S olutions INFO R M A T I Q U E I N D U S T R I E L L E 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). I l est fini le temps où chaque type d’entrée/sortie était géré par une carte électronique dédiée. Grâce aux cartes mezzanines, les industriels peuvent 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 L’essentiel carte à un grand nombre de clients (on P Le marché des mezzanines d’entrées/sorties est dominé prendra l’exemple de par deux formats : le PMC, Motorola et de sa carte basé sur le bus PCI, et le XMC, MVME162, équipée qui utilise des liens PCI de quatre emplaceExpress. ments pour mezzaP Ces deux standards séduisent nines “Industry Pack”, avant tout par leur forte qui reste encore à ce interopérabilité. Ils peuvent jour la carte VME la être installés indifféremment plus vendue au sur tout type de système monde). Et pour le industriel (VME, VXS, VXI, client, c’est entre CompactPCI, ATCA, VPX, etc.). autres la possibilité de P L’arrivée des mezzanines PMC tester son application et XMC à base de FPGA sur un PC de bureau a conduit à la création du sans attendre que le format FMC, une “mezzanine prototype soit dispode mezzanine”. nible, car la plupart 46 des mezzanines d’entrées/sorties industrielles peuvent être montées sur des cartes PCI standard. Le format PMC (PCI Mezzanine Card) représente 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 communication, 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 international (IEEE P1386.1) ont favorisé son adoption. Les mezzanines PMC ont rapidement 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’arrivée 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’adoption, car le PMC est encore bien présent cinq ans après l’arrivée de son “remplaçant”. « De nombreux industriels n’éprouvent pas encore le besoin de passer à des liaisons PCI Express, les performances 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 applications 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 véritablement et remplace l’énorme base installée en mezzanines 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 MESURES 837 - SEPTEMBRE 2011 - www.mesures.com Acromag L’offre en mezzanines d’ entrées/sorties se simplifie 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 souhaite. » 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 système de refroidissement par conduction et/ ou d’une plage de températures étendues. Les industriels de l’embarqué sont très demandeurs de ce type de mezzanines durcies car elles permettent de spécialiser des équipements 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 PMC et XMC se partagent donc l’essentiel qu’un éventail considérable de convertisdes ventes de mezzanines tous formats de seurs analogiques/numériques et analocartes confondus. Principale raison de ce giques/numériques. Et malgré un âge relasuccès : l’interopérabilité est assurée d’un tivement avancé pour le monde de fabricant à l’autre, bien sûr, mais aussi d’un l’informatique (quinze ans d’existence pour format de carte porteuse à l’autre. « En effet, le PMC, cinq ans pour le XMC), les volumes une même mezzanine pourra être utilisée indiffé- de ventes sont tels que les fabricants contiremment sur des cartes VME, VXS, CompactPCI, nuent d’étoffer leurs gammes de produits. CompactPCI Express, PCI, PCI Express,VPX et tous On a vu ainsi apparaître, il y a deux ans enleurs dérivés, indique Nicolas Stenko, spécia- viron, des mezzanines PMC avec contrôleurs liste de l’activité “cartes” chez NeoMore. Il est Gigabit Ethernet, comme par exemple la donc possible de faire évoluer un système sans chan- carte PMC240 de Kontron. ger ses entrées/sorties, un aspect non négligeable Parallèlement à ces fonctions d’entrées/sorquand on connaît les contraintes de coût, de pérennité ties, nombreux sont les constructeurs à ➜ 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. 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 compatibles 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 spécialisés sur le marché des accessoires et adaptateurs pour cartes PMC, de ce fait les PMC ne sont pas prêtes de disparaître. MESURES 837 - SEPTEMBRE 2011 - www.mesures.com 47 Solutions Solutions Les principaux formats de mezzanines industrielles 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 IP GE 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). nik Electro n Mikro 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). Me 48 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). tron Kon XMC (Switched Mezzanine Card, standard ANSI-VITA 42) Standard lancé en 2006. X 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. -ES C 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. 