現代鐵路機車依賴越來越複雜的嵌入式系統執行和監測車載設備，提高安全性和可靠性，改善乘客舒適度，並提供新服務。欄車設計師和運營商必須在車內安裝並維護維護多個系統以滿足這些需求。這些系統必須能夠在惡劣環境下，空間和功率限制內處理大量資料。它們必須滿足高系統可靠性要求和嚴格的行業規定。

本文介紹一款耐用經濟的 3U CompactPCI Serial 單片機 (SBC) 整合運營功能的優勢。我們討論設計 SBC 在鐵路機車上執行虛擬化解決方案面臨的挑戰。我們研究類似 MEN Mikro Elektronik 的製造商如何透過耐用 SBC 設計滿足這些挑戰。我們考察 Intel® Xeon® 處理器 D-1500 產品系欄最新成員如何支援這些 SBC 提供安全虛擬化多個工作負荷需要的縮放性和性能。最後，我們探討這些處理器如何支援安全高速資料傳輸。

鐵路機車系統整合的優勢

現代欄車依賴多個嵌入式系統。這些系統必須同時即時執行多個應用，其中許多應用對安全性和乘客舒適度至關重要（圖 1）。

應用示例包括：

• 通訊
• 先進制動控制和信號處理
• 乘客資訊系統 (PIS) 和娛樂
• Internet 無線接入點 (WAP)
• 視頻監控
• 診斷和預防性維護
• 電子車票

在單獨系統上執行每個應用對每個裝置都需要安裝空間、安裝設備、佈線、電源和安全性。這還意味著維護具有多個架構的多個系統 – 這是IT中最討厭的一類情況，經常需要更換整個裝置以保持系統更新。

利用虛擬化在電腦硬體系統和軟體之間建立一個抽象層，允許欄車系統設計人員在較少的物理系統上整合多個應用負荷。此整合可以節約空間，降低設備、能源和管理 成本。

虛擬化鐵路機車的優勢包括：

• 提高計算資源的利用率（相比各佔用部分容量的多個 系統）
• 一個平台取代多個平台，便於管理並且安全
• 相比始終“整體”更換，升級更簡單經濟
• 能夠將關鍵操作與非敏感應用隔離
• 冗餘實施的複雜性下降，成本降低

為欄車設計整合平台

欄車內的嵌入式系統需要滿足大量具體要求，這些要求遠超普通 IT 基礎設施的能力範圍。例如，機車設備壽命與伺服器房間內的穩定條件明顯不同。鐵路機車嵌入式系統必須承受衝擊、振動和溫度變化，並且適應注重功率和空間的環境。此外，由於欄車複雜安全運輸數百名乘客，系統安全性和可用性更是重中之重。最後，要提供基本服務，這些系統上執行的虛擬化解決方案必須確保其功能和代碼獲得專用計算、記憶體和網路資源，以實現可靠性能。

用於運輸的耐用安全 SBC

MEN Mikro 用於鐵路機車的最新平台 G25A 3U CompactPCI Serial SBC 滿足所有這些要求（圖 2）。SBC 採用耐用設計，並配備 M12 連接器和焊接元件，提高耐衝擊和耐振動能力。可選的保形塗料提供對濕氣、粉塵和化學污染物的額外防護。

更大的工作溫度範圍使 G25A 能夠應對惡劣環境。訂購帶散熱片和導熱冷卻框架的 G25A 可提高高溫條件下的可靠性。

SBC 符合鐵路機車基本環境法規，包括 EN 50155，鐵路應用國際標準。實際上，MEN Mikro 是全球獲得品質管制體系 EN 9100（運輸）和國際鐵路行業標準 (IRIS) 以及 ISO 9001 認證的少數公司之一，全球不到 10 家這樣的公司。與 IRIS 關聯的欄車製造商承諾只使用 IRIS 認證轉包商。

為性能而設計

G25A 滿足性能要求的能力從體積係數開始。3U CompactPCI Serial 旨在成為移動和靜止監控應用行業標準，使用高速串欄點對點連接提供極高頻寬，使其格外適合高速資料通訊應用。單系統插槽和最多八個週邊設備操作組成的典型配置無需交換機或橋接，體積係數降低複雜性和成本。和原始 CompactPCI 規範一樣，CompactPCI Serial 支援熱插拔，實現快速元件更換。

在主機殼內，G25A 提供 PCI Express 鏈路、SATA/SAS、USB 和 Ethernet 介面，以及用於普通系統管理的信號（圖 3，第 52 頁）。每個附帶插槽可以支援額外 Ethernet 介面，打造無需外部交換機的全網格互連。所有介面可同時存取。對於極為繁重的計算任務，設計人員可以在單個系統中群集最多四個 G25A。

完美適合多種應用

作為欄車電腦主機殼內的 SBC，G25A 可以可靠地執行使命關鍵型任務、機械系統監測、視頻監控任務、乘客資訊娛樂需求，以及車輛、路邊設備和控制中心之間的資料和語音傳輸。高計算密度、32 GB DDR4 DRAM 容量、豐富的 I/O 以及基於處理器的 Intel® Virtualization Technology (Intel® VT-x) 使 SBC 成為整合大量鐵路機車系統功能的理想平台（圖 4）。

可以輕鬆實現典型網路連接存儲 (NAS) 系統、RAID 設定或 Internet 存取系統。設計人員可以在一個機架內組合多個系統的功能 – 每個塊由一個 G25A 控制。

例如，設計人員可以將乘客娛樂伺服器、PIS、電子車票應用和門控制系統組合在一個 G25A 上。在另一個 G25A 上，可以組合網路視頻錄影機系統和 Internet 存取系統，執行車輛對地通訊和診斷資料傳輸。主機殼的其他插槽允許新增週邊設備卡，用於新增存儲、介面和交換機。

