簡(jiǎn)述VME總線原理及應(yīng)用

　　誕生于25年前的VME（VersaModuleEurocard）總線是一種通用的計(jì)算機(jī)總線，結(jié)合了Motorola公司Versa總線的電氣標(biāo)準(zhǔn)和在歐洲建立的Eurocard標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械形狀因子，是一種開放式架構(gòu)。它定義了一個(gè)在緊密耦合（closelycoupled）硬件構(gòu)架中可進(jìn)行互連數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和連接外圍控制器件的系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的改造升級(jí)，VME系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的非常完善，圍繞其開發(fā)的產(chǎn)品遍及了工業(yè)控制、軍用系統(tǒng)、航空航天、交通運(yùn)輸和醫(yī)療等領(lǐng)域。

　　VME的特點(diǎn)

　　VME的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制是異步的，有多個(gè)總線周期，地址寬度是16、24、32、40或64位，數(shù)據(jù)線路的寬度是8、16、24、32、64位，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)的選擇它們。它的數(shù)據(jù)傳輸方式為異步方式，因此只受制于信號(hào)交換協(xié)議，而不依賴于系統(tǒng)時(shí)鐘；其數(shù)據(jù)傳輸速率為0~500Mb/s;此外，還有Unaligned Data傳輸能力，誤差糾正能力和自我診斷能力，用戶可以定義I/O端口；其配有21個(gè)插卡插槽和多個(gè)背板，在軍事應(yīng)用中可以使用傳導(dǎo)冷卻模塊。

　　VME結(jié)構(gòu)

　　因?yàn)槭莾煞N標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合，那么VME系統(tǒng)也可以被看作是兩個(gè)部分。一個(gè)部分是它的機(jī)械構(gòu)架，此部分決定著VMEbus 系統(tǒng)背板、前置面板和嵌入板的尺寸大?。欢钜徊糠謩t是功能構(gòu)架，它定義了系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)流程。

　　1 VME的機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　VME機(jī)械構(gòu)架中的主要部分為背板，是一個(gè)印刷電路板。它的大小有三種型號(hào)：3U（160mm ×100mm）、6U（160mm × 233mm）和9U（367 mm× 400mm）。根據(jù)VME64x標(biāo)準(zhǔn)，VME系統(tǒng)中有三種連接器，它們分別是P0/J0、P1/J1和 P2/J2,"P"和"J"分別代表了PLUG和JACK連接器。P1/J1和P2/J2連接器有96個(gè)管腳，排列成三排，每排32管腳；P0/J0連接器則有95個(gè)管腳。3U型背板只具有P1/J1或P2/J2連接器，而6U型背板則同時(shí)具有J1和J2連接器。

　　2 VME的功能結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，VME的功能構(gòu)架可以說(shuō)是由信號(hào)線，背板接口邏輯和功能模塊所組成的。背板接口邏輯的性能是由背板上的一些特性所左右的，比如信號(hào)線阻抗、傳播時(shí)間、終端數(shù)值等等。它和信號(hào)線是系統(tǒng)各部分之間的紐帶。功能模塊則是執(zhí)行具體任務(wù)的電路集合。其中，主要的模塊叫做主設(shè)備（master），其決定著數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞?；根?jù)主設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸情況而動(dòng)作的模塊叫做從設(shè)備（slave），負(fù)責(zé)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸目標(biāo)地址的模塊被稱為定位監(jiān)控設(shè)備。此外，還有發(fā)出中斷請(qǐng)求和處理中斷請(qǐng)求的模塊，判定和處理其他模塊請(qǐng)求的仲裁模塊。當(dāng)然，還少不了發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)的模塊和監(jiān)控系統(tǒng)電源工作情況的模塊。

圖1 VME功能架構(gòu)

　　這些模塊雖然各有分工，但是要想集體配合，還需要總線的支持。VME系統(tǒng)的總線分為四大類：數(shù)據(jù)傳輸總線、數(shù)據(jù)傳輸仲裁總線、優(yōu)先中斷總線和通用總線。

　　數(shù)據(jù)傳輸總線是一個(gè)高速異步平行數(shù)據(jù)傳輸總線，能傳輸數(shù)據(jù)和地址信號(hào)。主設(shè)備、從設(shè)備、中斷模塊和中斷處理模塊通過(guò)其進(jìn)行兩兩交換數(shù)據(jù)。另外兩個(gè)模塊，總線時(shí)鐘（bus timer）和JACK 菊花鏈驅(qū)動(dòng)器也通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸總線參與數(shù)據(jù)處理工作。

