Prinzip und Anwendung des VME-Busses
Der VME-Bus (VersaModule Eurocard) ist ein universeller Computerbus, der den elektrischen Standard des Versa-Busses von Motorola mit dem mechanischen Formfaktor des in Europa etablierten Eurocard-Standards kombiniert und eine offene Architektur aufweist. Es definiert ein System zur Verbindung von Datenverarbeitung, Datenspeicherung und Anschluss peripherer Steuergeräte in einer eng gekoppelten Hardwarearchitektur. Im Laufe der Jahre hat sich das VME-System zu einem gut etablierten System entwickelt, auf dessen Grundlage Produkte für industrielle Steuerungen, militärische Systeme, Luft- und Raumfahrt, Transport und medizinische Anwendungen entwickelt wurden.
Merkmale von VME
Der Datenübertragungsmechanismus von VME ist asynchron, mit mehreren Buszyklen, Adressbreiten von 16, 24, 32, 40 oder 64 Bit und Datenleitungsbreiten von 8, 16, 24, 32 und 64 Bit, und das System kann diese dynamisch auswählen. Seine Datenübertragungsmethode ist asynchron, unterliegt also nur dem Signalaustauschprotokoll und ist nicht von der Systemuhr abhängig; seine Datenübertragungsrate beträgt 0 bis 500 Mbit/s; Darüber hinaus gibt es die Fähigkeit zur unausgerichteten Datenübertragung, Fehlerkorrektur und Selbstdiagnose sowie benutzerdefinierte E/A-Ports. Es ist mit 21 Steckplätzen und mehreren Rückwandplatinen ausgestattet, die in militärischen Anwendungen als Konduktionskühlmodul verwendet werden können.
VME-Architektur
Da es sich um eine Kombination zweier Standards handelt, kann das VME-System auch als zwei Teile betrachtet werden. Ein Teil ist die mechanische Architektur, die die Größe der Backplanes, Frontplatten und eingebetteten Platinen des VMEbus-Systems bestimmt, und der andere Teil ist die funktionale Architektur, die den Systemablauf definiert.
1. Mechanische VME-Architektur
Der Hauptteil der mechanischen VME-Struktur ist die Rückwandplatine, bei der es sich um eine Leiterplatte handelt. Es ist in drei Größen erhältlich: 3U (160 mm × 100 mm), 6U (160 mm × 233 mm) und 9U (367 mm × 400 mm). Gemäß dem VME64x-Standard gibt es im VME-System drei Arten von Anschlüssen: P0/J0, P1/J1 und P2/J2, wobei „P“ und „J“ für PLUG- bzw. JACK-Anschlüsse stehen. Die P1/J1- und P2/J2-Anschlüsse verfügen über 96 Pins, die in drei Reihen zu je 32 Pins angeordnet sind, während der P0/J0-Anschluss über 95 Pins verfügt. . 3U-Backplanes verfügen nur über P1/J1- oder P2/J2-Anschlüsse, während 6U-Backplanes über J1- und J2-Anschlüsse verfügen.
2. Funktionsstruktur von VME
Wie in Abbildung 1 dargestellt, kann die funktionale Architektur des VME so beschrieben werden, dass sie aus Signalleitungen, Backplane-Schnittstellenlogik und Funktionsmodulen besteht. Die Leistung der Backplane-Schnittstellenlogik wird durch eine Reihe von Eigenschaften auf der Backplane bestimmt, wie z. B. die Impedanz der Signalleitung, die Ausbreitungszeit, die Abschlusswerte usw. Es und die Signalleitungen sind die Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen des Systems. Funktionsmodule hingegen sind Sammlungen von Schaltkreisen, die bestimmte Aufgaben ausführen. Unter diesen wird das Hauptmodul als Master bezeichnet und bestimmt die Reihenfolge der Datenübertragung. Die Module, die gemäß der Datenübertragung des Masters agieren, werden als Slaves bezeichnet, und das Modul, das für die Überwachung der Adresse des Datenübertragungsziels verantwortlich ist, wird als Standortüberwachungsgerät bezeichnet. Darüber hinaus gibt es Module, die Interrupt-Anfragen ausgeben und verarbeiten, und Arbitrierungsmodule, die Anfragen von anderen Modulen ermitteln und verarbeiten. Natürlich gibt es auch Module, die Taktsignale ausgeben und Module, die den Betrieb der Stromversorgung des Systems überwachen.
VME-Funktionsarchitektur
Jedes dieser Module hat seine eigene Arbeitsteilung, aber um kollektiv zusammenarbeiten zu können, benötigen sie die Unterstützung von Bussen. Die Busse des VME-Systems sind in vier Hauptkategorien unterteilt: den Datenübertragungsbus, den Datenübertragungs-Arbitrierungsbus, den Prioritäts-Interrupt-Bus und den Allzweckbus.
Der Datenübertragungsbus ist ein asynchroner paralleler Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsbus, der Daten und Adresssignale übertragen kann. Master-Geräte, Slave-Geräte, Interrupt-Module und Interrupt-Handling-Module tauschen darüber Daten paarweise aus. Zwei weitere Module, der Bus-Timer und der JACK-Daisy-Chain-Treiber, sind ebenfalls an der Datenverarbeitung über den Datenübertragungsbus beteiligt.
