Аппаратное обеспечение

VMEbus (или VME) – стандарт на компьютерную шину, первоначально разработанный для семейства микропроцессоров Motorola 68000 и в дальнейшем нашедший применение для множества других приложений. Шина VME была стандартизирована IEC как ANSI/IEEE 1014 – 1987 (отечественный аналог – ГОСТ Р МЭК 821-2000). Физически в VME используется конструктив Евромеханика. Впервые разработанная в 1981 году, шина VME находит широкое применение вплоть до сегодняшнего дня.

В 1979 году компания Motorola разрабатывала свой новый микропроцессор 68000, и один из её инженеров, Jack Kister, поднял вопрос о создании стандартизированной шины для систем, использующих 68000, которую он назвал VERSAbus. C тех пор спецификация стандарта прошла несколько ревизий, и в 1987 году была принята действующая по настоящее время спецификация VMEbus Rev.C1, которая является международным стандартом МЭК 821. В США этот стандарт имеет название ANSI/IEEE 1014-1987.

Характеристики шины:

· разрядность шины – 32/64;

· адрес/данные – раздельные (VME32), мультиплексируемые (VME64);

· тип шины – асинхроная;

· конструктив – Евромеханика 3U, 6U, 9U;

· максимальное количество модулей в крейте – 21 штука;

· пропускная способность в 32–разрядном варианте – 40 Мбайт/с (VME32), 80 Мбайт/с (VME64);

В режиме блочных передач скорость может достигать 320 Мбайт/с (VME64).

Описание шины. Во многом шина VMEbus представляет собой внешние интерфейсы процессора 68000, доработанные для соединения нескольких печатных плат. Логически устройства шины VME делятся на три типа:

· ведущий – инициирует циклы на шине;

· ведомый – осуществляет операции по команде ведущего;

· арбитр – осуществляет контроль за занятостью шины.

Для управления шиной используется набор из девяти линий, известный как arbitration bus. Всю передачу информации по шине контролирует арбитр шины, расположенный на плате, установленной в слот номер 1 шасси, такая плата называется arbiter module. В общем случае для передачи информации по шине каждая плата должна запросить доступ к шине, установив одну из линий bus request in на arbitration bus в активное состояние (лог. 0) для того, чтобы арбитр мог определить её номер слота. Когда арбитр освобождает шину, он сканирует линии bus request in и проверяет, находятся какие–либо из них в активном состоянии. Если это так, то арбитр устанавливает линию bus busy в активное состояния, указывая таким образом всем устройствам на шине, что шина занята и разрешает доступ к шине одному устройству путём установки линии bus grant out в активное состояние.

После этого устройство получает доступ к шине и чтобы записать данные, устройство выставляет адрес и данные на шину, устанавливает в активное состояние линии address strobe и две линии data strobe, для указания того, что данные готовы, а также устанавливает линию write в активное состояние. Для указания разрядности данных, пересылаемых в данном цикле, используется две линии data strobe, с помощью которых кодируется размер данных: 8, 16 или 32 бита (или 64 для VME64). Ведомое устройство, прочитавшее адрес с шины и опознавшее его как свой, читает данные и устанавливает линию data transfer acknowledge по завершении (в случае ошибки устанавливается линия bus error). Чтение данных происходит аналогичным образом, но ведущее устройство устанавливает на шине только адрес и устанавливает линию read в активное состояние. Другое устройство устанавливает на шине данные и data strobe в активное состояние. Подобный способ обмена называется асинхронным, означая то, что на шине не существует сигнала общей синхронизации (который есть на синхронных шинах, таких, как PCI).

Шина VME имеет семь линий запроса на прерывание. При приходе запроса на прерывание по одной из этих линий арбитр шины записывает уровень прерывания на шину адреса, чтобы указать, какое прерывание надо обработать.

При выборе аппаратного обеспечения СРВ основополагающими моментами являются жесткие требования к временным характеристикам и гибкости системы. Большинство проектов реального времени осуществляется в рамках архитектурных решений магистрально-модульных систем (ММС).

