L`état du marché Pour quelles applications

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INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
L’offre en mezzanines d’ entrées/sorties
se simplifie
H
Parmi les nombreux formats de cartes mezzanines lancés ces quinze dernières
années, les standards PMC (PCI Mezzanine Card) et XMC (Switched Mezzanine
Card) ont fini par s’imposer. L’offre très vaste couvre pratiquement tous les
besoins en acquisition de données et en communication, et ces mezzanines sont
compatibles avec la plupart des systèmes en rack (VME, CompactPCI, MicroTCA,
VPX, etc.). Quant aux utilisateurs de circuits FPGA, autrefois obligés de développer
des cartes spécifiques, ils profitent eux aussi des avantages des mezzanines grâce
aux modules d’entrées/sorties FMC (FPGA Mezzanine Card).
Il est fini le temps où chaque type
d’entrée/sortie était géré par une
carte électronique dédiée. Grâce aux
cartes mezzanines, les industriels peu-
vent rendre leurs systèmes plus compacts et
plus intégrés. Pour les fabricants de cartes
industrielles, c’est l’occasion de faire des
économies d’échelle
en vendant une même
carte à un grand
nombre de clients (on
prendra l’exemple de
Motorola et de sa carte
MVME162, équipée
de quatre emplace-
ments pour mezza-
nines “
Industry Pack ”,
qui reste encore à ce
jour la carte VME la
plus vendue au
monde). Et pour le
client, c’est entre
autres la possibilité de
tester son application
sur un PC de bureau
sans attendre que le
prototype soit dispo-
nible, car la plupart
des mezzanines d’entrées/sorties indus-
trielles peuvent être montées sur des cartes
PCI standard.
Le format PMC (
PCI Mezzanine Card ) repré-
sente à ce jour la majorité des ventes de
cartes mezzanines en France, en Europe et
dans le monde. A son lancement, au milieu
des années quatre-vingt-dix, il s’agissait du
premier format de mezzanines industrielles
à exploiter le bus PCI. Les industriels, qui
utilisaient encore largement le bus ISA pour
la gestion des entrées/sorties, ont d’abord
réservé les PMC aux applications de commu-
nication, qui demandaient de plus hauts
débits. Mais la simplicité de conception du
PMC (la connectique reprend intégralement
les couches physiques et logiques du bus
PCI) ainsi que son statut de standard inter-
national (IEEE P1386.1) ont favorisé son
adoption. Les mezzanines PMC ont rapide-
ment éclipsé tous les autres formats, à savoir
les Industry Pack (ANSI/VITA 4-1995, aussi
connus sous le nom de IP-Module), les
M-Module (ANSI/VITA 12-1996, format
lancé par
Men Mikro Elektronik ) et les PC-MIP
(projet de standard VITA 29, initié par
GreenSpring Computer ). « Malgré le fait que ces
trois formats étaient conçus spécifiquement pour le
monde des entrées/sorties industrielles, on ne voit
plus aujourd’hui de nouveaux projets qui démarrent
avec eux , commente Michel Goujet, directeur
de
Men Mikro Elektronik . Le PMC, qui était au
départ plutôt orienté “communications”, a réussi à
s’imposer pour la majorité des applications.
»
L’histoire est en train de se répéter avec l’ar-
rivée dans l’industrie du bus PCI Express. De
la même manière que les mezzanines PMC
ont gagné la partie lors du passage du bus
ISA au bus PCI, le format XMC (
Switched
Mezzanine Card
, standard ANSI/VITA 42 lancé
en 2006) fait aujourd’hui office de référence
sur le marché des mezzanines PCI Express.
La seule différence est dans la vitesse d’adop-
tion, car le PMC est encore bien présent cinq
ans après l’arrivée de son “remplaçant”. «
De
nombreux industriels n’éprouvent pas encore le be-
soin de passer à des liaisons PCI Express, les perfor-
mances du bus PCI étant pour eux amplement
suffisantes
, explique Elie Gasnier, directeur
commercial et marketing chez
Ecrin Systems .
