Claudia Bestler, Jurgen Mayr, Guido Moser, Kontron
עם פלטפורמות העיבוד QorIQ, יוצאת חברת FreescaleTM לשוק עם דור חדש של מעבדים יעילים ביותר ובעלי ביצועים גבוהים. מאמר זה מסכם את התכונות העיקריות של הדור החדש ומדגים את השימוש עם פלטפורמות עיבוד אלו בתכנונים המבוססים על רכיבים מהמדף. על מנת להפיק תועלת מממשקים טוריים במהירויות גבוהות, התכנונים מבוססים על AdvancedMCTM ועל MicroTCATM. המאמר מסתיים בתיאור פלטפורמת הערכה וכלים ברמה הבסיסית לביצוע קונפיגורציה במערכת ועבור תקשורת בין מעבדים עם זמן אחזור קצר.
איור 1 תכנונים של QorIQ
איור 2 יישומים ומערכת בדיקה עבור תקשורת LTE
פלטפורמות העיבוד QorIQ
פלטפורמות העיבוד QorIQ הן דוגמה להתפתחות קו המעבדים PowerQUICC של FreescaleTM. הן קיימות במבחר של יע”מים (CPU) בליבה יחידה ובריבוי ליבות. הפלטפורמות P1 ו-P2 מבוססות על הליבה ®e500V2 Power Arcitecture, והפלטפורמות P3 ו-P4 מבוססות על הליבה ®e500mc Power Arcitecture ל-32 סיביות. הפלטפורמה P5 משתמשת בעיבוד משובץ ב-64 סיביות עם הליבה e5500 שפועלת עד לתדירות של 2.2 ג’יגה-הרץ. כל המעבדים עומדים בדרישות של מאפייני המחשוב המשובץ, בהם נכללים זמינות לטווח ארוך ונצילות גבוהה במונחים של פיזור הספק לכל מחזור מחשוב. כמו כן, כל המעבדים תומכים בחתימות זמן על פי IEEE 1588, תכונה שהופכת אותם לבחירה מצוינת עבור עיבוד בזמן אמת עם דיוק גבוה.
איור 3 תכנון מעשי של QorIQ בכרטיס מעגל AMC
איור 4 מערכת לביצוע הערכה
היינו יכולים לסכם את פלטפורמות QorIQ בצורה הבאה:
הפלטפורמה P1 – עד 800 מגה-הרץ, הספק מרבי פחות מ-5 וואט: המעבדים קיימים בתצורות של ליבה יחידה וליבה כפולה עם מבחר אפשרויות להאצת חומרה עבור תקשורת (במונחים של פרוטוקולים ושל עיבוד נתיב הנתונים) ומגוון של פונקציות חיסכון בהספק.
הפלטפורמה P2 – עד 1.2 ג’יגה–הרץ, הספק מרבי פחות מ–8 וואט: המעבד האופייני מסוג זה הוא מעבד התקשורת בעל הליבה הכפולה P2020, שקיים גם בגרסה בעלת ליבה יחידה ותואמת פינים. ברמה הגבוהה יותר, המעבדים P2040 ו-P2041 הם דוגמה לגרסאות בעלות ארבע ליבות עם האצת נתיב הנתונים.
הפלטפורמה P3 – עד 1.5 ג’יגה–הרץ, הספק מרבי פחות מ–15 וואט: המעבד P3041 בא לייצג גרסה בעלת ארבע ליבות עם יכולת גבוהה יותר עבור תפוקה של חבילות (תמיכת מארג – fabric – עבור קידום IP).
איור 5 כלי גרפי לניהול קונפיגורציה עבור מערכות MicroTCA
הפלטפורמה P4 – עד 1.5 ג’יגה–הרץ, הספק מרבי פחות מ–30 וואט: המעבד P4080 הוא דוגמה למעבד תקשורת בעל שמונה ליבות עם מארג לעיבוד חבילות. מעבד זה קיים גם בגרסה של מעבד תקשורת בעל ארבע ליבות, P4040, תואמת פינים.