Новый аппаратный стандарт CompactPCI. В начале 1995 года по инициативе компании Ziatech была сформирована рабочая группа из представителей компаний Ziatech, DEC, AMP, Prolog, GESPAC, IBM, Texas Microsystems и некоторых других, целью которой стало изучение возможности использования PCI в качестве системной широковещательной шины, действительно пригодной для создания широкого класса надежных промышленных и военных встраиваемых приложений. Основополагающие принципы разработки:

· использование стандартных PCI-полупроводниковых компонентов;

· использование стандартного промышленного евроконструктива 3U (100´160 мм)/6U (233´160 мм) как наиболее популярного в мире встраиваемого формфактора;

· поддержка не менее 6 слотов расширения;

· обеспечение эффективного конвекционного охлаждения, а в перспективе и кондукционного;

· обеспечение возможности использования ключевых мезонинных технологий гибкого ввода/вывода: IndustryPack и PMC;

· обеспечение максимально простой интеграции со стандартными промышленными шинами типа VMEbus;

· обеспечение возможности "горячей замены" модулей ввода/вывода;

· создание открытого стандарта, поддержанного группой независимых компаний-производителей совместимых компонентов.

Благодаря принципу кооперации и открытости в разработке стандарта VMEbus приняли участие члены Международной ассоциации VITA (VMIC, IBM, DEC, Force, AMP и др.). 1 ноября 1995 года была представлена Спецификация версии 1.0 нового стандарта, получившего название "CompactPCI":

· CompactPCI полностью совместим со спецификацией PCI v2.хх;

· CompactPCI использует любые широкодоступные PCI-полупроводниковые компоненты от большого числа независимых производителей. Любое программное обеспечение, работающее на desktop PCI-компьютерах без модернизации, будет функционировать и в CompactPCI-системе, и готовая PCI-плата ввода/вывода для настольной машины может быть прямо переведена в стандарт CompactPCI без изменения схемотехники и программного обеспечения;

· CompactPCI основан на общепринятой технологии создания встраиваемых систем: пассивной объединительной магистрали;

· CompactPCI использует механический формат для промышленных магистрально-модульных систем: Европлаты формата 3U (100х160 мм) и 6U (233х160 мм), аналогичные формату промышленных шин VME, G64/96, STD32 и др;

· CompactPCI обеспечивает возможность организации ввода/вывода через переднюю панель и через дополнительные задние разъемы, поле для которых имеется на стороне системного соединителя сверху. Стандарту присуща возможность функционировать в условиях повышенных требований к вибро- и термостойкости за счет конструкции и компоновки плат, вентилируемых и поддающихся замене;

· CompactPCI процессорно и программно независим. С использованием шины PCI сегодня строятся вычислительные устройства на базе процессоров PowerPC, Alpha, Pentium, Pentium Pro, MPC860, MC68360, MC68040/60, DSP;

· может быть использована любая ОС как общего назначения MS DOS, Windows 3.xx/95/NT, Unix, так и реального времени OS9, VxWorks, pSOS+, LynxOS, QNX. CompactPCI обеспечивает работу по технологии Plug-and-Play;

· CompactPCI представляет собой открытую технологию. Спецификация стандарта является общедоступной, курируется и распространяется независимой ассоциативной организацией производителей и пользователей PICMG.

· CompactPCI, разработанный Siemens для собственных телекоммуникационных приложений, системный разъем CompactPCI выпускается несколькими компаниями и стандартизован как МЭК 1076-4-101. Он высоконадежен, компактен, обеспечивает малые величины емкостей между контактами для работы быстрой шины, обладает повышенным иммунитетом к шумам, допускает большое число вставок/удалений модулей, имеет защиты от ошибочного включения. CompactPCI использует 235-штырьковый пятирядный разъем (47 контактов в ряду с шагом 2 мм). Из них 124 используются для PCI 32-bit, 55 для PCI 64-bit, остальные для дальнейшего расширения и питания. Качество выбранного системного разъема определило создание системы с удвоенным, по сравнению с desktop-вариантом, количеством слотов расширения;

· CompactPCI обеспечивает большие возможности расширения, чем это предусмотрено в базовой PCI-спецификации v2.0, которая предусматривает максимум 4 слота расширения без использования дополнительных мостовых соединений. CompactPCI v1.0 предусматривает возможность установки максимум 8 слотов расширения без специальных мостовых кристаллов PCI-PCI. С использованием мостовых схем PCI-PCI количество слотов расширения может быть увеличено;

· CompactPCI имеет потенциальные возможности для "горячей замены" модулей в работающей системе;

· CompactPCI обеспечивает интеграцию с традиционными системами на базе VME, G96, STD.