L’offre en mezzanines XMC se développe, mais ces
dernières sont le plus souvent réservées aux applica-
tions d’acquisition à très haut débit, et pour les
communications en Gigabit Ethernet. A terme, bien
sûr, les mezzanines XMC devraient rattraper les
PMC en volume de ventes (la tendance est d’ailleurs
amorcée), mais il faudra attendre quelques années
encore pour que le format XMC s’impose véritable-
ment et remplace l’énorme base installée en mezza-
nines PMC
».
L’état du marché
Même si les industriels ne sont pas tous prêts
à passer au PCI Express, les fabricants de
cartes porteuses mettent fortement en avant
les mezzanines XMC. On est d’abord passé
de cartes mères avec deux emplacements
PMC à des cartes mères avec un site PMC et
un site XMC, et aujourd’hui la majorité des
cartes porteuses du marché dispose de deux
emplacements XMC. Les connecteurs PMC
et XMC sont différents, mais comme les
deux formats de mezzanines sont compa-
tibles mécaniquement, les utilisateurs de
PMC peuvent continuer de les utiliser sur
une carte porteuse équipée d’emplacements
mixtes PMC/XMC. Et certains constructeurs
comme
Dynamic Engineering se sont spéciali-
sés sur le marché des accessoires et adapta-
teurs pour cartes PMC, de ce fait les PMC ne
sont pas prêtes de disparaître.
PMC et XMC se partagent donc l’essentiel
des ventes de mezzanines tous formats de
cartes confondus. Principale raison de ce
succès : l’interopérabilité est assurée d’un
fabricant à l’autre, bien sûr, mais aussi d’un
format de carte porteuse à l’autre. «
En effet,
une même mezzanine pourra être utilisée indiffé-
remment sur des cartes VME, VXS, CompactPCI,
CompactPCI Express, PCI, PCI Express, VPX et tous
leurs dérivés
, indique Nicolas Stenko, spécia-
liste de l’activité “cartes” chez
NeoMore . Il est
donc possible de faire évoluer un système sans chan-
ger ses entrées/sorties, un aspect non négligeable
quand on connaît les contraintes de coût, de pérennité
et de disponibilité auxquelles sont confrontés les
industriels. Mais ce n’est pas tout. Contrairement à
la plupart des autres formats qui font le choix de
positionner les entrées/sorties en face avant ou en
face arrière, PMC et XMC laissent la possibilité à
l’utilisateur de faire sortir les signaux où il le sou-
haite.
» En outre, comme ces deux formats
existent depuis longtemps, l’offre s’est
considérablement enrichie au fil des années
et différents constructeurs proposent des
mezzanines PMC ou XMC munies d’un sys-
tème de refroidissement par conduction et/
ou d’une plage de températures étendues.
Les industriels de l’embarqué sont très de-
mandeurs de ce type de mezzanines durcies
car elles permettent de spécialiser des équi-
pements à moindre coût sans en diminuer
la robustesse.
Pour quelles applications ?
On trouve aujourd’hui de tout en matière de
mezzanines PMC/XMC : des liaisons série,
des contrôleurs pour tous types de réseaux
Ethernet ou bus de terrain, des compteurs,
des horloges, des disques de stockage ainsi
qu’un éventail considérable de convertis-
seurs analogiques/numériques et analo-
giques/numériques. Et malgré un âge rela-
tivement avancé pour le monde de
l’informatique (quinze ans d’existence pour
le PMC, cinq ans pour le XMC), les volumes
de ventes sont tels que les fabricants conti-
nuent d’étoffer leurs gammes de produits.
On a vu ainsi apparaître, il y a deux ans en-
viron, des mezzanines PMC avec contrôleurs
Gigabit Ethernet, comme par exemple la
carte PMC240 de
Kontron .
Parallèlement à ces fonctions d’entrées/sor-
ties, nombreux sont les constructeurs à
P Le marché des mezzanines
d’entrées/sorties est dominé
par deux formats : le PMC,
basé sur le bus PCI, et le XMC,
qui utilise des liens PCI
Express.
P Ces deux standards séduisent
avant tout par leur forte
interopérabilité. Ils peuvent
être installés indifféremment
sur tout type de système
industriel (VME, VXS, VXI,
CompactPCI, ATCA, VPX, etc.).
