VME總線原理及應用

VME（VersaModule Eurocard）總線是一種通用的計算機總線，結合了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。它定義了一個在緊密耦合（closely coupled）硬件構架中可進行互連數(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，在軍事應用中可以使用傳導冷卻模塊。

VME結構

因為是兩種標準的結合，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架，它定義了系統(tǒng)的運轉流程。

1 VME的機械結構

VME機械構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的功能結構

如圖1所示，VME的功能構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)行具體任務的電路集合。其中，主要的模塊叫做主設備（master），其決定著數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞?；根?jù)主設備數(shù)據(jù)傳輸情況而動作的模塊叫做從設備（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[!--empirenews.page--]

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。主設備、從設備、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)先權算法、round-robin算法和其他排序算法。優(yōu)先權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、錯誤檢測等任務的總線。它由兩條時鐘線、一個系統(tǒng)復位線、一個系統(tǒng)失效線、一個AC失效線和一個串行數(shù)據(jù)線構成。

各模塊是以平行結構分布的，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技術目前的優(yōu)勢在于多年的技術積累，其完備的規(guī)范和得力的技術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非常大的優(yōu)勢，因為對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。VME提供了21個擴充插槽，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，很多用戶就對VME在帶寬方面的進展不太滿意。因為在這個海量數(shù)據(jù)的時代，帶寬是一個壓倒性的指標。不過，廠商們并未對VME喪失信心，他們在想盡一切辦法來延長VME的壽命。SBS公司推出的VXS標準和VITA（VME國際貿(mào)易協(xié)會）開發(fā)的VPX標準就是一種新的嘗試。VXS為引用交換結構創(chuàng)造了條件，而VPX則將開關結構信號速率提升到了6.25Gb/s。與此同時，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。對于這種非常有彈性的技術，悄然的衰落可能不會是多數(shù)人所愿意看到的。