Un sistema MicroTCA è costituito da un massimo di 12 moduli AdvancedMC (Advanced Mezzanine Card) aventi le dimensioni di una cartolina (Fig. 1) e inseriti in un backplane in grado di fornire potenza, raffreddamento e risorse meccaniche adeguati (Fig. 2). Sia le norme AdvancedMC sia quelle MicroTCA sono state concepite e vengono curate dall'organizzazione PICMG, costituita da un grande numero di aderenti, tra cui produttori, utenti e altri membri interessati.
Esistono altri diversi standard aperti concepiti per applicazioni industriali; il MicroTCA si distingue da essi in particolare per il fatto che sul mercato esiste una grande varietà di moduli AdvancedMC in grado di offrire ben più di una semplice capacità di elaborazione general purpose.
Ogni sistema MicroTCA viene gestito da un modulo di comando, il MicroTCA Carrier Hub (Fig. 3), che implementa, fra l'altro, un sottosistema per il management basato su IPMI, il cui compito è quello di controllare l'alimentazione, il raffreddamento e lo hot swap dei moduli. L'MCH fornisce inoltre, all'interno del sistema, la funzionalità switching necessaria a collegare tra di loro i moduli AdvancedMC tramite interfacce Gigabit Ethernet, PCI-Express e Serial Rapid IO. Usando un sistema MicroTCA è possibile realizzare semplici combinazioni funzionali quali Gigabit Ethernet, per il controllo, con SATA, per la memorizzazione dei dati, (Fig. 4) o con PCI-Express onde implementare funzioni grafiche e I/O locali, a seconda delle necessità imposte dall'applicazione in questione. È però anche possibile realizzare sistemi più complessi basati sul nuovo standard.
In base alla norma, il backplane dispone di un massimo di 21 canali seriali ad alta velocità (pipes), e ciò consente di realizzare sistemi MicroTCA con larghezza di banda scalabile fra 100 Mbps e 40 Gbps.
Lo standard prevede per i moduli AMC 6 fattori di forma che vanno dal "compact" al "double width full-size" (misura intera con doppia larghezza). In pratica vi è però la tendenza a utilizzare un numero ridotto di fattori di forma, poiché ciò comporta un aumento della quantità di moduli venduti per ciascun fattore di forma con una conseguente riduzione del loro prezzo unitario.
MicroTCA si differenzia da altri standard anche per il fatto che consente l'utilizzo di un gran numero di soluzioni packaging differenti (Fig. 5), di modo che il progettista può facilmente trovare quella che più si adatta alla sua particolare applicazione. Sono disponibili sul mercato numerosi modelli COTS che vanno dall'armadio da 19 pollici per sistemi di grandi dimensioni ai cosiddetti contenitori "pizza box" per sistemi poco ingombranti. Vi è anche un grande interesse a realizzare package dedicati a una determinata applicazione. Hybricon, ad esempio, ha presentato numerosi box particolarmente robusti e raffreddati per conduzione, che utilizzano componenti standard basati su MicroTCA per la realizzazione di sistemi militari o avionici.
È però già oggi possibile realizzare anche applicazioni industriali basate su MicroTCA. Gli apparecchi in uso nel settore industriale possono essere suddivisi in tre categorie principali: strumenti portatili, semi-portatili/benchtop e installazioni fisse.
Gli strumenti portatili
Per gli strumenti portatili si richiede generalmente che siano quanto più piccoli e leggeri possibile, e che operino con alimentazione a batteria, il che implica che il loro assorbimento è di grande importanza. Ai progettisti viene di norma imposto che utilizzino un contenitore conforme a una determinata strategia di marketing, il che impone una chiara limitazione allo spazio disponibile. Spesso, inoltre, il designer deve far uso di particolari unità I/O e di determinati display, trovandosi in questo modo costretto a progettare ex novo la baseboard e a sperare poi di trovare sul mercato il modulo di elaborazione (processing) di tipo plug-in, per il controllo dello strumento o per l'acquisizione dati, che risulti adatto al suo progetto. Questi strumenti portatili sono stati generalmente progettati e utilizzati in modo "stand-alone"; per motivi tuttavia dovuti al bisogno di regolamentazione, a una strategia aziendale propensa al networking, e alla necessità di disporre di strumenti di più facile uso, si richiede sempre più spesso che tali strumenti siano collegabili alla rete, in particolare in modo wireless. I sistemi MicroTCA e molti moduli AdvancedMC sono concepiti in modo da soddisfare a priori e contemporaneamente alle condizioni dettate sia da un'elevata capacità di elaborazione sia da quelle derivate dalla connettività via rete. Quest'ultima è una caratteristica fondamentale dei prodotti MicroTCA, mentre ciò non si può affermare per molti prodotti basati su altri standard.