P L’arrivée des mezzanines PMC
et XMC à base de FPGA
a conduit à la création du
format FMC, une “mezzanine
de mezzanine”.
L’essentiel
➜
Les mezzanines au format PMC sont particulièrement adaptées aux applications d’acquisition de données et de gestion d’entrées/
sorties qui ne demandent pas des vitesses très élevées. La plupart des cartes d’entrées/sorties numériques intègrent également
des compteurs, comme les modèles présentés sur la photo.
Acromag

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avoir ajouté de l’intelligence de traite-
ment sur leurs mezzanines, notamment sur
les XMC. Il s’agit cette fois de prétraiter ou
de préformater les entrées/sorties afin de
soulager le processeur central situé sur la
carte porteuse. Dans ce domaine, on distin-
gue plusieurs initiatives intéressantes.
Certains constructeurs, à l’instar d’
Adlink
Technology
et de sa XMC-G460, ont choisi
d’installer un coprocesseur graphique
(GPGPU, pour
General Purpose Graphical
Processing Unit
). Installée dans un système à
hautes performances comme le VPX, une
carte de ce type apporte des fonctions d’af-
fichage inédites, très utiles notamment
pour les militaires qui développent des af-
ficheurs évolués, redondants et à haute
résolution.
Un autre moyen d’apporter de l’intelligence
à une mezzanine est d’utiliser un composant
programmable ou FPGA (
Field Programmable
Gate Array
). Il faut dire que l’arrivée des
“gros” FPGA de type
Xilinx Virtex-5 et
Virtex-6, vers 2004-2005, a véritablement
changé la donne. Ces composants peuvent
prendre en charge des liaisons à très hauts
débits et effectuer des calculs complexes sur
plusieurs voies simultanément (capacités de
traitement parallèle). Une seule carte XMC
de ce type, comme on peut en trouver chez
Men Mikro Elektronik , Curtiss-Wright Controls
Embedded Computing
, Innovative
Integration
ou encore
Nallatech , peut remplacer
à elle seule une dizaine
de mezzanines d’en-
trées/sorties classiques.
«
Ce sont des cartes toutes inté-
grées, en ce sens qu’elles embarquent
à la fois un FPGA, de la mémoire, la
connectique, un convertisseur analogique/nu-
mérique et un convertisseur numérique/analogique
,
commente Christian Ropars, président et
fondateur d’
Acquisys . On trouve sur le marché
des modèles d’entrée de gamme tout à fait indiqués
pour des applications d’acquisition de données tra-
ditionnelles. Quant aux modèles les plus perfor-
mants, comme la carte X6 d’
Innovative
Integration
qui embarque un FPGA Virtex-6 avec
4 Go de mémoire et des liens PCI Express x8, elle
permet de faire de l’acquisition à très haute vitesse,
jusqu’à 3,6 Géch/s sur 12 bits. Pour se donner un
➜
 IP-Module (Industry Pack Module,
standard ANSI-VITA 4)
Lancé dans les années 80,
ce format exploite
des signaux parallèles
comme le bus ISA.
Associé historiquement
au monde des cartes porteuses VME
(d’où une base installée encore
importante), il est disponible dans deux versions : simple largeur
(45,72 x 99,06 mm) et double largeur (91,44 x 99,06 mm).
 PMC (PCI Mezzanine Card,
standard IEEE P1386.1)
Format de mezzanine lancé en 1994
et basé sur les spécifications
du bus PCI et reprenant
les caractéristiques
mécaniques des modules
CMC (Common Mezzanine
Card), à savoir des dimensions
de 74 x 149 mm (simple largeur) ou de 149 x 149 mm (double
largeur). Les mezzanines PMC peuvent être équipées de 2 à
3 connecteurs selon qu’elles utilisent un bus PCI 32 ou 64 bits.
Le quatrième connecteur, optionnel, permet à l’utilisateur
de définir ses propres entrées/sorties (ou de renvoyer
des signaux en face arrière de la carte).