　　數(shù)據(jù)傳輸仲裁總線是為確保在特定的時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)模塊占用數(shù)據(jù)傳輸總線而設(shè)定的。工作在其上的請(qǐng)求模塊和仲裁模塊將負(fù)載協(xié)調(diào)各模塊發(fā)出的指令。仲裁模塊處于背板的第一個(gè)插槽內(nèi)，決定哪個(gè)主設(shè)備將優(yōu)先使用總線資源。具體的判定方法包括了優(yōu)先權(quán)算法、round-robin算法和其他排序算法。優(yōu)先權(quán)中斷總線是處理各模塊中斷請(qǐng)求的總線。各種中斷請(qǐng)求在VME中被分成了7個(gè)等級(jí)，根據(jù)等級(jí)的高低，它們依次對(duì)信號(hào)線進(jìn)行中斷工作。

　　最后一個(gè)總線是通用總線。所謂通用總線就是負(fù)責(zé)系統(tǒng)的一些基本工作，包括對(duì)時(shí)鐘的控制、初始化、錯(cuò)誤檢測(cè)等任務(wù)的總線。它由兩條時(shí)鐘線、一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位線、一個(gè)系統(tǒng)失效線、一個(gè)AC失效線和一個(gè)串行數(shù)據(jù)線構(gòu)成。

　　各模塊是以平行結(jié)構(gòu)分布的，所有的數(shù)據(jù)和指令通過(guò)系統(tǒng)底層的4類總線進(jìn)行傳輸，信號(hào)的模式是TTL電平信號(hào)。

　　VME總線家族

　　● VME64

　　隨著周邊技術(shù)的發(fā)展，VME系統(tǒng)的升級(jí)在所難免。于是在1995年，VME總線的新一代架構(gòu)VME64脫穎而出。相對(duì)于傳統(tǒng)的VME系統(tǒng)，VME64加大了傳輸帶寬，拓展了地址空間和方便了板卡插拔。它將6U板的數(shù)據(jù)線寬和地址范圍擴(kuò)展到了64位，給3U板提供了32位和40位地址模塊，傳輸帶寬達(dá)到了80Mb/s,增加了總線鎖定周期，增加了第一插槽探測(cè)功能，加入了對(duì)熱插拔的支持。

　　● VME64 extension

　　VME64擴(kuò)展集是1997通過(guò)的新標(biāo)準(zhǔn)，它又被稱為VME64x.它增加了一個(gè)160管腳連接器系列（按5行排列），還在P1/J1和P2/J2之間加入了一個(gè)P0/J0 連接器，另外新增設(shè)了一個(gè)3.3V電源管腳。該系統(tǒng)新增的兩個(gè)邊緣總線循環(huán)則把數(shù)據(jù)速率提高到160 Mb/s.此外，還增加了EMC前置面板和ESD功能。

　　● VME320

　　VME320最大的改進(jìn)可能是采用了星型互連的方法來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸加速的目的。它采用了一種叫做2eSST的協(xié)議，這是一種信源同步傳輸協(xié)議，可將理論數(shù)據(jù)速率提高到320 Mb/s.不過(guò)VME320并沒(méi)有得到廣泛的支持。

　　其他從VME中派生出來(lái)的協(xié)議還很多，在這里就不一一介紹了。

　　VME的發(fā)展趨勢(shì)

　　VME總線是一項(xiàng)有著25年歷史的技術(shù)，幾年前曾經(jīng)有人預(yù)言它的使用壽命已經(jīng)屈指可數(shù)。但是在美國(guó)加州舉辦的2005年總線與板卡大會(huì)上，供應(yīng)商對(duì)此不以為然，因?yàn)樗麄兺瞥隽丝梢蕴嵘龓挼男录夹g(shù)，旨在使這種總線技術(shù)的服役期限再延長(zhǎng)十年。在此次大會(huì)上展出的新板卡、機(jī)架和交換機(jī)主要面向軍事、航天和工業(yè)應(yīng)用，這表明該技術(shù)的復(fù)興與其成為可商業(yè)化供應(yīng)的硬件有關(guān)。出席大會(huì)的數(shù)十家供應(yīng)商發(fā)布了構(gòu)建在"結(jié)構(gòu)互連"規(guī)范之上的產(chǎn)品，預(yù)示VME總線有可能準(zhǔn)備進(jìn)入新的應(yīng)用領(lǐng)域，如雷達(dá)、圖象處理和寬帶通信等，這些領(lǐng)域以前只采用與之競(jìng)爭(zhēng)的數(shù)據(jù)總線。

