簡述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算機總線，結(jié)合了Motorola公司Versa總線的電氣標準和在歐洲建立的Eurocard標準的機械形狀因子，是一種開放式架構(gòu)。它定義了一個在緊密耦合（closelycoupled）硬件構(gòu)架中可進行互連數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和連接外圍控制器件的系統(tǒng)。經(jīng)過多年的改造升級，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、交通運輸和醫(yī)療等領(lǐng)域。

　　VME的特點

　　VME的數(shù)據(jù)傳輸機制是異步的，有多個總線周期，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，因此只受制于信號交換協(xié)議，而不依賴于系統(tǒng)時鐘；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個插卡插槽和多個背板，在軍事應(yīng)用中可以使用傳導(dǎo)冷卻模塊。

　　VME結(jié)構(gòu)

　　因為是兩種標準的結(jié)合，那么VME系統(tǒng)也可以被看作是兩個部分。一個部分是它的機械構(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小；而令一部分則是功能構(gòu)架，它定義了系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)流程。

　　1 VME的機械結(jié)構(gòu)

　　VME機械構(gòu)架中的主要部分為背板，是一個印刷電路板。它的大小有三種型號：3U（160mm ×100mm）、6U（160mm × 233mm）和9U（367 mm× 400mm）。根據(jù)VME64x標準，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個管腳，排列成三排，每排32管腳；P0/J0連接器則有95個管腳。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)架可以說是由信號線，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，比如信號線阻抗、傳播時間、終端數(shù)值等等。它和信號線是系統(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)捻樞颍桓鶕?jù)主設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸情況而動作的模塊叫做從設(shè)備（slave），負責監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸目標地址的模塊被稱為定位監(jiān)控設(shè)備。此外，還有發(fā)出中斷請求和處理中斷請求的模塊，判定和處理其他模塊請求的仲裁模塊。當然，還少不了發(fā)出時鐘信號的模塊和監(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。主設(shè)備、從設(shè)備、中斷模塊和中斷處理模塊通過其進行兩兩交換數(shù)據(jù)。另外兩個模塊，總線時鐘（bus timer）和JACK 菊花鏈驅(qū)動器也通過數(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間內(nèi)只有一個模塊占用數(shù)據(jù)傳輸總線而設(shè)定的。工作在其上的請求模塊和仲裁模塊將負載協(xié)調(diào)各模塊發(fā)出的指令。仲裁模塊處于背板的第一個插槽內(nèi)，決定哪個主設(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求的總線。各種中斷請求在VME中被分成了7個等級，根據(jù)等級的高低，它們依次對信號線進行中斷工作。

　　最后一個總線是通用總線。所謂通用總線就是負責系統(tǒng)的一些基本工作，包括對時鐘的控制、初始化、錯誤檢測等任務(wù)的總線。它由兩條時鐘線、一個系統(tǒng)復(fù)位線、一個系統(tǒng)失效線、一個AC失效線和一個串行數(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)和指令通過系統(tǒng)底層的4類總線進行傳輸，信號的模式是TTL電平信號。

　　VME總線家族

　　● VME64

　　隨著周邊技術(shù)的發(fā)展，VME系統(tǒng)的升級在所難免。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，傳輸帶寬達到了80Mb/s,增加了總線鎖定周期，增加了第一插槽探測功能，加入了對熱插拔的支持。

　　● VME64 extension

　　VME64擴展集是1997通過的新標準，它又被稱為VME64x.它增加了一個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P0/J0 連接器，另外新增設(shè)了一個3.3V電源管腳。該系統(tǒng)新增的兩個邊緣總線循環(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最大的改進可能是采用了星型互連的方法來達到數(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VME320并沒有得到廣泛的支持。

　　其他從VME中派生出來的協(xié)議還很多，在這里就不一一介紹了。

　　VME的發(fā)展趨勢

　　VME總線是一項有著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)。但是在美國加州舉辦的2005年總線與板卡大會上，供應(yīng)商對此不以為然，因為他們推出了可以提升帶寬的新技術(shù)，旨在使這種總線技術(shù)的服役期限再延長十年。在此次大會上展出的新板卡、機架和交換機主要面向軍事、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總線有可能準備進入新的應(yīng)用領(lǐng)域，如雷達、圖象處理和寬帶通信等，這些領(lǐng)域以前只采用與之競爭的數(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，"每當你認為它就要淘汰時，供應(yīng)商總會推出一些新東西。"的確，VME供應(yīng)商目前已經(jīng)實現(xiàn)了互連功能，使該技術(shù)在保持其基礎(chǔ)架構(gòu)的同時可以訪問交換串行結(jié)構(gòu)。在此次年會上，SBS技術(shù)公司展出了一種基于VMEbus交換串行標準（VXS）的單板計算機，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VXS的嵌入式處理卡；Mercury計算機系統(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，因為如此之多的現(xiàn)有VME系統(tǒng)工作在艦船、潛艇、軍用飛機和防衛(wèi)設(shè)備中。通過維持與所謂"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市場。"軍工界不隨潮流而走，"Venture公司的Gulliksen說，"它們需要成熟、經(jīng)過驗證且可靠的技術(shù)。"

　　事實上，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VME的忠心，畢竟VME在帶寬方面的進步太慢了，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，甚至延長到另一個十年。VME國際行業(yè)組織在其發(fā)布的VITA41標準中描述了VXS,它可將VME帶入Gbps范疇，很可能高達30Gbps.當然，這與通信行業(yè)AdvancedTCA規(guī)范描述的Tbps級結(jié)構(gòu)互連相比還有很大的差距，但無論如何，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不可錯過的提議。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，同時能通過背板上的一個新"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，"客戶仍可以保持原有的老設(shè)計，同時一些全新的技術(shù)對他們而言也唾手可得。"坦白地說，業(yè)內(nèi)分析師并沒有把VME的新技術(shù)看作是打開財富之門的敲門磚。事實上，Venture公司預(yù)測，商用VME單板計算機和CPU刀片式服務(wù)器的發(fā)貨量占整個市場的比重將從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)期會在今后幾年內(nèi)保持穩(wěn)定增長。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)測有很大不同。"我們好像一直在聽著VME將永遠消失的哀歌，"Bustronic公司行銷總監(jiān)JustinMoll評論道，"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年大會上展示了VXS背板和機架。隨著VME陣營的壯大，這種復(fù)興還吸引了那些已經(jīng)投向PICMG陣營的供應(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，準備把類似的管理解決方案映射到VME陣營的高性能新系統(tǒng)上。