 M-Module (Men Module,
standard ANSI-VITA 12)
Standard lancé en 1996,
destiné à être utilisé sur
différentes plates-formes
(PCI, CompactPCI, PXI, VXI,
VME, LXI, etc.). La communication
s’effectue via un bus de données parallèle à 8,16 ou
32 bits, un bus d’adresse de 8 ou 24 bits et une horloge
asynchrone à 16 MHz. Les spécifications prévoient trois tailles
de M-Module : simple (148,3 x 52,9 mm), double
(148,3 x 106,2 mm) ou triple (148,3 x 159,6 mm).
 PrPMC (Processor PMC,
standard VITA 32)
Variante du standard PMC
destiné à accueillir
unprocesseur. Utilisées
principalement en tant que
processeur secondaire,
les mezzanines PrPMC peuvent néanmoins être employées
comme processeur maître sur un bus PCI. Ce format a
aujourd’hui pratiquement disparu au profit des différents
formats de modules processeurs, plus compacts.
 AMC (Advanced Mezzanine Card standard, standard PICMG
AMC.0)
Ce format mis au point en 2005 pour les besoins de l’industrie
des télécommunications se distingue par ses hautes
performances et sa capacité à gérer l’extraction à chaud.
La mezzanine n’est donc pas
vissée à la carte porteuse
et son connecteur à angle
droit permet une extraction
facile. Il faut toutefois noter que
les mezzanines AMC ne peuvent être
utilisées que dans des systèmes
AdvancedTCA ou MicroTCA
(dans ce dernier cas elles font office de cartes
à part entière).
 XMC (Switched Mezzanine
Card, standard ANSI-VITA 42)
Standard lancé en 2006.
Il reprend les mêmes
caractéristiques mécaniques
que les cartes PMC (dimensions,
position des plots de fixation), mais utilise
des communications sérielles au lieu des bus
parallèles traditionnels. Les connecteurs, au nombre de 1 ou 2,
sont différents de ceux du format PMC et positionnés
différemment, ce qui permet l’installation d’une carte PMC ou
XMC sur un même emplacement PMC/XMC.
 FMC (FPGA Mezzanine Card,
standard VITA 57)
Ce standard a été lancé
en 2008 pour répondre
aux besoins de personna-
lisation des cartes PMC et
XMC à base de FPGA.
Existant en simple largeur
(69 x 76,5 mm) ou double
largeur (139 x 76,5 mm),
ce module se caractérise
par l’absence de protocole
de communication prédéfini entre les entrées/sorties et le FPGA.
 FeaturePak
Lancé en 2010,
ce format compact
(43 x 65 mm) et
économique s’adresse
aux applications
d’entrées/sorties
industrielles. Il dispose
d’un connecteur
de type barrette RAM,
mais s’installe parallèlement à la carte mère comme toutes
les autres mezzanines. Ce connecteur unique transmet tous
les signaux, notamment deux liens PCI Express, un bus I2C,
un port USB et des entrées/sorties définies par l’utilisateur.
 D’autres formats ont fait l’objet de travaux au sein
de comités de standardisation, mais n’ont pas réussi à
véritablement s’imposer. C’est le cas notamment
des mezzanines EMC (Express Mezzanine Card, VITA 56) ou
PC-MIP (VITA 29)…
Les principaux formats de mezzanines industrielles
Même si les mezzanines PMC et XMC sont les plus représentées sur le marché, d’autres formats existent et permettent encore
aujourd’hui de répondre à des besoins spécifiques, notamment pour les industriels qui ont besoin de cartes économiques pour
des opérations simples sur les entrées/sorties. Voici un bref descriptif des principaux formats de cartes mezzanines :
ordre d’idée des performances, il suffit
de considérer qu’avec seulement deux de ces
cartes on peut concevoir un radar très performant !
»
Des mezzanines de mezzanines
Par définition, les FPGA sont conçus pour
remplir un large panel de fonctions diffé-
rentes (communications, liaisons série, trai-
tement de signaux numériques ou analo-
giques, calcul scientifique, etc.). Problème :
la connectique est chaque fois différente.
Mezzanines
PMC et XMC
sont compatibles
mécaniquement.
Certaines cartes disposent
même des deux types de connecteurs :
elles peuvent être installées indifféremment
sur un emplacement PMC ou XMC.
