各类新型嵌入式结构在高性能应用中相互竞争，值得敬重的 VMEbus 供应商则用结构化策略描绘着保持生存和未来发展的蓝图。

要点
    ·VMEbus 设计人员受困于有限数据速率并行总线和既有的兼容性，他们回避高性能应用。
    ·一系列性能升级使 VME 并行总线的数据速率从 1981 年最初的 40 Mbps提高到今天的 320 Mbps。
   · VME 进入了第三个十年，其串行开关式结构技术有望拓展自己在未来嵌入式系统设计的作用。
   · 业界采用单独一种结构化技术和保持既有兼容性的失败，可能降低了VME 对未来设计人员的吸引力。

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　　大约四分之一世纪以来，VMEbus（VERSAmodule Eurocard 总线）虽然已经成为嵌入式系统行业的主力，但它一直要与更新、更快的电路板标准竞争。VME 背负着并行总线的包袱，承诺保持 20 年技术的兼容性，因而VME 在军用、工业计算、航空航天以及医疗设计等要求长寿命的系统中找到了使用价值。为了更新自己的形象，发掘市场潜能，电路板制造商最近提出了一系列基础 VMEbus 规格的扩展，增加了新的连接器以及不同种类的高速串行数据通道。
　　VMEbus于上世纪 80 年代初推出，它采用 3U、6U 或 9U 的印制电路板，有一个连接背板的插脚插座连接器接口，可以承受苛刻的工业应用环境。VMEbus 的开发者将摩托罗拉公司的 VERSAbus 电气标准与 Eurocard 机械形状系数结合起来，建立了这一总线标准。虽然自那以后，VERSAbus 渐渐退出历史舞台，但 VME 却成为设计者的宠儿，因为它独立于处理器，有可靠的机械形状系数作基础，并且是一个非专有的标准。最初的标准（现在称作 IEEE 1014）定义了一个主从结构，采用一种变速的信号传输协议，可实现电路板间 40 MB/s的异步数据传输速度。一块 VME 背板可以容纳多达 21 块可以有多个主计算机电路板的卡槽。很多符合这一最早规范的 VME 板现在仍在使用中。

 图 1，VXS Quixilica Neptune 将 FPGA 技术与 2G Sps的 ADC 结合起来，用于高性能应用。
　　尽管升级是不可避免的，但VME制造商认为要保持与既有硬件的兼容性，以保护用户投资。VME经过了数次升级，提高了共享总线的数据传输速率，但每一次升级后仍然允许老产品用自己的速度进行通信。ANSI（美国国家标准委员会）和VITA（VMEbus 国际贸易协会）在1996年批准 VME64为ANSI/VITA 1.1，它将通道宽度加倍到64位，从而将数据速率提升至 80Mbps。下一个数据速率翻倍至160 Mbps时，传输协议从四沿信号传输减少为双沿信号传输。而ANSI/VITA 1.5的2eSST（双沿源同步传输）互连能在 VMEbus上以 320 Mbps速率传输数据。虽然这些升级版均与早期的硬件兼容，但此时数据传输只能按最低的设备传输速率进行。
　　在许多应用中，期望的数据速率会超出任何共享总线系统的极限。对这些高速应用（如医疗成像和其它信号处理系统），设计人员转而采用其它辅助的通信技术，即绕开共享总线，直接在子系统之间传输数据。VME 曾有过采用第三方附件的历史，采用点对点的连接及外接跨接开关在有带宽限制的 VMEbus 上传送高速信息（参考文献 1）。这些点对点的通信机制允许同时有多个传输通道，因而使基本带宽倍增。这些早期的高速通信信道就是今天开关式结构互连的前身。

　　结构化特性
　　开关式结构的主要优势在于每个连接都是一个点对点的直接数据通道，因此避免了并行总线结构的复合连接。大多数开关式结构规格都要求用 LVDS（低压差分信令）获得结点间的最大带宽。串行连接的另一个明显好处是减小了连接器的尺寸，因为它需要的信号线较少。一个典型的开关结构可以使用多级宽带宽开关，在源与目标之间实现路由处理。一个高级的开关式结构系统还可以使数据路由通过有缺陷的路径或结点，从而提高系统的有效性。
　　嵌入式系统设计人员正越来越流行使用开关式结构技术，但是，现在又出现了一个新的宠儿和市场领导者。CompactPCI 和 ATCA（先进电信计算架构）都是当前的电路板级标准，它们并没有引出数据传输的专用结构技术，而是为多种结构（如以太网、InfiniBand、StarFabric、PCI Express 和 RapidIO 等）定义了背板详细规格。为了满足业界不同观点的要求，VMEbus 规格也将允许多种结构化技术，从而带来了互操作问题的风险。
　　VXS（VITA 41 开关式串行扩展）在