הפלטפורמה P5 – עד 2.2 ג’יגה–הרץ, הספק מרבי פחות מ–30 וואט: המעבד P5020 הוא מעבד בעל ליבה כפולה ל-64 סיביות ברמת שרת. הוא מבוסס על ארכיטקטורת הליבה e5500 ומיועד לפעולות אריתמטיות מורכבות ולעיבוד של נקודת הבקרה (control place) בביצועים גבוהים (במקום עיבוד חבילות במישור הנתונים). לצורך כך, הליבה e5500 תומכת בזיכרון מטמון L2 גדול יותר באפיק אחורי עבור הפעולות המורכבות. יחידת הנקודה הצפה של כל ליבת e5500 תומכת בעיבוד בנקודה צפה בדיוק יחיד (32 סיביות) במהירות כפולה מהמהירות של ליבות e500, ובעיבוד בנקודה צפה בדיוק כפול (64 סיביות) במהירות גבוהה פי 4 מהמהירות של ליבות e500.
כיצד אם כן, המעבדים מבוססי e500V2, e500mc ו-e5500 מיישרים קו עם ארכיטקטורות קודמות? עבור יישומים בעלי ביצועים גבוהים, עיון באיור 1 מציג את רוב החלקים האופייניים של פלטפורמות מעבדי QoIQ בהשוואה לקו המוצלח במיוחד של ליבות e600. המעבד MPC8641D הוא דוגמה לגרסה בעלת ליבה כפולה של ליבת e600 הכוללת יחידת נקודה צפה וזיכרונות מטמון L2 מהירים (של 1 מגה-ביית לליבה) עבור מהירויות של עד 1.5 ג’יגה-הרץ. במונחים של כוח מחשוב ורב תכליתיות, MPC8641D, עדיין מהווה דוגמה של סיפור הצלחה חסר תקדים, בדרך שבה הוא מומש במודול העיבוד AM4100 במעגל AdvancedMCTM של Kontron.
עם המעבר לארכיטקטורות ליבה מהסוגים e500V2, e500mc ו-e5500, נוצר מצב שבו לא היה קיים יורש יחיד לקו המוצרים הזה. נצילות ההספק (במונחים של פיזור הספק למחזור מחשוב) השתפרה באופן משמעותי בזכות הרמות הגבוהות יותר של אינטגרציה בסיליקון (כתוצאה מהמעבר למבנים קטנים יותר). עם זאת, בחירת המעבד תלויה בסוג היישום. אפשר לראות דוגמה לתכנון האוניברסלי ביותר במעבד P2020, שקיים כיום במודול העיבוד AM4120 עם מודול המעבד בכרטיס מעגל AMC של Kontron.
המודול AM4120 של Kontron מספק נקודת כניסה לתכנון QorIQ. המעבד P2020 מתאים במיוחד לשמש כבקר אוניברסאלי בעל ליבה כפולה עם מעטפת צריכת הספק נמוכה. מודלים לשימוש מועדף, לדוגמה, יכולים להיות מעבד בקרה בכלי רכב, בתחום התעופה ובתקשורת. היום אפשר לקבל את המודול AM4120 של Kontron עם כרטיס המעגל AMC, לרבות מערכות לביצוע הערכה ועם כלים לביצוע קונפיגורציה של המערכת ולניהול תקשורת בין מעבדים.
כאשר המדובר ביישומים דורשניים יותר, אפשר להפנות את התכנונים אל:
(1) יישומים מסוגים המשמשים לעיבוד חבילות, שמבוססים על המעבד P4080 (כמו למשל המודול AM4140 עם כרטיס המעגל AMC של Kontron, הצפוי לצאת לשוק בקרוב) – או
(2) יישומים מסוגים המשמשים במישור הבקרה, עם דרישות גבוהות לגבי עיבוד בנקודה צפה, שמבוססים על המעבד P5020 (אשר ישמש במודול AM4150 עם כרטיס המעגל AMC של Kontron, גם הוא צפוי לצאת לשוק בקרוב).
תחומי היישום
בין התחומים הרבים הקיימים של יישומים, אפשר למצוא את תחום בקרת כלי רכב, תחום התעופה, מערכות בדיקה עבור מערכות תעופתיות, בקרת תנועה, בחינת משטחים, תחום התקשורת והתחום של מערכות בדיקה עבור מערכות תקשורת. מנקודת מבט של החומרה, לכל היישומים האלו יש צורך בעיבוד עם זמן אחזור קצר. לחלק מהיישומים יש צורך במערכות עם ריבוי מעבדים, בין אם עבור עיבוד מהסוג המשמש במישור הנתונים, או עבור עיבוד מהסוג המשמש במישור הבקרה.