Kontron
4DSP
TTTech
Men Mikro Electronik
GEIP
X-ES
X-ES
Diamond Systems
Curtiss-Wright
➜

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Les avantages des mezzanines :
 La possibilité de personnaliser les produits. Un fabricant
d’équipements embarqués pourra facilement modifier les entrées/
sorties et les capacités de communication de son système en fonction
de chaque client.
 Le faible encombrement. Contrairement aux cartes filles d’un PC
de bureau, une mezzanine s’installe parallèlement à la carte mère,
ce qui permet un gain de place non négligeable. De plus, dans
les anciens systèmes industriels, chaque carte d’entrées/sorties ou
carte d’acquisition occupait un emplacement dans le châssis.
Les mezzanines, quant à elles, s’installent directement sur la carte
processeur. Elles font ressortir leur connectique en face avant ou
arrière et n’occupent pas de slot supplémentaire dans le châssis.
 La possibilité pour les fabricants de cartes de réaliser
des économies d’échelle. Pour certaines sociétés spécialisées dans
l’acquisition, par exemple, le choix d’une mezzanine permet de ne
commercialiser qu’une seule référence d’un produit. Le client pourra
ensuite l’installer sur la carte porteuse de son choix.
 La pérennité. Lors de la migration d’une application, du VME vers
le VPX par exemple, l’industriel a l’assurance de pouvoir réutiliser
sa mezzanine, d’autant plus qu’il existe sur le marché un grand nombre
d’accessoires et d’adaptateurs.
 La compatibilité avec les cartes PCI et PCI Express. Toutes
les mezzanines sans exception peuvent être montées sur des cartes
à installer dans un PC de bureau. Cela permet notamment de vérifier
le bon fonctionnement de la partie entrées/sorties d’un système,
même si ce dernier n’est pas encore opérationnel.
Les inconvénients des mezzanines :
 La connectique. Elle est différente selon les standards, et peut même
être différente entre deux mezzanines du même standard. C’est le cas
du format PMC qui propose des versions à 2, 3 ou 4 connecteurs.
Même si ces mezzanines sont facilement réutilisables d’un système
à un autre, attention tout de même à vérifier que la porteuse dispose
du même nombre de connecteurs que la mezzanine.
 Le temps de réparation d’un système. Certains industriels qui ont
des impératifs de haute disponibilité veulent pouvoir remplacer
une carte défectueuse en quelques secondes. Pour eux, l’usage de cartes
mezzanines n’est pas recommandé, car ces dernières sont parfois
difficilement accessibles, et elles sont le plus souvent vissées sur leur
carte porteuse. Seul le format AMC (AdvancedTCA Mezzanine Card)
permet de s’affranchir de ce problème.
 La consommation limitée. Les dimensions réduites des circuits imprimés
des cartes mezzanines ne permettent pas d’évacuer beaucoup de chaleur.
Impossible donc d’utiliser des mezzanines pour des entrées/sorties
de puissance. Quant aux connecteurs, il s’agit le plus souvent de modèles à
haute densité, qui ne peuvent faire passer beaucoup de courant : attention
donc à vérifier cet aspect alimentation si l’on veut installer un composant
consommateur de courant (processeur, GPU ou FPGA).
Pourquoi choisir une mezzanine ?
En fonction de son métier et de ses besoins, l’industriel pourra opter pour une carte avec des entrées/sorties dédiées ou au contraire
choisir une carte générique munie d’emplacements pour mezzanines. Quels sont les points forts des mezzanines d’entrées/sorties, et
quelles sont leurs limites ?
Les clients souhaitent disposer de FPGA
sur les mezzanines PMC/XMC pour prétrai-
ter leurs entrées/sorties, mais cela sous-en-
tend de fabriquer autant de références de
cartes mezzanines que d’applications. Les
fournisseurs de cartes électroniques se sont
donc retrouvés à leur point de départ, à sa-
voir chercher une solution pour spécialiser
leurs mezzanines à moindre coût. On a donc
vu apparaître, entre 2006 et 2008, un cer-
tain nombre de “mezzanines de mezza-
nines”. Ces petits formats de cartes, comme
les XRM d’
Alpha-Data , les USM de Men Mikro
Elektronik
ou les QuiXmodule de Tekmicro ,
étaient propriétaires, ce qui rendait le client
dépendant de son fournisseur.
