限的预算被缩减而被减到接近最低人数限度时，该工作显得尤为困难。

再加上目前涌现了很多种交换架构，这使设计工程师面临不同的设计方向，也让他们开始理解任务内在的复杂性。

从哪里着手呢？

最起码，目标应该是利用已经商业化、基于标准的硬件和软件来开发电信级平台。

因此，设计工程师的目标使在满足面市时间要求的同时，为下一代网络实现具有互操作性和成本效益的解决方案。

不幸的是，由于许多性能上的限制，当前可用的商业化产品无法提供一个可行的解决方案。

例如：

主板空间无法容纳必须的功能；主板间距（密度）狭小；背板吞吐量有限；对信号完整性和电磁兼容性（EMC）的要求非常苛求；缺乏系统管理模块（软件和硬件）；容量、可靠性和性能缺乏可扩展性。

高级电信计算体系结构（ATCA）的出现让人们充足的理由选择它作为CGOS的可选平台。

ATCA具有这些特性：

1）高速可拓展到2.5Tbps；2）高实用性：

凭借冗余、失效转移（Failover）、错误预报及防止实现可靠性、可用性和适用性（RAS）功能；3）开放的标准；4）利用互操作性的第三方产品可构建动态系统；5）鲁棒的系统管理特性；6）具有可扩展性和成本效益。

本文重点介绍机架式系统，其中包括背板。

一旦确定用基于ATCA的体系结构构建CGOS，则首先需要定义以下参数：

所需的结构插板和节点插板数目、总消耗功率、是用于开发还是应用、现场可更换单元（FRU）的冗余以及结构拓扑。

底盘（chassis）高度、电路板方位以及散热设计均基于结构插板和节点插板的数目。

显然，当插板数量较少时，可以把它们组装在一个较小的底盘内，通过将其与电路板平行排列以及确保侧面气流。

这样使机架内可容纳最大数量的机箱，在保持低成本的同时提供了可扩展性。

当选择电路板垂直放置时，底盘高度也将受到电路板总功率消耗的影响。

假如每个插板的功耗将近200W，那么应该考虑进气和出气空间都很大的较高底盘。

如果对FRU冗余有这样的要求，例如风扇盘，这将近一步影响高度以及散热机制。

当必须对交换卡和其他设备进行彻底测试和调试时，发展的ATCA底盘在整个原型和测试阶段都非常有用。

在此类应用中，一个集成-48V直流电源的底盘可给研发工程师提供很大便利。

该电源可以放在使用交流电的桌面上，图1给出了一个底盘示例。

该底盘必须以不规则结构为特征。

它应该能够抵抗4级地震的摇晃震动，同时其机械结构必须具有可装入ATCA板的容差。

参考PICMG3.0规范来获得基于ATCA的平台设计准则是非常明智的。

选择最优的热管理解决方案

在设计ATCA机箱时，冷却是主要考虑的问题。

每个插板消耗200W功率，且19寸的机架固定件机箱里总共消耗2800W功率，这对采用鼓风扇和送风机等空气流通装置来说可不是小数目。

除此之外，NEBS级的功能性需要系统能在周围环境温度高达50°C时充分冷却。

本文介绍的逐步分析法是确定和采纳最佳热量解决方案的一个经过验证和测试的方法。

在给出热解决方案之前，应该确定这些事项：

电路板的气流阻抗、空气过滤器的需求、可能的最大底盘高度以及需要的冷却冗余。

最后，对整体散热所需的体积流速（立方英尺每分钟（CFM））的初步计算应该基于气流通道的温度每10°上升。

请注意，了解系统气流阻抗十分重要。

该气流阻抗是进气口、空气过滤器、气流通道的转弯数以及电路板拓扑综合影响的函数。

高密度组装的底盘（如ATCA）对气流具有更高的静态阻力，可限制大约60%的气流。

通常情况下，空气过滤器是大部分中央局设备强制要求有的装置，因此必须谨慎地选择空气过滤器。

所选的任何空气过滤介质最少为符合Bellcore规范的可燃性等级。

由于理论上所需的体积流速由此决定，所以气流速度（英尺每分钟）的计算可基于表明面积（平方英尺）来计算。

由此，通过研究初始阻抗与表面速度数据/曲线的关系来选定过滤介质。

最后确定影响整体气流开放区域的框架和手柄等部件。

除了清除不希望看到的灰尘和空气中污染物之外，空气过滤器通过内在的空气改善能力可以方便形成更薄的气流层，以下空气过滤器的选择需要研究在较高静态压力下提供主要气流的空气推送器的性能曲线（气流与静态压力之比）。