VMEbus 上追加了结构技术，并保留了各产品间的兼容性。VXS 规格定义了一种有效载荷卡(payload card)、一种交换卡，以及一种新型宽带宽 P0 背板连接器。同时它也保留了标准的 P1 和 P2 并行VMEbus连接器。每个 P0 结构的端口包括两组四联串行位通道，一组用于输入数据和另一组用于输出数据。规定的 P0 连接器技术支持每个串行通道高达 10 Gbps 的数据速率。有效载荷卡除增加了新的 VXS 结构接口外，完全就是标准的 VMEbus 处理器、内存或 I/O 板。在没有 P1 和 P2 连接器情况下，交换卡与有效载荷板的外形尺寸完全一样，可包含多至 10 个全双工的串行连接器，加上一个电源连接器。交换卡包括有效载荷卡之间串行数据路由所需的开关结构。为保持结构的不可知性，VITA 41 子规格为 InfiniBand、串行 RapidIO、千兆以太网和 PCI Express 都定义了交换卡与有效载荷卡。SBS 技术公司的业务开发主管 David French 表示：“VXS 发展了 VMEbus 基础结构，培育了 VMEbus 市场。它提供了一条低风险，且与 VME 生命周期优势保持一致的渐进式产品发展道路。”
　　VXS 需要一种特殊的结构兼容背板，它要支持 2~20 个有效载荷卡和一个以上的交换卡。满刻度带宽的背板每侧可以插9块有效载荷卡，而两块交换卡占用两个中心插槽，总共是21 块电路板。在有两块交换卡情况下，每块有效载荷卡可以通过两条冗余路径连接到任何其它的有效载荷卡上。很多容错与高可用性应用都需要这种双重冗余功能。Hybricon公司 提供一系列VXS背板，它有两个交换卡槽和多至18个有效载荷卡槽。该公司的背板采用20层、低噪声带状线设计，外侧层有一个机箱接地的EMI屏蔽，每两个槽做有增加刚性的构件。Hybricon公司以320 Mbps的速度对每块板的并行 VMEbus 部分进行测试，这是 VITA 1.5 2eSST 标准的要求。该公司还为 VITA 41.1 VXS InfiniBand 协议层标准和 VITA 41.2 VXS 串行 RapidIO 协议层标准提供 21 槽背板。另外也可以为客户定制少于 21 槽结构的背板。

 图2，SBS技术公司的IB4X-V41-AC24端口Infiniband交换卡可通过标准的VME背板实现开关式串行互联的路由
　　

       相关产品
　　Tek Microsystems公司 和 QinetiQ 公司近来推出了 Quixilica Neptune，这是一个 VXS 标准的产品，它将 FPGA 技术与用于信号智能、雷达和电子对抗设备的双通道、2GS/s ADC 相结合（图 1）。Neptune 产品的核心是一片 Xilinx Virtex-II Pro XC2VP70 FPGA，为卡上 ADC、存储器和 I/O 资源提供相互间的接口。QinetiQ 的实时嵌入系统集团经理 Bill Smith 表示：“开发人员可以在 Neptune 上的大型用户可编程 FPGA 上实现自己的前端信号处理算法，从而减少后续处理时向板外传输的数据量。”Tek Microsystems 公司现在可提供 Quixilica Neptune VXS-1，最低价格为 3.1万美元。
　　SBS 技术公司的 IB4X-V41-AC 是一块 VITA 41 形状系数的 24 端口 4× InfiniBand 交换卡（图 2）。该交换卡在标准 VME 背板上提供高速开关式串行互连，面向军用、COTS（商用成品）、医疗成像和电信市场的嵌入式系统。IB4X-V41 有 18 个有效载荷连接，四个开关之间的连接，以及两个前面板连接器，设计者可以用媒体转换器将其转换为光纤。开关的核心是一片 Mellanox Infiniscale III 集成开关半导体器件，它提供 480 Gbps 带宽。风冷的 IB4X-V41-AC 带有两个前面板 InfiniBand 连接器，一个 10BastT/100BaseTx 以太网端口，以及一个 RS-232 端口。可完全管理的交换卡支持热插拔功能。IB4X-V41-AC VXS InfiniBand 交换卡现可供货，价格为 7500 美元。
　　Vmetro公司 提供 Phoenix VPF1，这是支持 VITA-41/VXS 标准的 VME 系统四重信号处理卡。VPF1 支持双 PowerPC 处理器和双 Virtex-II Pro FPGA，另外还有两个 4× 高速串行链接，实现VITA 41 VXS 标准结构的连