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 différentes (communications, liaisons série, traitement de signaux numériques ou analogiques, calcul scientifique, etc.). Problème : la connectique est chaque fois différente. ➜ FMC (FPGA Mezzanine Card, standard VITA 57) Ce standard a été lancé en 2008 pour répondre aux besoins de personnalisation 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. PrPMC (Processor PMC, standard VITA 32) Variante du standard PMC destiné à accueillir unprocesseur. Utilisées principalement en tant que ES Xprocesseur 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. 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. 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. 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)… MESURES 837 - SEPTEMBRE 2011 - www.mesures.com MESURES 837 - SEPTEMBRE 2011 - www.mesures.com ht rig -W iss urt Diamond Systems IP-Module (Industry Pack Module, 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’entrées/sorties classiques. « Ce sont des cartes toutes intégrées, en ce sens qu’elles embarquent à la fois un FPGA, de la mémoire, la connectique, un convertisseur analogique/numérique 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 traditionnelles. Quant aux modèles les plus performants, comme la carte X6 d’Innovative Integration qui embarque un FPGAVirtex-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 4DSP TTTech 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 : ➜ avoir ajouté de l’intelligence de traitement 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 distingue 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’affichage inédites, très utiles notamment pour les militaires qui développent des afficheurs 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 49 ➜ Les clients souhaitent disposer de FPGA sur les mezzanines PMC/XMC pour prétraiter leurs entrées/sorties, mais cela sous-entend 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 savoir chercher une solution pour spécialiser leurs mezzanines à moindre coût. On a donc vu apparaître, entre 2006 et 2008, un certain nombre de “mezzanines de mezzanines”. 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 standard FMC (FPGA Mezzanine Card, nom de code ANSI/VITA 57), un format de mezzanine bas profil et surtout interopérable entre fabricants. Explications techniques de Guillaume Garnier, ingénieur de développement FPGA chez Techway : « Contrairement aux mezzanines PMC/XMC qui embarquent nécessai- Solutions Techway Solutions rement un contrôleur de bus, le principe du FMC est de créer des liens directs 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, Le français Techway s’apprête à lancer un nouveau connecteur empilable pour les mezzanines FMC. mais aussi sur une carte 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. stand-alone comme notre plate-for me PFP. » Comme ces mezzanines sont relative- ter pleinement les capacités de traitement des ment simples à fabriquer, on a vu se déve- nouveaux FPGA. En effet, les connecteurs lopper depuis 2009 une offre FMC très large, FMC haute densité comportent pas moins de avec différents constructeurs fortement im- 160 liaisons traditionnelles et 20 liaisons très pliqués à l’instar de 4DSP, High Tech Global, haut débit (“Rocket IO”, de 1 à 4,5 Gbit/s), Integre ou encore Curtiss-Wright. mais les dimensions de la carte FMC sont A noter l’initiative de Techway qui s’apprête tellement réduites (69 x 76,5 mm) qu’il est à lancer au deuxième semestre 2011 un nou- impossible d’installer autant de connecteurs veau type de mezzanine FMC. La société sur le circuit imprimé. C’est pourquoi la française s’est fixée comme objectif d’exploi- carte FMC-SFP/SFP+ sera la première FMC 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. empilable. Son connecteur, spécifique mais néanmoins conforme au standard FMC, permettra 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 acceptent 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 applications de niche. Il faut dire que le ticket d’entrée pour la technologie FPGA est très élevé. « Utiliser un FPGA nécessite de développer des “blocs IP” pour chacune des fonctions, puis on doit passer par une longue phase d’optimisation, observe Patrick Méchin, directeur de Techway. Ce n’est pas comme une carte pour laquelle on se contente de télécharger les drivers : 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 générations, 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 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 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 50 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). MESURES 837 - SEPTEMBRE 2011 - www.mesures.com MESURES 837 - SEPTEMBRE 2011 - www.mesures.com 51