Negli ultimi anni, specialmente in seguito alla crescente richiesta di display grafici di buona qualità, si riscontra la tendenza ad usare microcontrollori basati sull'architettura x86 di Intel, in quanto sono facili da programmare e relativamente economici. Sono disponibili molti tipi di computer modulari pronti all'uso come ad esempio Computer On Module (COM), COM Express, ETX, MicroETX e i derivati del PC/104. Tutti questi prodotti hanno in comune il fatto di essere un PC in miniatura di tipo plug-in, dotato di varie interfacce bus per la baseboard, nonché di unità I/O per PC quali USB, RS-232 seriale e interfaccia audio. I moduli AdvancedMC basati su processori Intel svolgono le medesime funzioni di un PC modulare plug-in, anche se poi lo strumento, più che fondare su MicroTCA, risulta conforme alle norme AMC.
Gli apparecchi semiportatili
Apparecchi benchtop e semiportatili sono generalmente alimentati a c.a. e devono poter essere spostati senza che subiscano danni. Grazie alla loro concezione modulare è facile aumentare la funzionalità e le prestazioni di questi apparecchi, qualora lo si desideri. Ciò può essere necessario ad esempio nel caso di sistemi di test che richiedano (in funzione del dato paese o del mercato in considerazione) moduli specifici, o diversi esemplari di un dato modulo, per poter effettuare il test in parallelo in una catena di montaggio. Apparecchi semiportatili, come strumenti di test trasportabili, possono utilizzare un processore general purpose per il controllo dello strumento e del display oppure anche moduli commerciali di altro tipo quali particolari componenti I/O per il collegamento con i dispositivi da testare nonché moduli DSP e FPGA per l'elaborazione dei risultati dei test. MicroTCA si propone come soluzione ideale per equipment semiportatile, e per diverse ragioni.
Vi sono numerosi standard aperti rivolti al mercato delle applicazioni industriali, tra questi il VMEbus e il CompactPCI 3U. Analogamente a quanto vale per gli standard AMC e MicroTCA, anche per i primi sono disponibili sul mercato numerosi moduli o schede COTS, come ad esempio sistemi DSP e FPGA complessi, nonché alcune soluzioni COTS per il packaging. Inoltre le applicazioni realizzate hanno un ciclo vitale relativamente lungo.
Grazie alla crescente moltitudine di moduli AMC, MicroTCA si propone come forte concorrente di tali standard anche nel settore degli apparecchi industriali semiportatili. Dato poi che i sistemi MicroTCA hanno dimensioni piuttosto ridotte, e risulta facile trovare il package adatto al progetto considerato, e poiché questo standard si è evoluto partendo da un'architettura Ethernet switched, esso risulta particolarmente adatto alla realizzazione di applicazioni distributed che necessitano di interscambio dati ad alta velocità.
Le installazioni fisse
Vi sono numerosi tipi di impianti fissi: vanno dal terminale da chiosco per parchimetri agli impianti altamente complessi per il controllo del processo di produzione di una fab per integrati in un ambiente incontaminato, fino ai sistemi di segnalazione per le ferrovie funzionanti in un ambiente ostico. Questi esempi mostrano quanto sia difficile generalizzare descrivendo questo tipo di equipment; vi sono tuttavia alcuni indicatori utili, tra cui la necessità di utilizzare tipi diversi di processori di controllo. A volte questa necessità trae origine dall'esistenza di un gran numero di programmi validi scritti per determinati processori come il PowerPC, oppure dal bisogno di usare un determinato sistema operativo embedded per motivi di sicurezza o di velocità (RTOS). Motivi di sicurezza e ragioni economiche impongono che i sistemi usati in impianti fissi siano particolarmente longevi e altamente affidabili. Così ad esempio anche un'interruzione di poche ore della produzione in una catena di montaggio, causata da impianti di bassa affidabilità, può causare perdite ingenti. Questi tipi di applicazioni industriali fisse possono trarre grandi vantaggi dalla flessibilità, dalla scalabilità e dalla possibilità di costruire impianti ad alta affidabilità che caratterizzano il MicroTCA.