接（图 3）。Vmetro公司的 副总裁 Andy Stevens 说：“VXS 为高性能、低延迟的板至板通信提供了一种标准的方法。对于那些需要效率和可升级多处理能力、但又不愿意受专有系统束缚的设计者来说，它是很完美的方法。”Vmetro公司还宣布了 TransComm，这是在 VXS 基础上用于处理器之间通信的软件库，可以简化高性能多处理器应用中的编程重担。TransComm 包括实现优先数据移动和任务间消息传送的例程，这些任务可以置于任何处理器、电路板，或通过 VXS 开关式结构连接的一组电路板上。

 图 3，Vmetro 公司的 VPF1 四重信号处理卡提供两个 PowerPC 处理器和 FPGA，以及用于 VXS 连接的高速串行链接。

　　要求更多管脚
　　VME 以及 VXS 的一个主要的局限性是与背板连接的信号管脚数量。许多系统设计人员都觉得在一块 6U VMEbus 卡上，P0、P1 和 P2 连接器的 335 个信号管脚不能满足现代的高性能嵌入式系统项目的要求。迫在眉睫的 VITA 46 升级标准用 Tyco/FCI MultigigRT 的7行连接器代替了 VMEbus 连接器，它可以为所有板间通信提供高速串行结构（图 4）。这种模块式连接器含有一系列用于高达 6.25 GHz 单端或差分线对以及电源的可互换的晶圆片。这些晶圆片有自己的 ESD 地层和触点层，防止操作期间受意外放电影响。这种连接器提供 48 个单端信号和 192 个差分线对。尽管其尺寸与电气性能与标准 VMEbus 模块兼容，但 VITA 46 却为保证最高性能而牺牲了向后兼容性。一些精明的背板设计人员提议采用混合式 VITA 46 配置，它可以使不同代的电路板共存于同一个机箱内。与 VXS 标准类似，VITA 46 在子规格中定义了专门的结构配置。
　　虽然 VITA 46 硬件已经面世，但 VMEbus 厂家还是提出了一些产品计划，以验证结构化系统的有效性。例如，Curtiss-Wright 控制嵌入计算公司的 SVMX/DVMX-185 单板机是该公司 VITA 46 系列产品中的第一个成员。这个单板机将采用 Freescale 的 8641 PowerPC 处理器以及集成的宽带宽、低延迟的 ASI（先进开关互连），从而能以结构化数据速率与其他单板机和 I/O 卡交换数据。SVMX/DVMX-185 还支持一种桥接机制，支持与基于 RapidIO 的多计算集群的集成。SVMX/DVMX-185 将主控两个 XMC（开关式夹层卡）模块，支持 PCI Express 至 XMC 的连接，以及从 XMC 至背板的高速 I/O。此外，SVMX/DVMX-185的有 ESD 保护的连接器系统，具有可选的顶盖和底盖，这样用户就能够在空中飞行环境中安全地操作设备，在这种环境下，标准的 ESD预防措施是不起作用的。

 图4，迫在眉睫的 VITA 46 升级代替了3个 VMEbus 连接器，并为所有板间通信提供高速串行结构。
　　VMEbus 标准在长期系统有效性和战略性技术更新两方面进行平衡，生存时间已超过 20 年。作为一个标准，它注定是要被废弃的，聪明的设计人员已经对其进行了修改，扩展了带宽，并且保持与 VMEbus 硬件的兼容性。VITA公司的执行总裁 Ray Alerman 称：“VME 市场与电信业这样的商用电路板市场不同，它的目标市场是需要增加智能的应用场合。例如，航空航天、国防、制造业以及医疗业等领域都需要 VME 为其提供这样的应用价值。”
　　虽然最新一轮的标准升级（VITA 41 和 46）使 VMEbus 嵌入式系统设计人员进入了开关式结构技术的宽带宽王国，但新的问题又出现了。由于市场无法实现采用一种结构标准，迫使设计人员要自己作出知识性猜测，并且要面对不同标准厂家之间的互操作问题。在把新一代硬件融合到老设计中时，新的 VITA 46 连接器的排列也将会让设计人员很头痛。