通过全面了解整个系统阻抗和全部的体积流速，可以估计出系统的工作点。

这将是影响风扇选择的一个关键因素，并影响由此而来的冷却方案。

时下可用的各种48V直流电扇可在适当的高静态压力的体积流速大约为100立方英尺每分钟。

滚珠轴承型风扇通常是最好的选择，因为该风扇更静、在温度升高时使用寿命更长、成本效益较高且可用范围广。

在高静态压力下，风箱提供更高的气流，但是它们的噪音大许多且非常昂贵，而且它们的体积通常更大，需要更多的装配空间。

因此，只有在仔细考虑了所有这些因素后才选择它们。

不管选择什么类型的气动装置，它都应该支持转速输出和脉宽调制输入等的监视及控制特性。

这些普遍的特性使得风扇速度被控制为机箱温度的函数。

在机箱上装有大量温度感应器以监视不同区域，并且给机箱管理器提供反馈。

借助温度数据，机箱管理器将分别控制每个风扇，给它们加速或减速以在需要的地方得到最佳冷却效果。

推荐采用基于计算流体动力学（CFD）的仿真工具来验证冷却方案。

一旦热设计被确认，并且机箱也被设计和构建出来，就应该进行热测试来进一步验证（作为合格性测试的一部分）。

图2显示的Elma公司14槽ATCA底盘，装有作为合格性测试一部分的热负荷板和温度感应器。

该底盘用三个插入式风扇盘进行冷却，每个风扇盘有两个190CFM、48V直流电风扇置于板卡下方，因此若不考虑气流受阻，风量共为1140CFM。

图3a和图3b显示，不同插板中的温度和气流随时间推移而上升。

在每个插板负载以50W为增幅稳定地从0上升到200W时进行测试。

200W时，温度上升范围为14°至28°，且依赖于插板的位置。

该数据明确说明某些插板需要更多的气流，并且通过使用气流隔板给那些区域导入更多的气流来改进设计。

另一个选择是安装机箱管理器来加速该区域的冷却风扇。

显然，热管理在一个成功的ATCA平台设计中扮演了主要角色。

作者：

MelissaHeckman，RamRajan，Elma公司

接口/总线/驱动  

ATCA和MicroTCA标准引发集成

作者:

JackOlson,JohnCummings上网日期:

2010年01月29日 

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关键字：

ATCA标准 MicroTCA标准 热插拔控制器 

作者：

JackOlson和JohnCummings

德州仪器（TI）

引言

为了顺应计算、通信以及工业市场在技术方面的快速进展，PCI工业计算机制造集团（PICMG）开发出了高级电信计算架构（ATCA）和MicroTCA（μTCA、uTCA、MTCA或mTCA）开放式标准，该标准现在已被广泛采用。

2005年PICMG就采用了该标准，其中规定了关于机械、机架管理（shelfmanagement）、配电、散热以及连接器的要求。

减少旧系统的开发工作并降低成本是催生这些标准的主要原因，因为这些旧系统的实施与要求会随不同的应用以及不同的厂商而有所不同。

由于更广泛地采用了新的开放式标准，从而为系统开发商和电信设备制造商（TEM）创造了许多商机。

一般的标准做法是开发高度集成的硅芯片解决方案，以便简化设计并提升性能，同时降低板级空间要求、降低成本并加速产品上市进程。

ATCA及MicroTCA标准目前正备受TEMS、网络设备提供商、通信系统集成商以及子系统制造商的青睐。

此外，PICMG还规定了一种称为AdvancedMC的规范，这是一种夹层子卡模块，该模块能够扩展、新增或升级ATCA载波卡的功能。

AdvancedMC模块可以集成数字信号处理器（DSP）、微处理器、可编程硬盘驱动、通信组件或任何可用于此类系统的连接组件。

事实上，该模块可集成用户所需要的所有功能，对于需要高可靠性和扩展性的系统而言，该模块尤其有用。

此外，该模块还可用来扩展功能或扩展冗余。

根据标准的定义，ATCA载波卡最多可支持8个AdvancedMC模块（请参见图1）。

图1：

典型的ATCA载波卡。

MicroTCA是PICMG补充标准，其允许在分布式系统中使用AdvancedMC子卡模块。

MicroTCA专门优化用于要求更小外形尺寸和更低成本的系统。

在MicroTCA中，最多可以将16个模块直接插入背板，整个架构所集成的16个模块如下：

12个具备所需功能的AdvancedMC、2个MicroTCA载波集线器（MCH）及2个制冷装置。

图2显示了具有8个模块的MicroTCA载波集线器。

图2：

MicroTCA模块。

热插拔功能

PICMG标准针对各个AdvancedMC模块的–48V、12V主有效负载电源及3.3V管理电源轨规定了热插拔电源管理要求，其中包括浪涌电流限制、电流限制保护以及ORing控制。