Tecnologie a confronto
Risulta evidente che esiste un'insieme di applicazioni industriali che necessitano di ulteriore funzionalità PC facilmente integrabile nel sistema; il candidato che meglio risponde a questa esigenza è una forma di Computer On Module. I più recenti tipi di COM offrono una buona performance e sono collegabili a una baseboard mediante PCI-Express. Sono disponibili sul mercato sia numerosi moduli del tipo descritto basati su PCI sia moduli che usano ancora il bus ISA e risultano quindi adatti a progetti richiedenti basse velocità di trasmissione. Nel loro insieme questi COM sono disponibili in versioni con fattore di forma diverso, in modo tale da poter soddisfare numerose esigenze di packaging.
Sotto il profilo tecnico, i fatti che dovrebbero motivare un progettista di apparecchi industriali a utilizzare la tecnologia MicroTCA sono svariati:
- - la possibilità di utilizzare vari moduli di elaborazione (processing) collegati in modo distribuito tramite un backplane Ethernet;
- - la disponibilità di moduli AdvancedMC che dispongono di vari processori, compresi i quelli packet multi-core (Fig. 6), come DSP, FPGA, PowerPC nonché quelli con le più recenti architetture a basso assorbimento di potenza del tipo x86 per il control processing;
- - la disponibilità di una vasta gamma di moduli I/O COTS riutilizzabili, con i quali il tempo di progettazione si riduce enormemente, nonché di adeguati sistemi di sviluppo commerciali (Fig. 7);
- - l'attesa, notevole riduzione dei prezzi unitari dei moduli AdvancedMC a seguito del previsto incremento del loro utilizzo anche in altri settori applicativi;
- - la reperibilità di moduli hot swappable che riducono notevolmente i tempi di manutenzione e sono essenziali per determinate soluzioni. Si noti che, nel caso di particolari applicazioni, si deve invece escludere che l'utente possa estrarre i moduli: ciò è ottenibile usando un'adeguata soluzione a livello di contenitore (packaging) dell'intero sistema;
- - la disponibilità di alcune soluzioni packaging COTS, in particolare quelle robuste per ambienti ostici, grazie alla quale si riduce il tempo di progettazione;
- - l'esistenza e i vantaggi di backplane switched seriali ad alta velocità in grado di raggiungere una larghezza di banda pari a 40 Gbps.
Un'evoluzione industriale molto probabile
Il MicroTCA ha le carte in regola per conquistare nuovi campi di applicazione nel settore embedded computing, specialmente grazie al vantaggioso rapporto tra prezzo e prestazioni da esso offerto. Questo standard trae profitto dai lavori di sviluppo eseguiti per AdvancedTCA, da cui ha ereditato molte caratteristiche che altre architetture embedded non sono in grado di offrire. Di quest'ultime fanno parte una struttura compatta, scalabile e altamente modularizzata, un raffreddamento efficiente, canali seriali ad alta velocità, facilità di manutenzione, un management a livello di sistema nonché una grande robustezza meccanica. MicroTCA offre inoltre un'elevata flessibilità nella scelta del contenitore più adatto e dei moduli payload di tipo industriale. Un ulteriore argomento a favore dell'uso di MicroTCA per la realizzazione di sistemi industriali basati su rete è rappresentato dalla sua longevità, dato che esso soddisfa tutte le condizioni necessarie a farne una piattaforma per applicazioni industriali che sarà stabile per i prossimi dieci anni e più. Attualmente non esiste uno standard comparabile che offra una simile longevità, né sono prevedibili soluzioni confrontabili nel prossimo futuro. Ed è proprio perché questo standard consente di realizzare soluzioni durevoli nel tempo, che molte aziende scelgono di investire in MicroTCA, ben sapendo che i loro investimenti non andranno perduti.
