第5章-VXI总线技术.doc
《第5章-VXI总线技术.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章-VXI总线技术.doc（89页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
第5章VXI总线技术
5.1概述
VXI总线（VXIbus）是VMEbuseXtensionsforInstrumentation的缩写，即“VME总线在仪器领域的扩展”的简称。
VME总线（VersaModuleEurocardBus）是在工业控制和生产管理中被广泛应用的一种性能优良的计算机总线标准。
制定VXI总线标准的目的是：
在VME总线基础上，充分考虑模块式仪器在同步、触发、电磁兼容和电源等方面的特殊要求，定义一个对所有厂家开放的、并与当前工业标准兼容的模块化仪器标准。
VME总线是20世纪70年代末摩托罗拉公司为其32位的68000微处理器而开发的总线标准，并于1979年出版了该总线的简写本，1981年7月定版为Versabus。
但由于Versabus板卡的尺寸太大，因此负责总线开发的工作小组选择了性能更优、已在欧洲使用多年的欧式Eurocard作为其板卡的机械标准。
1981年10月，摩托罗拉公司与Signetics公司达成协议，将Versabus的电气规范和Eurocard的机械结构结合起来，推出了一种新的计算机底板总线，并将这种总线重新命名为VME总线，版本为RevisionA。
1982年推出了VMEbus标准的RevisionB版本，1985年4月颁布了RevisionC.1VME总线规范的修订版，1986年VMEbus成为IEC标准（IEC821），1987年3月VME总线被IEEE定为IEEE1014-1987标准。
由此，VME总线逐渐成为国际上通用的一种工业微机总线标准。
VME总线是一种开放式的系统总线，具有背板总线通信速率高等特点，因此一些厂商开始尝试将VME总线用于模块化仪器系统的设计。
但是，由于VME总线仅是针对微型计算机系统及数字系统而设计，将VME总线用于模拟量的精确测量时，噪声过大，不能满足模块化仪器同步、触发，电磁兼容及电源等方面的一些特殊要求，且其通信编程只能采用低级的寄存器读/写方式，难以做到软件的标准化。
为此，许多用户针对模块化仪器系统规范提出了更高的要求。
另一方面，GPIB总线是VXI总线之前较为流行的仪表总线，GPIB总线允许使用不同厂商的仪器和计算机组建完整的自动测试系统，采用消息形式的数据传递，用户不必过多担心在两台设备之间数据或信息的传输问题。
但GPIB总线与VME总线相比，其数据传输速率仅能达到1MB/s，而且一般很难达到这一指标。
因此，在仪器之间需要大量数据传输的场合，GPIB总线的应用受到了限制。
由于美国军方对电子测试设备小型化及标准化的需求，几个主要的测试设备制造商在制定插件式仪器（IAC）系统的标准时，决定独立建立一种对测试界都通用的IAC标准，该商业活动的结果形成了VXI总线的联合体，计划在当时性能较完善的VME总线的基础上，结合GPIB总线及其他一些国际标准，制定适用于开放式仪器系统的总线标准。
1987年7月，VXI总线联盟颁布了通用模块化仪器结构标准总线规范，即VXI总线的技术规范的初稿。
几经修改，1988年6月公布了VXI总线规范的修订版Rev1.2，1989年7月14日，又颁布了VXI总线规范的修订版Rev1.3。
1992年9月，VXI总线技术规范被IEEE批准为IEEE1155-1992标准。
VXI总线仪器以其优越的测试速度、可靠性、抗干扰能力和良好的人机交互性能，成为最好的虚拟仪器开发平台。
VXI总线自动测试系统已被广泛用于军事、航空航天、气象工业产品测试等领域。
我国对VXI总线技术的研究起步较晚，但发展速度较快，在我国科技人员的努力下，已先后研制开发了VXI总线的主机箱，VXI总线B尺寸、C尺寸系列模块及VXI总线嵌入式计算机等。
VXI总线具有以下特点：
（1）测试系统小型化不论是国防、航空航天还是民用生产领域对测试仪器和测试系统的小型化、便携性等方面都提出了越来越高的要求。
VXI总线采用了模块化设计，对模块及主机箱的尺寸都做了严格规定，模块与背板总线用指定的连接器连接，组建的测试系统体积小，重量轻，结构紧凑，易于携带。
与传统的GPIB仪器系统相比，VXI总线测试系统的体积缩小了3/4。
（2）高速数据传输VXI总线是一种32位并行传输总线，总线背板的数据传输速率理论上可以达到40MB/s，一般不会有数据传输的瓶颈。
VXI总线具有多级优先权中断处理功能，使具有不同优先级的器件可以高效地利用数据总线。
（3）为高性能仪器的开发提供有利支持VXI总线在VME计算机总线的基础上增加了适合仪器应用的信号连接线，包括在P2连接器上增加的10MHz时钟线、模块识别线、2条ECL触发线、8条TTL触发线、12条本地总线、模拟相加总线、5种稳压电源信号线等，在P3连接器上增加的100MHz时钟线、同步信号线、星型触发线、4条ECL触发线、24条本地总线和7种稳压电源线。
一个VXI仪器系统最多可连接256个器件。