כדוגמה מייצגת, אפשר לראות באיור 2 מערכת בעלת ריבוי מעבדים. אפשר להשתמש במערכת כזו עבור יישום מתחום התקשורת (למשל כזה המשמש בתחנת בסיס לתקשורת LTE), ובהתאמה, מערכת בדיקה עבור תחנות בסיס (עבור בדיקות של עמידה בפרוטוקולים או בדיקות עומס). ברמת החומרה התכנון אוניברסאלי למדי, והוא ישים גם עבור יישומים מתחומים אחרים. מנקודת מבט טכנית, הדרישה המשותפת היא עיבוד בתפוקה גבוהה ועם זמן אחזור קצר.
עבור זמן אחזור קצר, ממשק RapidIO הטורי מהווה דוגמה לבחירה מצוינת עבור תקשורת בין מעבדים, כלומר החלפה של נתונים בין מעבדי QorIQ מרובים, עם תמיכה אפשרית עבור מעבדי DSP, כפי שאפשר לראות באיור 2. בזכות היכולת הגבוהה של קישורים טוריים מהירים שיש לכרטיסי מעגל AMC, הם מהווים בחירה מצוינת עבור מעבדי QorIQ ועבור אפשרות השימוש של כרטיסי DSP. במערכת של כרטיס מעגל AMC, מתג RapidIO הטורי מופיע כמתג מארג ברכזת הנושאת MicroTCATM (MCH), כמו לדוגמה MCH AM4904-SRIO. החיבורים של sRIO משמשים כממשקי מארג עבור מישור הנתונים.
בנוסף, כל אחד מהמעבדים מחובר אל מעבדים אחרים דרך רשת GbE, כלומר מתג GbE ממוקם אף הוא ברכזת MCH. באיור 2 לא רואים את מישור הבקרה של תקשורת GbE או את מארג הבסיס. ממשק RapidIO הטורי מיועד לשמש כממשק אפיק בתוך המערכת. ממשק רשת משמש עבור קישוריות חיצונית, למשל, GbE או 10GbE. בתוך MCH נכללים גם חיבורי כינוס (uplink) חיצוניים. לכן, NicroTCATM מספקת תכנון קומפקטי ביותר עם מספר מזערי של רכיבים: כל הקישוריות הפנימית והחיצונית מטופלת על ידי רכזת MCH וכל העיבוד מתבצע על כרטיס המעגל AMC.
תכנון מערכת
כאשר עוברים אל רמה עמוקה יותר של תכנון המערכת, יש צורך לענות על הנושאים הבאים:
כיצד צריך לטפל בתכנונים של QorIQ הממומשים בכרטיס מעגל AMC?
כיצד אפשר להקים מערכת לביצוע ההערכה?
מהם הכלים שעומדים לרשותנו לצורך ניהול קונפיגורציה ברמת מערכת?
מהם הכלים שעומדים לרשותנו לצורך טיפול בתקשורת בין מעבדים,
דרך ממשק sRIO ?
מוסכמות, שקיימות לגבי כרטיסי מעגל AMC עבור מעגלי אם, ממומשות במחבר של כרטיס AMC ומאפשרות שילוב של כרטיסי מעגל AMC של ספקים שונים. תכנון לדוגמה של מעגל AMC מבוסס QorIQ מוצג באיור 3. הקישוריות הבסיסית שבין מעגלי AMC מתבצעת דרך ממשק GbE בחיבורי port 0 ו–1 שבמעגלי AMC. חיבורי port אלו מתחברים במערכת למתג Ethernet שברכזת MCH שמספקת גם חיבורי כינוס חיצוניים למערכת דרך ממשק GbE או 10GbE.
