简述VME总线原理及应用

　　诞生于25年前的VME（VersaModuleEurocard）总线是一种通用的计算机总线，结合了Motorola公司Versa总线的电气标准和在欧洲建立的Eurocard标准的机械形状因子，是一种开放式架构。它定义了一个在紧密耦合（closelycoupled）硬件构架中可进行互连数据处理、数据存储和连接外围控制器件的系统。经过多年的改造升级，VME系统已经发展的非常完善，围绕其开发的产品遍及了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域。

　　VME的特点

　　VME的数据传输机制是异步的，有多个总线周期，地址宽度是16、24、32、40或64位，数据线路的宽度是8、16、24、32、64位，系统可以动态的选择它们。它的数据传输方式为异步方式，因此只受制于信号交换协议，而不依赖于系统时钟；其数据传输速率为0~500Mb/s;此外，还有Unaligned Data传输能力，误差纠正能力和自我诊断能力，用户可以定义I/O端口；其配有21个插卡插槽和多个背板，在军事应用中可以使用传导冷却模块。

　　VME结构

　　因为是两种标准的结合，那么VME系统也可以被看作是两个部分。一个部分是它的机械构架，此部分决定着VMEbus 系统背板、前置面板和嵌入板的尺寸大小；而令一部分则是功能构架，它定义了系统的运转流程。

　　1 VME的机械结构

　　VME机械构架中的主要部分为背板，是一个印刷电路板。它的大小有三种型号：3U（160mm ×100mm）、6U（160mm × 233mm）和9U（367 mm× 400mm）。根据VME64x标准，VME系统中有三种连接器，它们分别是P0/J0、P1/J1和 P2/J2,"P"和"J"分别代表了PLUG和JACK连接器。P1/J1和P2/J2连接器有96个管脚，排列成三排，每排32管脚；P0/J0连接器则有95个管脚。3U型背板只具有P1/J1或P2/J2连接器，而6U型背板则同时具有J1和J2连接器。

　　2 VME的功能结构

　　如图1所示，VME的功能构架可以说是由信号线，背板接口逻辑和功能模块所组成的。背板接口逻辑的性能是由背板上的一些特性所左右的，比如信号线阻抗、传播时间、终端数值等等。它和信号线是系统各部分之间的纽带。功能模块则是执行具体任务的电路集合。其中，主要的模块叫做主设备（master），其决定着数据传输的顺序；根据主设备数据传输情况而动作的模块叫做从设备（slave），负责监控数据传输目标地址的模块被称为定位监控设备。此外，还有发出中断请求和处理中断请求的模块，判定和处理其他模块请求的仲裁模块。当然，还少不了发出时钟信号的模块和监控系统电源工作情况的模块。

图1 VME功能架构

　　这些模块虽然各有分工，但是要想集体配合，还需要总线的支持。VME系统的总线分为四大类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线和通用总线。

　　数据传输总线是一个高速异步平行数据传输总线，能传输数据和地址信号。主设备、从设备、中断模块和中断处理模块通过其进行两两交换数据。另外两个模块，总线时钟（bus timer）和JACK 菊花链驱动器也通过数据传输总线参与数据处理工作。

　　数据传输仲裁总线是为确保在特定的时间内只有一个模块占用数据传输总线而设定的。工作在其上的请求模块和仲裁模块将负载协调各模块发出的指令。仲裁模块处于背板的第一个插槽内，决定哪个主设备将优先使用总线资源。具体的判定方法包括了优先权算法、round-robin算法和其他排序算法。优先权中断总线是处理各模块中断请求的总线。各种中断请求在VME中被分成了7个等级，根据等级的高低，它们依次对信号线进行中断工作。

　　最后一个总线是通用总线。所谓通用总线就是负责系统的一些基本工作，包括对时钟的控制、初始化、错误检测等任务的总线。它由两条时钟线、一个系统复位线、一个系统失效线、一个AC失效线和一个串行数据线构成。

　　各模块是以平行结构分布的，所有的数据和指令通过系统底层的4类总线进行传输，信号的模式是TTL电平信号。

　　VME总线家族

　　● VME64

　　随着周边技术的发展，VME系统的升级在所难免。于是在1995年，VME总线的新一代架构VME64脱颖而出。相对于传统的VME系统，VME64加大了传输带宽，拓展了地址空间和方便了板卡插拔。它将6U板的数据线宽和地址范围扩展到了64位，给3U板提供了32位和40位地址模块，传输带宽达到了80Mb/s,增加了总线锁定周期，增加了第一插槽探测功能，加入了对热插拔的支持。