　　"VME再次證明它是最有彈性的技術(shù)之一，"VentureDevelopment公司嵌入式硬件事業(yè)部總監(jiān)J.EricGulliksen說(shuō)，"每當(dāng)你認(rèn)為它就要淘汰時(shí)，供應(yīng)商總會(huì)推出一些新東西。"的確，VME供應(yīng)商目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互連功能，使該技術(shù)在保持其基礎(chǔ)架構(gòu)的同時(shí)可以訪問(wèn)交換串行結(jié)構(gòu)。在此次年會(huì)上，SBS技術(shù)公司展出了一種基于VMEbus交換串行標(biāo)準(zhǔn)（VXS）的單板計(jì)算機(jī)，VXS為引用交換結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。與SBS類似，VMetro公司宣布推出一種針對(duì)VXS的嵌入式處理卡；Mercury計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司制定了VXS產(chǎn)品路線圖；CarloGavazziMupac公司推出了新的VXS背板；摩托羅拉的嵌入式通信計(jì)算選擇PCIExpress作為VXS的串行結(jié)構(gòu)。此外，Pentek公司、Bustronic公司和Curtiss-Wright控制公司也發(fā)布了未來(lái)的VME技術(shù)。

　　這些供應(yīng)商表示他們一直信守創(chuàng)建VME產(chǎn)品的承諾，因?yàn)槿绱酥嗟默F(xiàn)有VME系統(tǒng)工作在艦船、潛艇、軍用飛機(jī)和防衛(wèi)設(shè)備中。通過(guò)維持與所謂"遺留"架構(gòu)的聯(lián)系，供應(yīng)商相信他們可以使更多客戶回歸這個(gè)市場(chǎng)。"軍工界不隨潮流而走，"Venture公司的Gulliksen說(shuō)，"它們需要成熟、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且可靠的技術(shù)。"

　　事實(shí)上，就在不久前，即使VME總線最熱心的支持者也開始懷疑他們是否要保持對(duì)VME的忠心，畢竟VME在帶寬方面的進(jìn)步太慢了，只是從40Mbps、80Mbps再發(fā)展到320Mbps而已。然而，借助VXS,業(yè)內(nèi)分析師和供應(yīng)商都相信該技術(shù)所提供的帶寬足以使它至少存活到2010年，甚至延長(zhǎng)到另一個(gè)十年。VME國(guó)際行業(yè)組織在其發(fā)布的VITA41標(biāo)準(zhǔn)中描述了VXS,它可將VME帶入Gbps范疇，很可能高達(dá)30Gbps.當(dāng)然，這與通信行業(yè)AdvancedTCA規(guī)范描述的Tbps級(jí)結(jié)構(gòu)互連相比還有很大的差距，但無(wú)論如何，它使VME的性能得到巨大提升，以致于VME技術(shù)的許多現(xiàn)有用戶將它看成是一個(gè)不可錯(cuò)過(guò)的提議。一些供應(yīng)商表示，關(guān)鍵是VXS采用了現(xiàn)有VME的并行總線架構(gòu)，所以傳統(tǒng)的應(yīng)用可以維持其現(xiàn)有配置，同時(shí)能通過(guò)背板上的一個(gè)新"P0"連接器增加交換結(jié)構(gòu)。

　　VXS背板制造商Pentek公司副總裁RodgerHosking說(shuō)，"客戶仍可以保持原有的老設(shè)計(jì)，同時(shí)一些全新的技術(shù)對(duì)他們而言也唾手可得。"坦白地說(shuō)，業(yè)內(nèi)分析師并沒(méi)有把VME的新技術(shù)看作是打開財(cái)富之門的敲門磚。事實(shí)上，Venture公司預(yù)測(cè)，商用VME單板計(jì)算機(jī)和CPU刀片式服務(wù)器的發(fā)貨量占整個(gè)市場(chǎng)的比重將從2003年的33.1%下降到2005年的27.9%.Venture公司的分析師強(qiáng)調(diào)，這種衰退將主要集中在商業(yè)供貨的產(chǎn)品方面，而集成在設(shè)備中的VME板卡預(yù)期會(huì)在今后幾年內(nèi)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。此外，供應(yīng)商指出，這種緩慢的衰退與五年前悲觀的死亡預(yù)測(cè)有很大不同。"我們好像一直在聽著VME將永遠(yuǎn)消失的哀歌，"Bustronic公司行銷總監(jiān)JustinMoll評(píng)論道，"但VXS總能找到自己的位置，尤其是在軍事和航天領(lǐng)域。"Bustronic公司在2005年大會(huì)上展示了VXS背板和機(jī)架。隨著VME陣營(yíng)的壯大，這種復(fù)興還吸引了那些已經(jīng)投向PICMG陣營(yíng)的供應(yīng)商。例如，PigeonPoint系統(tǒng)公司是一家AdvancedTCA產(chǎn)品管理子系統(tǒng)的供應(yīng)商，但它已經(jīng)和VITA組織談判，準(zhǔn)備把類似的管理解決方案映射到VME陣營(yíng)的高性能新系統(tǒng)上。