Номенклатура CompactPCI. Стандарт CompactPCI включает.

Процессорные модули. Имеющиеся на рынке host-процессоры CompactPCI форматов 3U и 6U построены на базе PowerPC, Pentium и Pentium Pro. Они интегрируют CPU, DRAM, FLASH, SVGA, последовательные и параллельные порты, контроллеры дисков, клавиатуры и т. д., одним словом, являются одноплатными компьютерами.

Контроллер CompactPCI полностью совместим со спецификацией PREP/CHRP для PowerPC и позволяет использовать широкий спектр программного обеспечения на этой платформе, начиная от широкого класса ОС РВ и заканчивая NT и AIX. Контроллеры на базе Pentium, Pentium Pro обеспечивают работу всего спектра программного обеспечения, функционирующего на платформе IBM PC/AT.

Процессоры полностью повторяют PCI-архитектуру настольных компьютеров, но в жестком промышленном формате. Типовыми отличительными признаками с точки зрения архитектуры могут являться повышенные объемы Eprom&Flash, отсутствие дисковых контроллеров и графического интерфейса, поскольку во встраиваемых приложениях они нужны не всегда.

Ввод/вывод. Коммерческий успех стандарта определяется его возможностью обеспечения функций ввода/вывода для максимально широкого круга конечных приложений.

В 1996 году компания Green Spring Computers – лидер в области разработки и производства гибких мезонинных технологий ввода/вывода IndustryPack – выпустила свою знаменитую плату-носитель PCI-40 в формате 6U CompactPCI, названную сPCI-200, и в формате 3U под названием cPCI-100. Эта работа была выполнена по заявке и в кооперации с двумя крупнейшими фирмами, Force и ProLog, поддерживающими CompactPCI. К ним вскоре присоединилась и Zialtech. Выпуск носителей cPCI-200/100 означает, что OEM-компаниям и системным интеграторам открыт доступ к огромной номенклатуре объектного ввода/вывода от большого числа базовых поставщиков. А это практически любой ввод/вывод: аналоговый, цифровой, графический, телекоммуникационный NxRS232/422/485, промышленные (Profibus, LonWorks, CANbus), локальные (FastEthernet, Arcnet), глобальные (ISDN E1/T1, SS7, X25) сети, авиационные интерфейсы типа MIL1553B/ARINC/H009, управление двигателями/приводами, реле, таймеры, аудиоDSP, синтезаторы речи и т. д.

В то же время компания Creative Electronic System (CES, Швейцария) выпустила первый универсальный модуль-носитель двух PMC-мезонинов (стандартные низкопрофильные промышленные мезонины на основе шины PCI). Для ОЕМ- и системных интеграторов открылся доступ к широкой, чрезвычайно гибко компонуемой номенклатуре PMC/IEEE1386/ - мезонинных модулей для наплатных, высокопроизводительных расширений: сети FastEthernet, AnyLAN, ATM, FDDI, RMN, быстрый аналоговый и цифровой ввод/вывод, DSP+аналоговый ввод/вывод, графические процессоры, авиационные сети, SCI-интерфейс, телекоммуникационные NxRS232/422/485 интерфейсы, ISDN E1/T1 и т. д. Кроме функций ввода/вывода такие носители имеют порт для сопряжения с VME64-оборудованием.

Благодаря продуманной концепции стандарта, современные мезонинные технологии гибкого ввода/вывода были адаптированы очень быстро. С помощью мезонинных технологий IP и PMC можно перекрыть очень большой спектр конечных приложений.

Кроме этого Force, вторая в мире по объему продаж после Motorola компания-производитель COTS/ROTS VME-модульных компонентов, главный участник международных консорциумов PICMG и VITA, выпустила базовую платформу Pentura VMES-8700 для телекоммуникационных и иных высокопроизводительных приложений. Она представляет собой гибридную VME64+CompactPCI встраиваемую платформу, которая, соединяя в себе лучшие промышленные технологии, обеспечивает работу максимально широкого спектра аппаратного (VME, CompactPCI, PMC, IP) и программного обеспечения.

Такая ситуация создалась в силу объективных причин, среди которых лучшие характеристики VMEbus для встраиваемых приложений реального времени, меньшие габариты и более низкие цены на готовые системы. Для встраиваемых приложений важна эффективная работа VME-процессоров с большим числом источников прерываний от модулей объектного ввода/вывода с регистровой архитектурой на фоне масштабируемого мощного трафика самой шины. M-II по своему характеру - шина передачи сообщений, и осуществлять массивные однократные пересылки, свойственные большинству приложений реального времени, в M-II оказалось просто дороже. M-II продолжают использовать в телекоммуникациях, где его свойства проявляются лучшим образом.

