VME總線原理、特點(diǎn)、功能結(jié)構(gòu)及發(fā)展分析

VME總線原理及應(yīng)用

VME（VersaModule Eurocard）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（closely coupled）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??；而令一部分則是功能構(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(shì)

VME技術(shù)目前的優(yōu)勢(shì)在于多年的技術(shù)積累，其完備的規(guī)范和得力的技術(shù)支持能滿足大部分客戶的具體要求。此外，它的模塊性也是一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閷?duì)于很多的嵌入式系統(tǒng)來說，加入額外的I/O是常有的事，而VME能很好的滿足這一特點(diǎn)。VME提供了21個(gè)擴(kuò)充插槽，而且新加入的模塊并不影響系統(tǒng)的整體性能。

不過，VME畢竟是誕生于25年前的技術(shù)，很多用戶就對(duì)VME在帶寬方面的進(jìn)展不太滿意。因?yàn)樵谶@個(gè)海量數(shù)據(jù)的時(shí)代，帶寬是一個(gè)壓倒性的指標(biāo)。不過，廠商們并未對(duì)VME喪失信心，他們?cè)谙氡M一切辦法來延長VME的壽命。SBS公司推出的VXS標(biāo)準(zhǔn)和VITA（VME國際貿(mào)易協(xié)會(huì)）開發(fā)的VPX標(biāo)準(zhǔn)就是一種新的嘗試。VXS為引用交換結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件，而VPX則將開關(guān)結(jié)構(gòu)信號(hào)速率提升到了6.25Gb/s。與此同時(shí)，許多VME總線背板開始使用PMC（PCI Mezzanine Card）插槽，以便能直接使用PCI板卡。制造商們還吸取了PCI板卡的構(gòu)造因素，來讓VME板卡跟上行業(yè)的步伐。

VME的成就是眾所公認(rèn)的，但要想在未來的10年重新煥發(fā)活力，制造商們還要繼續(xù)的努力。對(duì)于這種非常有彈性的技術(shù)，悄然的衰落可能不會(huì)是多數(shù)人所愿意看到的。

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