　　● VME64 extension

　　VME64扩展集是1997通过的新标准，它又被称为VME64x.它增加了一个160管脚连接器系列（按5行排列），还在P1/J1和P2/J2之间加入了一个P0/J0 连接器，另外新增设了一个3.3V电源管脚。该系统新增的两个边缘总线循环则把数据速率提高到160 Mb/s.此外，还增加了EMC前置面板和ESD功能。

　　● VME320

　　VME320最大的改进可能是采用了星型互连的方法来达到数据传输加速的目的。它采用了一种叫做2eSST的协议，这是一种信源同步传输协议，可将理论数据速率提高到320 Mb/s.不过VME320并没有得到广泛的支持。

　　其他从VME中派生出来的协议还很多，在这里就不一一介绍了。

　　VME的发展趋势

　　VME总线是一项有着25年历史的技术，几年前曾经有人预言它的使用寿命已经屈指可数。但是在美国加州举办的2005年总线与板卡大会上，供应商对此不以为然，因为他们推出了可以提升带宽的新技术，旨在使这种总线技术的服役期限再延长十年。在此次大会上展出的新板卡、机架和交换机主要面向军事、航天和工业应用，这表明该技术的复兴与其成为可商业化供应的硬件有关。出席大会的数十家供应商发布了构建在"结构互连"规范之上的产品，预示VME总线有可能准备进入新的应用领域，如雷达、图象处理和宽带通信等，这些领域以前只采用与之竞争的数据总线。

　　"VME再次证明它是最有弹性的技术之一，"VentureDevelopment公司嵌入式硬件事业部总监J.EricGulliksen说，"每当你认为它就要淘汰时，供应商总会推出一些新东西。"的确，VME供应商目前已经实现了互连功能，使该技术在保持其基础架构的同时可以访问交换串行结构。在此次年会上，SBS技术公司展出了一种基于VMEbus交换串行标准（VXS）的单板计算机，VXS为引用交换结构创造了条件。与SBS类似，VMetro公司宣布推出一种针对VXS的嵌入式处理卡；Mercury计算机系统公司制定了VXS产品路线图；CarloGavazziMupac公司推出了新的VXS背板；摩托罗拉的嵌入式通信计算选择PCIExpress作为VXS的串行结构。此外，Pentek公司、Bustronic公司和Curtiss-Wright控制公司也发布了未来的VME技术。

　　这些供应商表示他们一直信守创建VME产品的承诺，因为如此之多的现有VME系统工作在舰船、潜艇、军用飞机和防卫设备中。通过维持与所谓"遗留"架构的联系，供应商相信他们可以使更多客户回归这个市场。"军工界不随潮流而走，"Venture公司的Gulliksen说，"它们需要成熟、经过验证且可靠的技术。"

　　事实上，就在不久前，即使VME总线最热心的支持者也开始怀疑他们是否要保持对VME的忠心，毕竟VME在带宽方面的进步太慢了，只是从40Mbps、80Mbps再发展到320Mbps而已。然而，借助VXS,业内分析师和供应商都相信该技术所提供的带宽足以使它至少存活到2010年，甚至延长到另一个十年。VME国际行业组织在其发布的VITA41标准中描述了VXS,它可将VME带入Gbps范畴，很可能高达30Gbps.当然，这与通信行业AdvancedTCA规范描述的Tbps级结构互连相比还有很大的差距，但无论如何，它使VME的性能得到巨大提升，以致于VME技术的许多现有用户将它看成是一个不可错过的提议。一些供应商表示，关键是VXS采用了现有VME的并行总线架构，所以传统的应用可以维持其现有配置，同时能通过背板上的一个新"P0"连接器增加交换结构。

　　VXS背板制造商Pentek公司副总裁RodgerHosking说，"客户仍可以保持原有的老设计，同时一些全新的技术对他们而言也唾手可得。"坦白地说，业内分析师并没有把VME的新技术看作是打开财富之门的敲门砖。事实上，Venture公司预测，商用VME单板计算机和CPU刀片式服务器的发货量占整个市场的比重将从2003年的33.1%下降到2005年的27.9%.Venture公司的分析师强调，这种衰退将主要集中在商业供货的产品方面，而集成在设备中的VME板卡预期会在今后几年内保持稳定增长。此外，供应商指出，这种缓慢的衰退与五年前悲观的死亡预测有很大不同。"我们好像一直在听着VME将永远消失的哀歌，"Bustronic公司行销总监JustinMoll评论道，"但VXS总能找到自己的位置，尤其是在军事和航天领域。"Bustronic公司在2005年大会上展示了VXS背板和机架。随着VME阵营的壮大，这种复兴还吸引了那些已经投向PICMG阵营的供应商。例如，PigeonPoint系统公司是一家AdvancedTCA产品管理子系统的供应商，但它已经和VITA组织谈判，准备把类似的管理解决方案映射到VME阵营的高性能新系统上。