Der Datenübertragungs-Arbitrierungsbus ist so eingerichtet, dass sichergestellt ist, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein Modul den Datenübertragungsbus belegt. Die daran arbeitenden Anforderungs- und Arbitrierungsmodule laden die von den Modulen ausgegebenen Befehle. Das Arbitrierungsmodul befindet sich im ersten Steckplatz der Rückwandplatine und bestimmt, welches Master-Gerät bei der Nutzung der Busressourcen Vorrang hat. Spezifische Bestimmungsmethoden umfassen einen Prioritätsalgorithmus, einen Round-Robin-Algorithmus und andere Sequenzierungsalgorithmen. Der Prioritäts-Interrupt-Bus ist der Bus, der Interrupt-Anfragen für jedes Modul verarbeitet. Verschiedene Interrupt-Anfragen werden in der VME in sieben Ebenen kategorisiert und dienen je nach Ebene dazu, die Signalleitungen zu unterbrechen.
Der letzte Bus ist der Allzweckbus. Der sogenannte -Allzweckbus- ist der Bus, der für einige der grundlegenden Aufgaben des Systems verantwortlich ist, einschließlich der Steuerung der Uhr, der Initialisierung, der Fehlererkennung und anderer Aufgaben. Es besteht aus zwei Taktleitungen, einer System-Reset-Leitung, einer Systemfehlerleitung, einer AC-Fehlerleitung und einer seriellen Datenleitung.
Die Module sind in einer parallelen Struktur verteilt, und alle Daten und Befehle werden über den zugrunde liegenden Klasse-4-Bus des Systems übertragen, und der Modus der Signale ist die Signalisierung auf TTL-Ebene.
VME-Busfamilie
● VME64
Mit der Entwicklung peripherer Technologien war eine Modernisierung des VME-Systems unumgänglich. 1995 wurde VME64, eine neue Generation der VME-Busarchitektur, auf den Markt gebracht. Im Vergleich zum herkömmlichen VME-System erhöht VME64 die Übertragungsbandbreite, erweitert den Adressraum und erleichtert das Ein- und Ausstecken der Platine. Es erweiterte die Datenleitungsbreite und den Adressbereich auf 64 Bit für 6U-Karten, stellte 32-Bit- und 40-Bit-Adressmodule für 3U-Karten bereit, erhöhte die Übertragungsbandbreite auf 80 Mbit/s, erhöhte den Bus-Sperrzyklus, fügte die Funktion zur Erkennung des ersten Steckplatzes hinzu und fügte Unterstützung für Hot-Plugging hinzu.
● VME64-Erweiterung
Die VME64-Erweiterung ist ein neuer Standard, der 1997 eingeführt wurde und auch als VME64x bekannt ist. Es fügt eine 160-Pin-Steckerfamilie (in 5 Reihen angeordnet), einen P0/J0-Stecker zwischen P1/J1 und P2/J2 sowie einen neuen 3,3-V-Stromanschluss hinzu. Die beiden neuen Edge-Bus-Loops des Systems erhöhen die Datenrate auf 160 Mbit/s. Darüber hinaus wurden eine EMV-Frontplatte und ESD-Funktionen hinzugefügt.
● VME320
Die vielleicht größte Verbesserung des VME320 ist die Verwendung einer Sternverbindung zur Beschleunigung der Datenübertragung. Es verwendet ein Protokoll namens 2eSST, ein quellensynchrones Übertragungsprotokoll, das die theoretische Datenrate auf 320 Mbit/s erhöht. Der VME320 wird jedoch nicht allgemein unterstützt.
Es gibt viele andere von VME abgeleitete Protokolle, die hier nicht beschrieben werden.
Trends in VME
Der aktuelle Vorteil der VME-Technologie liegt in ihrer langjährigen technischen Entwicklung, ihrer vollständigen Spezifikation und ihrem starken technischen Support, um den spezifischen Anforderungen der meisten Kunden gerecht zu werden. Darüber hinaus ist seine Modularität auch ein sehr großer Vorteil, da bei vielen eingebetteten Systemen das Hinzufügen zusätzlicher E/A üblich ist und VME diese Funktion sehr gut erfüllen kann. VME bietet 21 Erweiterungssteckplätze und die neu hinzugefügten Module haben keinen Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems.
Allerdings ist VME eine Technologie, die vor 25 Jahren geboren wurde, und viele Benutzer sind mit den Fortschritten von VME in Bezug auf die Bandbreite nicht zufrieden. Denn in Zeiten großer Datenmengen ist die Bandbreite ein überwältigender Indikator. Allerdings haben die Anbieter das Vertrauen in VME nicht verloren und tun alles, was sie können, um die Lebensdauer von VME zu verlängern. Der von SBS eingeführte VXS-Standard und der von VITA (VME International Trade Association) entwickelte VPX-Standard sind ein neuer Versuch. vXS schafft die Voraussetzungen für Verweise auf Switched Fabrics, während VPX die Switched Fabric-Signalrate auf 6,25 Gbit/s erhöht. Gleichzeitig werden viele VME-Bus-Backplanes zunehmend auf die gleiche Weise verwendet. Viele VMEbus-Backplanes begannen mit der Verwendung von PMC-Steckplätzen (PCI Mezzanine Card), um die direkte Verwendung von PCI-Karten zu ermöglichen. Hersteller nutzten auch die Konstruktionselemente von PCI-Karten, um VME-Karten auf dem neuesten Stand der Branche zu halten.
Die Errungenschaften von VME sind allgemein anerkannt, aber die Hersteller müssen im nächsten Jahrzehnt weiterhin hart daran arbeiten, es zu erneuern. Einen stillen Rückgang dieser sehr widerstandsfähigen Technologie würden sich die meisten wohl nicht wünschen.