PICMG标准将12V电源轨定义为最大功率输出为80W的有效负载电源（PWR）通道，而实际的功率输出限制取决于个别的模块设计。

3.3V电源轨则被定义为电流上限为150mA的管理电源（MP）通道。

各个模块都需要有电流限制的功能，以避免瑕疵的AdvancedMC载波卡造成系统的其他部分故障。

在专用系统中，以及在ATCA和MicroTCA被广泛采用之前，这些要求依系统而异，并且一般都是针对各个电源轨使用分立热插拔控制器和ORingFET控制器。

由于各个解决方案都各不相同，因此要想创建通用的热插拔控制架构来简化整体解决方案是一大难题。

下面将举例说明该标准如何协助简化热插拔及ORing控制。

由于MicroTCA系统设计旨在容纳12个AdvancedMC、2个MCH以及2个制冷装置，因此总共需要32个独立的热插拔控制器，或具有电流限制的16个12V热插拔通道和16个3.3V热插拔通道。

在冗余系统中，ORingMOSFET控制系统可用来取代ORing二极管，以降低高电流12V有效负载电源通道的功耗。

这些系统另外还需要16个ORingFET控制器，因此总共需要64个集成电路才能发挥所需的功能。

在加入外部热插拔MOSFET、ORing二极管以及用来设定热插拔控制器的电流限制、定时器、欠压锁定和其他参数的无源组件之后，实施所必备的组件超过465个以上，而支持这16个插槽所需的组件空间则需要占用3000mm2以上的板级空间。

标准化能够开发出简化的解决方案来控制热插拔、ORing控制以及电流限制。

在ATCA/MicroTCA标准问世以前，各种要求和工作条件使得集成的热插拔电源管理器的设计显得效率低下且不实用。

为了满足电路板以及极为不同的工作要求，过去一直都采用一般性的解决方案来满足系统要求，以至于牺牲了性能和成本效益。

因此，设计这些分立式热插拔系统给系统设计人员带来了的巨大挑战和压力。

在迅速地扩大采用ATCA及MicroTCA之后，设计人员则面临智能型集成在严格的要求与时机方面的挑战。

如图3所示，TPS2359是一款双插槽AdvancedMC热插拔控制器，这类器件都是通过一个集成电路进行多个通道的控制和热插拔功能的。

TPS2359能够进行两个AdvancedMC插槽的全面电源控制，并且完全符合AdvancedMC标准。

该器件可通过热插拔和ORingFET控制来控制12VPWR和MP两个通道。

低电流MP通道都是通过集成的MOSFET和电流分流进行内部处理，而PWR通道则使用外部MOSFET以实现最佳的整体系统解决方案。

图3：

TPS2359双插槽控制器。

通过直接控制各个PWR和MP通道，TPS2359可充分利用智能型平台管理总线（IPMB）所需的I2C接口，并且可以针对电流限制、故障时间及电源良好阀值调整等对其进行编程。