Le format FMC
Heureusement, en 2008 a été lancé le stan-
dard FMC (
FPGA Mezzanine Card , nom de
code ANSI/VITA 57), un format de mezza-
nine bas profil et surtout interopérable entre
fabricants. Explications techniques de
Guillaume Garnier, ingénieur de développe-
ment FPGA chez
Techway : « Contrairement aux
mezzanines PMC/XMC qui embarquent nécessai-
rement un contrôleur de
bus, le principe du FMC
est de créer des liens di-
rects entre les entrées/
sorties et les contacts du
FPGA. Du coup, une
FMC peut s’installer
partout où l’on trouve
des FPGA : sur une carte
porteuse (au format
VPX, CompactPCI,
AMC ou autre), sur une
mezzanine XMC/PMC,
mais aussi sur une carte
stand-alone comme
notre plate-forme
PFP.
» Comme ces mezzanines sont relative-
ment simples à fabriquer, on a vu se déve-
lopper depuis 2009 une offre FMC très large,
avec différents constructeurs fortement im-
pliqués à l’instar de
4DSP , High Tech Global ,
Integre ou encore Curtiss-Wright .
A noter l’initiative de
Techway qui s’apprête
à lancer au deuxième semestre 2011 un nou-
veau type de mezzanine FMC. La société
française s’est fixée comme objectif d’exploi-
ter pleinement les capacités de traitement des
nouveaux FPGA. En effet, les connecteurs
FMC haute densité comportent pas moins de
160 liaisons traditionnelles et 20 liaisons très
haut débit (“Rocket IO”, de 1 à 4,5 Gbit/s),
mais les dimensions de la carte FMC sont
tellement réduites (69 x 76,5 mm) qu’il est
impossible d’installer autant de connecteurs
sur le circuit imprimé. C’est pourquoi la
carte FMC-SFP/SFP+ sera la première FMC
empilable. Son connecteur, spécifique mais
néanmoins conforme au standard FMC, per-
mettra d’installer jusqu’à trois mezzanines
l’une sur l’autre. Chacune de ces mezzanines
“FMC empilables” sera équipée de trois
“cages” SFP/SFP+, des connecteurs qui ac-
ceptent de la fibre optique ou de la paire de
cuivre et offrent des débits allant jusqu’à
10 Gbit/s.
Grâce aux FMC, les utilisateurs de FPGA ont
eux aussi leurs mezzanines. Ces cartes n’en
restent pas moins réservées à quelques ap-
plications de niche. Il faut dire que le ticket
d’entrée pour la technologie FPGA est très
Le français Techway s’apprête à lancer un nouveau connecteur empilable pour les mezzanines FMC.
Les industriels pourront connecter davantage d’équipements sur un même FPGA, un bon moyen
d’exploiter les énormes capacités de traitement des processeurs programmables les plus récents.
Plus qu’une simple carte PCI, la PFP (Plate-forme FPGA Polyvalente) de Techway peut servir à créer un système d’acquisition autonome.
La carte accueille un FPGA et dispose d’un emplacement pour mezzanine FMC. Elle est capable d’effectuer le traitement et le stockage
des données sans avoir recours à une carte processeur.
Techway
➜
élevé. « Utiliser un FPGA
nécessite de développer des
“blocs IP” pour chacune des
fonctions, puis on doit passer
par une longue phase d’optimi-
sation
, observe Patrick
Méchin, directeur de
Techway . Ce n’est pas comme
une carte pour laquelle on se
contente de télécharger les dri-
vers : il faut faire appel à un
spécialiste, et cela demande du
temps et de l’argent. C’est la
raison pour laquelle cette
technologie reste aujourd’hui
limitée à des applications de pointe, notamment dans
la recherche, le médical et les télécoms. Heureusement,
l’arrivée prochaine de la génération Virtex-7 devrait
favoriser l’adoption de la technologie FPGA par les
industriels. La nouvelle architecture Kintex devrait
en effet présenter un rapport performances/prix
beaucoup plus intéressant que les précédentes géné-
rations, et nous sommes convaincus qu’elle saura
répondre aux impératifs de coûts de la plupart des
industriels qui hésitent à passer au FPGA.
»
Frédéric Parisot