可用性、安全性與可靠性

為提高系統可用性，設計人員可以使用虛擬機器監視器 (VMM) 透過 Ethernet 線纜控制兩個 G25A。根據需要，整個系統可以作為冗餘系統或者單個系統執行，提供雙重容量。

G25A 透過基於處理器的解決方案並加入用於加密的 Trusted Platform Module (TPM) 解決安全性。改錯碼 (ECC) 記憶體、基板管理控制器 (BMC) 和監視狗計時器提高 SBC 可靠性。

實現虛擬化和高速資料傳輸的處理器系欄

欄車系統集成商可以訂購帶有 Intel® Xeon® 處理器 D-1577（16 核）或 D-1539（8 核）的 G25A。核越多，系統整合工作負荷的潛力越大。

兩種處理器都透過 Intel® VT-x 提供內建硬體虛擬化，實現動態配置服務（處理器核、記憶體和 I/O），實現隔離工作負荷和同時操作即時與非即時應用。Intel VT-x 為虛擬化軟體提供硬體協助，減小軟體體積和複雜性，實現更加經濟、高效、安全和強大的虛擬化解決方案。

Intel VT-x 包含支援 Intel® 處理器平台虛擬化的技術組件，允許在獨立分區中執行不同作業系統和應用。每個分區就像虛擬機器 (VM) 一樣，在分區之間提供隔離和保護。這種基於硬體的虛擬化加上適當的虛擬化軟體，實現真正的工作負荷 隔離。

和許多 Intel® Xeon® 處理器一樣，Intel Xeon D 處理器產品系欄包含 Intel® Virtualization Technology for Directed I/O (Intel® VT-d)。但不是在晶片組中，而是採用內建形式。

Intel VT-d 說明 VMM 更好地利用硬體，改善應用程式相容性和可靠性，提供更高可管理性、安全性、隔離和 I/O 性能。透過 Intel VT-d 硬體協助，VMM 可以直接將設備分配給特定 VM，確保高速資料傳輸和可用性 （圖 5）。硬體加速器支援 I/O 設備的安全分配，減少處理器負荷並加速資料移動。

Intel VT-d 控制並向軟體報告錯誤直接記憶體存取 (DMA)，提高系統可靠性。透過支援軟體控制下的多個保護域，並提供生成受信任 I/O 功能的基礎，增強安全性。

用於受限環境的強大處理器

Intel Xeon 處理器 D-1500 產品系欄將 Intel Xeon 處理器的性能和先進智慧融入一個密集、功率高效的系統晶片 (SoC) 中 – 參見圖 6。Intel Xeon 處理器 D-1539 和 D-1577 以業內領先的 14 nm 工藝技術為基礎，提供集成平台控制器中樞 (PCH)、兩個集成 10 Gigabit Intel® Ethernet 埠以及分別 20 W 和 45 W 的熱設計功率 (TDP)。處理器可以執行和更強大的 Intel Xeon 處理器相同的指令集，提供從資料中心到移動欄車的軟體一致性。

這些 SoC 具有出眾的節點性能，高達 24 MB 的最後一級緩存 (LLC) 以及高速 DDR4 記憶體支援。包含的 Intel® Turbo Boost Technology 2.0 顯著提高處理器頻率，在需要時提供額外突發速度，對需求較少的任務提高能源效率。此外，Intel® Hyper-Threading Technology (Intel® HT Technology) 支援每個物理核兩個處理執行緒，為配備 Intel Xeon 處理器 D-1577 的 G25A 帶來同時執行最多 32 個執行緒的能力。

除了這些功能，Intel Xeon 處理器 D-1500 產品系欄還具有先進的伺服器級功能，如：

• 更高的可靠性、可用性和可服務性 (RAS) 功能，支援 ECC 記憶體和平台級錯誤管理與彈性
• Intel® QuickData 技術，用於將記憶體存取轉移到 SoC，實現低處理器開銷的快速資料移動
• Intel® Platform Storage Extensions，支援更智慧更經濟的存儲解決方案，加速資料移動、保護資料並簡化資料管理
• Intel® Trusted Execution Technology (Intel® TXT)，強化安全性同時減少性能影響
• Intel® Advanced Encryption Standard New Instructions (Intel® AES-NI)，加速資料加密和解密

用於移動虛擬化的 SBC

MEN Mikro G25A 將耐用設計、3U CompactPCI Serial 體積係數和多達 16 核的 Intel® Xeon® 處理器 D 結合，為鐵路機車的系統整合提供吸引人的解決方案。面對欄車中多個嵌入式系統複雜性增加以及高速資料傳輸需求，此類解決方案為設計人員提供一個可靠的平台，為運輸公司帶來急需的設備、能源和系統管理節約。

有關 MEN G25A 3U CompactPCI Serial Board 的資訊，請存取 intel.com/SD-men-G25A。

有關打造智慧互連運輸解決方案的更多資訊， 請存取 intel.com/embedded-transportation。

MEN Mikro Elektronik GmbH (intel.com/MR-menmikro) 是 Intel® 物聯網解決方案聯盟分支成員。MEN 自 1982 年起一直關注創新、可靠性和靈活性，開發並生產具有最高技術水準的標準和自訂計算解決方案。MEN Mikro Elektronik 的電腦解決方案用於交通（鐵路、公路、空運和海運）和工業（自動化、電力、能源和醫療）市場中的惡劣使命關鍵型和安全關鍵型環境。公司透過 ISO 9001、ISO 14001（環境）、EN 9100（航太）和 IRIS（鐵路）品質管制體系認證，按照 ISO 7637-2（鐵路運輸） 要求提供系統。