各个通道都有6个可通过I2C进行读取的状态位，这些位会指出电源良好、短暂过电流、故障、快速跳变（fasttrip）、热插拔FET状态，以及ORingFET状态。

电源良好、热插拔及ORingFET状态能使系统得知通道的运行一切正常。

I2C接口增加了系统的灵活性，以构建有助于预测系统行为及故障的历史记录。

这种可编程性免去了使用外部组件的麻烦，从而进一步简化了设计流程，缩小了解决方案的尺寸并降低了成本。

6x6mm的36引脚QFN封装大大降低了所需的板级空间。

相较于前面探讨的分立式16插槽MicroTCA系统实施，基于TPS2359的实施则能够将热插拔/ORingIC的数量从48个降低至可管理的8个可寻址控制器。

集成3.3V通道的热插拔MOSFET并使用I2C来设定关键参数有助于将组件的总数减少一半以上，也就是从必须的465个以上的组件数量减少为总共不到200个组件。

在所需的物理空间方面，解决方案的尺寸则从2200mm2缩小为1300mm2以下，而且功能更加提升。

对于有限的特定AdvancedMC电源接口而言，如此高度的集成度还增加了完全符合其要求的优势。

为了进一步量化这一优势，TPS2359电流限制电路的精度仅需要使用1%的电流容差外部电阻便能够同时满足12V通道对±10%电流限制的要求。

其他兼容的解决方案则无法达到如此高的集成度和精度。

总结

采用ATCA和MicroTCA标准可以允许我们开发出简化的电源接口解决方案。

各个特定基础架构下的专用解决方案具备不同的要求，若不采用ATCA/MicroTCA，这些要求将阻碍新技术的开发。

也就是说，一项新技术必须开发出多种专用解决方案才能进行部署。

采用了ATCA/MicroTCA标准之后，即可去除这个障碍，从而快速地部署新技术。

为了达到这个目的，我们开发出了与ATCA/MicroTCAAdvancedMC完全兼容的双插槽热插拔控制器TPS2359。

该控制器降低了组件数量和尺寸，从而节省了宝贵的电路板空间，同时还增加了ATCA/MicroTCA标准所设定的准确控制限制。

I2C接口仅需要最低数量的外部组件，而且能够增加灵活性和高级系统的管理功能。

作者简介

JohnCummings现任TI热插拔控制器产品经理。

Jack毕业于美国加州大学伊荣分校（UniversityofCalifornia,Irvine,CA），获应用物理学学士学位，主修电子工程。

John拥有18项个人专利。

JackOlson现任TI电源接口部门产品线经理，其中包括热插拔、PoE和电源开关产品。

Enea与RadiSys联合树立“新标准”，将集成化、可彻底管理的ATCA平台投放市场

上网日期:

2009年02月11日 

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关键字：

ATCA 电信设备 TEM 

高级嵌入式解决方案提供商RadiSysCorporation，与世界领先的面向电信设备制造商（TEM）的网络软件和服务提供商Enea（NordicExchange/SmallCap/ENEA）今日联合宣称发布EneaSystemManager，它是首款该类平台管理的解决方案，专为RadiSysPromentumATCA10G平台设计。

EneaSystemManager是面向ATCA市场的全新产品类别，可让TEM轻而易举地实现与RadiSysPromentumATCA平台的集成，这是以前不曾实现的。

该款现成的商用平台产品提供对整个ATCA系统的配置、监控、控制和平台软件升级，TEM第一次能够拥有此类产品，它将为TEM节约多至54个人月的开发时间。

其在节约研发成本和时间以及避免研发风险等方面都达到前所未有的水平，让TEM现在有机会考虑如何充分利用所节约的成本、时间来加速产品上市，或将关键资源分配到其他方面。

“随着更多TEM采用ATCA，不仅硬件，而且应用层软件叠加的标准化和外包也成为了关键问题，”VDCResearchGroup嵌入式硬件与系统部总监EricHeikkila称，“ATCA的目标是通过外包来节约应用程序的开发成本，让TEM轻松、经济、快速地获得计算平台。

通过SystemManager，Enea和RadiSys达到了实现此目标的目的，我们相信这在推动采纳ATCA的过程中迈出了重要的一步。

”

EneaSystemManager是唯一面向ATCA平台的综合性、预集成、预模块化平台管理应用程序。

它与RadiSys平台集成，充分利用RadiSysPromentum的API和HPI接口，可随时集成到TEM的整个网元管理系统中。

而且，可使用专门设计的软件开发工具包定制和扩展SystemManager，将定制应用程序管理和/或其他软件加入到网元中。

这样可对包括RadiSysATCA平台和最终用户应用程序在内的已部署网元使用单独、统一的管理模式，而在此之前，这还是一个耗时耗力、设计上不成功的企业内部工作。

“我们设计的EneaSystemManager可帮助TEM省去集成上的麻烦，而在以前他们通常要频繁使用宝贵的工程技术资源来解决此类问题，”Enea的首席运营官PerAkerberg说，“随着COTS硬件和软件市场的发展，同行业的龙头企业有必要精诚合作开发像SystemManager这样真正卓越的创新解决方案。

由于COTS硬件在其可配置性和可管理性上已为人深知，我们有必要、有理由与RadiSys共同开发可彻底管理、轻松升级且现成可用的ATCA系统。

”