החלפת נתונים דרך ממשק RapidIO הטורי מתבצעת באמצעות חיבורי port 4–7 במעגל AMC, כלומר באמצעות 4 נתיבים (lane) עם יכולת כוללת של 10 ג’יגה–סיביות בשנייה. חיבורי port מספר 4–7 במעגל AMC מתחברים גם למתג מארג sRIO הכלול ברכזת MCH דרך לוח האם, וכמו כן, הם מתחברים למעגלי AMC אחרים דרך חיבורים מסוג נקודה–לנקודה. לחלופין, אפשר לקבוע את הקונפיגורציה של אותם חיבורי port שבמעגל AMC לשימוש עם ממשק PCI–Express (בשילוב עם מתג PCIe שיימצא ברכזת MCH, וכן לחיבורים מסוג נקודה–לנקודה עם מעגלי AMC אחרים).
תכנון מסוג זה משתמש בדרך כלל במעבד QorIQ מסוג P2020, כפי שממומש במודול המעבד AM4120 בכרטיס המעגל AdvanceMCTM של Kontron. עבור סוגים של מעבדים בעלי ביצועים גבוהים יותר, כגון P4080 המשמש לעיבוד במישור הנתונים או P520 המשמש לעיבוד במישור הבקרה, קיימים חיבורי מארג נוספים במחבר של מעגל AMC: 10GbE נוסף, או sRIO נוסף דרך חיבורי port 8-11, במעגל AMC וכן ממשק PCIe. אפשר לקבוע את הקונפיגורציה של השימוש בחיבורי מארג בחיבורי port של מעגל AMC, במעגל עצמו. עדיין, התכנון הבסיסי של המערכת נותר תואם עם P2020, וכך, מודול המעבד AM4120 שבמעגל AMC של Kontron מהווה נקודת התחלה מצוינת בתכנוני QorIQ.
ברמת המערכת אפשר למצוא טווח שלם של מערכות MicroTCATM. ברמה הבסיסית מתאימות לשימוש הפלטפורמות OM6040 ו- OM6060 שבמערכת MicroTCATM של Kontron. הפלטפורמה OM6040 של kontron תומכת בחיבורי מארג ממותגים עם חיבור MCH AM4904-SRIO של Kontron (או MCH AM4904-PCIE של Kontron). הפלטפורמה OM6060 של Kontron משתמשת בקישוריות מארג פשוטה מנקודה לנקודה עבור חיבורי מארג sRIO (או מסוג PCIe) בין מעגלי AMC סמוכים. לכן אפשר לשלב את הפלטפורמה OM6060 במערכת MicroTCATM של Kontron עם רכזת MCH, שעלותה נמוכה, ללא מתג מארג כגון AM4901 של Kontron. באיור 4 נראית מערכת הערכה ברמת הבסיס לפלטפורמת OM6060 של kontron.
הפלטפורמה OM6060 במערכת MicroTCATM של Kontron מתאימה לרכזת MCH אחת (למשל ל- AM4901 של Kontron) ועבור עוד 6 מעגלי AMC בגודל בינוני. עבור חיבורים במעגלי AMC סמוכים, חיבורי port 4-7 במעגל AMC מחברים בין המעגלים דרך קישורים מסוג נקודה–לנקודה. קישורים אלו, בשילוב עם מודול המעבד AM4120 בכרטיס המעגל AMC של Kontron, יכולים לשמש עבור קישוריות sRIO ישירה (וכן עבור PCIe אל כרטיס מעגל היקפי). רכזת MCH AM4901 של kontron מספקת מתג GbE אשר מתחבר לכל אחד ממעגלי AMC דרך חיבור port 0 שבמעגל AMC, וכן דרך חיבור port 1 בחריצי ההתקנה של מעגלי AMC מספר 1 ו- 6.
הקונפיגורציה של חריץ ההתקנה מספר 1 אל מעגלי AMC מוכנה להתאמה במעבד חבילות נוסף, כגון מודולי המעבדים AM4210, AM4204 או AM4220 שבמערכת AdvancedMC™ של Kontron. מעגלי AMC אלו מספקים 4 ממשקי GbE בחיבורי port 8-11 במעגל AMC, ולכן, כאשר מציבים אותם בתוך חריץ התקנה מספר 1 של מעגל AMC, הם יכולים להתחבר ישירות לארבעה מעגלי AMC סמוכים (בחריצי ההתקנה מספר 2-5) דרך ממשק GbE. בין חריצי ההתקנה מספר 5 ומספר 6 של מעגלי AMC קיים קישור ישיר נוסף מנקודה–לנקודה בחיבורי port של מעגל AMC שבו אפשר להשתמש כקישור מארג עבור sRIO או 10GbE נוספים, אם מתאפשר על ידי מעגלי AMC הנוספים. לכן, פלטפורמה OM6060 במערכת MicroTCATM של Kontron מהווה דוגמה למערכת רב תכליתית ברמת הבסיס, שהיא כדאית מבחינת העלות, ומתאימה עבור תכנוני QorIQ.