Стандарт FUTUREbus+ обеспечивает скоростные характеристики до 3,2 Гбайт/с, чрезвычайно эффективные механизмы обработки прерываний и организации многопроцессорной работы, использующий самую современную электронную низковольтовую технологию шинных драйверов, и т. д. Но коммерчески стандарт не получил широкого распространения, несмотря на поддержку ABB Automation, Force, HP, Philips, AT&T, ITT, Intel, Data General, Motorola, Sun, DEC. Главный виновник – все та же VMEbus.

Скорость. В 1996 году на международной конференции по встраиваемым приложениям реального времени в Санта-Кларе была продемонстрирована система VME64, которая на 21-слотной магистрали показала скорость 320 Мбайт/с, при блочной "2-е" (синхронная передача по двум фронтам) передаче 64-битных слов с использованием стандартных TTL(F)-драйверов. Такт работы шины составлял 30 МГц. Дополнительная стоимость пассивных компонентов для магистрали, позволяющих осуществлять такие передачи, не превышает 20 дол. Система полностью совместима с VMEbus-оборудованием предыдущего поколения. В 3U-формате это аналогично скорости в 160 Мбайт/с. Комитет VSO/ANSI считает, что это не предельная тактовая частота работы – современные разработки VMEbus не уступают и даже превосходят скорости работы CompactPCI.

Многопроцессорность. VME и CompactPCI используют схему централизованного арбитража для обеспечения работы многопроцессорных конфигураций. Благодаря гибкости логики арбитража и большего число линий запросов шины от задатчиков VMEbus в многопроцессорных приложениях – CompactPCI для VMEbus слабый конкурент.

Количество слотов расширения. VME – 21 слот без применения мостовых соединений. CompactPCI – 8 слотов. При схожих скоростях работы с регистровым объектным вводом/выводом.

Стоимость. Стоимости аналогичных по производительности и функциональности SBC в VME и CompactPCI одноплатных компьютеров очень близки, особенно варианты ROTS/MOTS. Высокопроизводительные SBC в этих стандартах имеют одну и ту же внутреннюю PCI-схемотехнику. Они различаются по стоимости микросхемы моста PCI-VME – т. е. на 100-200 дол. Платы-носители мезонинного ввода/вывода – основной элемент организации ввода/вывода широкого назначения – для VME 6U стоят 510 дол., а для CompactPCI 6U - 1095. Евромеханические элементы систем, построенные на базе обоих стандартов, имеют в среднем аналогичные цены.

Plug-and-Play. Новейшие процессоры VME64 поддерживают Plug-and-Play автоконфигурирование.

Hot Swapping. Компоненты поддержки режима горячей замены модулей для VME разработаны и коммерчески доступны на базе подстандарта LiveInsertions-переходников. Такой возможности в CompactPCI пока нет. Свои лучшие свойства, по отношению к VMEbus, CompactPCI проявляет в высокопроизводительных однопроцессорных конфигурациях с "небольшим" или "средним" количеством каналов ввода/вывода, которые поддерживают блочные протоколы обмена. Это встраиваемые сетевые/коммуникационные приложения, мультимедиа/HMI и т. п. Понятия "небольшое" и "среднее" количество каналов ввода/вывода определяется количеством доступных слотов расширения. Cегодня число двоичных каналов ввода/вывода на европлате формата 6U достигает 250.

Деньги. Специалисты экспертной группы корпорации VDC/США считают, что рыночными лидерами в шинных архитектурах для встраиваемых приложений средней и высокой производительности будут PCI, CompactPCI и VME64 на фоне падения сбыта ISA и M-II.

Окружение. При сопоставлении VME и CompactPCI как разрешающих технологий следует учитывать, что сегодня никто не рассматривает достоинства или недостатки той или иной технологии в отрыве от сопутствующих ей "родственных" стандартов. Развитость инфраструктуры VME вместе с ее расширениями типа VSB, VXI, RAСEway, Autobahn, VICbus и т. д. делает VME очень конкурентоспособной в военной сфере, телекоммуникациях и промышленности.