SystemManager具备以下强大的功能：

*通过分层和可扩展的系统模型提供集中、简单、一致和持久的RadiSysPromentumATCA平台管理。

*使用标准北向接口（CLI、HTTP、SNMP）进行硬件监控、命令和控制，可快速集成到整个网元管理系统中。

*行业内首款面向ATCA系统的一流集中化、使用中自动更新系统软件

*告警管理支持标准的电信告警处理和通知

*完备的X.731合规性状态管理基础架构和服务

“作为ATCA平台的领先供应商，RadiSys充分利用其在ATCA硬件、操作系统和中间件集成方面的深厚技术实力为客户服务，”RadiSys通信网络部副总裁兼总经理AnthonyAmbrose称，“我们看到了将这种集成提升至更高层次的机会，通过与Enea合作，我们将最优秀的集成和创新实践经验应用到SystemManager中，为TEM的产品上市赢得更大优势。

”

“随着TEM采用ATCA硬件等COTS构建模块，他们将继续在操作系统和中间件的层次上定义他们的战略，”IDC网络基础架构部副总裁兼总经理LeeDoyle称，“Enea与RadiSys合作提供可全面扩展的ATCA平台管理解决方案，使TEM能够减少操作系统和中间件集成方面的风险因素和机会成本错失。

这是一个很好的理念，我将密切关注SystemManager的市场接纳程度，以及它如何改变COTS生态系统的现状。

”

Enea将于2月16日到19日在移动通信世界大会（MobileWorldCongress）2号展厅Enea展位E36展示EneaSystemManager。

有关详细信息，请访问。

全尺寸ATCA逐渐冷却，MicroTCA有望迎来新增长！

作者:

LoringWirbel上网日期:

2007年08月30日 

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关键字：

ATCA，MicroTCA 

一直以来，先进电信计算架构（ATCA）电路板及子系统开发商一直在翘首期待电信设备市场的飞涨，但在前不久美国芝加哥举行的NxtComm展会上，他们开始把注意力转向MicroTCA。

最终，全尺寸ATCA可能会成为一种高度定制的特色业务，而大规模的制造业将向较小的MicroTCA标准转移。

人们对ATCA的期望在过去几年已有所冷却。

开发者认为，问题之一在于少数专攻核心中心局架构的大规模OEM缺乏迈向开放式背板的推动力。

同时，更多的边缘聚合和接入功能，正在从架装（rack-mounted）底盘转向采用MicroTCA的桌面系统。

人们对全尺寸ATCA的兴趣并不是在突然间冷却的，Dialogic公司营销总监BillBryant表示，相反地，VoIP网关及10Gb线卡的板级开发商一直在期待一个ATCA接口疯狂增长的时代。

“这是一个渐变的过程，像诺基亚西门子网络公司，在合并双方业务之后就撤离了ATCA领域。

”Bryant指出，“MicroTCA的需求量很大，而全尺寸ATCA却不是目前所有人都需要的。

”

PerformanceTechnologies公司目前正采取更为坚定的立场。

该公司营销副总裁EdwardBizari表示，公司将把ATCA作为一种定制业务，为全尺寸ATCA板设计授权IP，并且为客户完成一次性开发项目。

“部分原因是，PCI产业计算机制造商协会（PICMG）提供的背板选择太多，而MicroTCA的选择较少，这就使开发那些必需互相协作的项目更加容易。

”Bizari认为。

除了核心骨干功能之外，人们对全尺寸ATCA踌躇的原因令人惊讶：

OEM已开始迅速转向开源工具和开放式接口硬件，使应用层下的每个功能都尽可能地商用。

GoAheadSoftware公司发布了自己的首套SAFfire软件，该软件基于服务可用性论坛（SAF）的应用接口规范。

GoAhead首席执行官JimEwel表示，OEM现在愿意考虑三层开放式标准：

公共物理硬件、公共运营商级LinuxOS内核、以及SAFfire这样的公共服务创建工具。

PerformanceTechnologies利用NxtComm展会展出NexusWare运营商级Linux开发环境，而不是该公司招牌的板级硬件产品。

Bizari表示，开放式软件适合于自2001年经济大衰退以来大多数电信OEM所采用的模型。

F1：

MicroTCA系统减少了电信、工业、医疗以及军事设备的成本

作者：

卫玲

华为在AdvancedTCAsummit上提出下一代ATCA概念

2011-11-07

    在11月1日召开的2011AdvancedTCAs