כלי פיתוח
על אף שיש מבחר של כלים לפיתוח יישומים מתאימים על פי סוג היישום, יש גם צורך בכלי פיתוח שישמשו לקונפיגורציה ברמת המערכת.
מערכות MicroTCATM מנוהלות דרך ממשק IPMI. רכזת MCH אחראית לסוג כזה של ניהול: היא בודקת מפתוח אלקטרוני לפני שהיא מאתחלת את המערכת, היא מבקרת את אספקת המתח, את מחזורי ההחלפה תחת מתח ואת המאווררים המתאימים להחלפה תחת מתח. כמו כן, ממשק IPMI מאפשר לבצע ניטור של המערכת, זאת אומרת, בדיקה של יומן האירועים של המערכת, ניטור של תקינותה של המערכת, ונקיטה של צעדים מתאימים במקרה שמתגלות בעיות. עם זאת, לצורך טיפול בהודעות של ממשק IPMI ובפקודות שלו דרך ממשק קו הפקודות (CLI) יש צורך ברמות מעמיקות יותר של ידע וניסיון מצד המשתמש.
על מנת להקל את ביצוע הקונפיגורציה של המערכת דרך ממשק IPMI, חברת Kontron מספקת בתוכנת OMVIU ממשק משתמש גרפי, שאותו אפשר להתקין כיישום בשפת Java בכל סוג של מחשב אישי או שרת. מערכת ניהול הקונפיגורציה של MicroTCATM תומכת בהדמיה ממוחשבת מבוססת סמלים של המערכת ושל המצבים שלה, בניטור של אירועים ובמעקב אחריהם, בעזרי רישום שגיאות ובנקיטת פעולות מתקנות באמצעות הדמיה ממוחשבת ולחיצות עכבר. איור 5 מציג מסך לדוגמה של הכלי לניהול קונפיגורציה.
ממשק המשתמש הגרפי (GUI) האינטואיטיבי תומך בכל המערכות (בהם נכללים לוחות אם, יחידות מאווררים, מודולי אספקת המתחים), הרכזות MCH וכרטיסי מעגל AMC, אשר תואמים לתקנים. אפשר לבצע קונפיגורציה של מעגלים ושל מערכות ללא ידע מעמיק של ממשק IPMI, של החיישנים ושל הפרטים הייחודיים האחרים של MicroTCATM.
תוכנת OMVIU קלה ללימוד ועוזרת ביצירה של מערכות MicroTCATM לשימוש בשליטה מרחוק. הכרה ייחודית של היצרנים והצגה גרפית של מעגלים ורכיבים מתבצעות על פי תקן כדי לאפשר הוספה קלה של פרישות סמלים חדשות בצורת מפות של סיביות. בעזרת עזרי רישום השגיאות והמעקבים (trace) אפשר למצוא התנהגויות של רכיבים שאינן תואמות למפרט. במהלך הפיתוח, ההערכה במעבדה והפרישה אפשר לפקח על המערכת מרחוק עם הודעות למשתמש לגבי השינויים.
עבור תכנונים ברמה הבסיסית, חברת Kontron מספקת רכיבים לרבות מעגלי AMC, רכזות MCH וכן מערכות וכלים מהמדף. Kontron מספקת גם מערכות לביצועים גבוהים יותר במערכות MicroTCATM ו–ATCA® וכן מבחר של מעבדים וטכנולוגיית רשתות. כל הרכיבים תואמים לתקני AdvancedMCTM ו–MicroTCATM, כך שקיים נתיב הגירה ממערכות ההערכה ומהמערכות ברמת הבסיס אל המערכות ברמה הגבוהה ואל פלטפורמות עיבוד עתידיות.