这些都为高速度、高精度仪器系统的实现提供了强大的支持。
（4）系统组建灵活VXI总线规范制定了3种尺寸规格的机箱（B、C、D），4种尺寸的模块（A、B、C、D），支持8位、16位、24位和32位数据传输，使自动测试系统的配置十分灵活。
因为其总线标准的开放性，目前已有几百家各类仪器制造厂商加入了VXI总线联盟，推出了上万种基于VXI总线的仪器。
同时，各厂商所生产的VXI总线产品都符合相同的机械与电气规范，不同厂商的同类产品能够相互替换。
（5）高可靠性和可维护性VXI总线继承了VME总线板卡的一些优越性能，包括机械特性和电磁兼容特性，而且很多仪器功能已软化，减少了模块的按钮、开关、显示等部分，从而使系统的无故障时间大大提高。
例如，VXI总线C尺寸机箱平均无故障时间（MTBF）高达107h，VXI总线模块的平均无故障时间达几万小时到十几万小时。
5.2VME总线技术规范
5.2.1VME总线概述
20世纪80年代中期以来，基于VMEbus背板总线的计算机系统先后得到了世界上300多家厂商的支持，开发出了大量的VME系统软件、CPU模块和I/O模块，使得VME系统成为开放性最好的高性能计算机平台。
在VME体系结构下，应用系统设计者可以灵活配置和集成系统，构成满足各种专门需要的VME实时工作站。
在国防、科研和工业领域中，这类系统可广泛用于过程控制、数据采集、图像处理和实时仿真。
VMEbus是一种非复用的32位异步总线。
非复用是指它的地址和数据分别有各自的信号线;异步则指它的总线上信号的定时关系是由总线延迟和握手信号来确定，而不是靠系统时钟来协调。
如前所说，VMEbus协议是一个异步协议，只要总线信号所表达的功能被确认有效后，信号就立即被激活。
这样，无论是快的还是慢的器件，新的或老的技术，都可用于VMEbus，总线的速度自动与器件的速度相适配。
这是异步总线的最大优点。
VMEbus是数据和地址非复用的，总线的地址周期和数据周期可以重叠，这样就可以用地址流水线的方式使一个访问周期与下一个访问周期相重叠，加快处理速度。
VMEbus可以传输8位、16位和32位数据。
VMEbus具有数据块传输方式，一个单一的地址周期之后可以跟随许多数据周期，使得数据传输大为加快，最大块传输为256B。
在传输单一数据时最大速率为19MB/s，传输数据块时最大速率为30MB/s。
在数据块传输中，第一个地址周期之后地址线被闲置，因此可以充分利用这一部分总线带宽来传输64位数据块：
低32位数据置于D0～D31数据线，而高32位数据置于A0～A31地址线。
换言之，可以改用地址/数据线复用的方式来传输64位数据。
这一方法已被用于64位VME标准（VME64）之中。
VMEbus具有7条菊花链中断线，处理机模块上的中断发生器和中断处理器功能部件分别用于请求中断和处理中断请求。
VMEbus有3种尺寸高度的模块（3U、6U和9U），模块插槽的间距为0.8英寸。
3U模块只有一个P1连接器，6U模块有P1和P2两个连接器。
每个连接器有3排引脚，每排有32个引脚，引脚之间的中心间距为0.1英寸。
标准双高（6U）模块是VMEbus最基本的和最常用的尺寸，它包括两个3列96插针的连接器，在模块上的插头连接器为P1和P2，它们在背板上对应为插座连接器J1和J2。
P1是基本连接器，它是单高和双高模块所共有的，包括了16位数据线和24位地址线；P2是双高模块的扩展连接器，它的中间一列用于扩展的32位数据线和32位地址线，两边二列可由用户定义，通常用于I/O端口。
由于接插件的可靠性直接影响计算机系统的可靠性，VMEbus采用高可靠的针式连接器，使得系统的可靠性比采用印制板板边连接器的系统有极大的提高。
使用标准19英寸机箱的VME系统最多可插21块VME模块，但是通常所见的都是20槽机箱，空出一个插槽给总线终端器占用。
VMEbus可提供±5V、±12V电源。
在总线连接器上共有5个插脚用于+5V输入，它们全部使用时，具有向一块电路板提供6A电流的能力。
为了使用ECL器件，近年来一些机构还对VMEbus做了非标准扩充，在P1和P2连接器之间增添一个JAUX插座，用以提供－2V电源。
VME总线对机箱之间的通信未做特殊的规定。
多机箱系统可用两种方法实现：
一种是采用总线电气缓冲的方式（以损失部分带宽为代价）；另一种是通过其他标准数据通信链路来实现。
VME总线没有涉及系统中电导传输和辐射等方面的电磁兼容标准，也未对电源功耗极限和机箱冷却要求做出规定，这些问题需要由系统集成者自行解决。
但VXI总线主机箱为系统提供了适合仪器工作要求的共用电源、冷却和电磁屏蔽环境条件。
虽然VME总线接口在电气和逻辑方面与68000微处理器结构相似，但VME总线接口的适用范围更广，支持包括80386在内的许多微处理器。
一些简单的VME总线模板甚至不需任何微处理器。
VME总线规范从早期的IEEE1014-1987发布以来，不断扩展，这体现在后续的VME64，VME64x和VME320技术规范中。
以下简述几种VME总线规范的主要性能。
1.IEEE1014-1987
IEEE1014-1987是较早的VME总线规范版本，主要性能如下：
（1）主/从结构；
（2）异步总线（无同步时钟）；
（3）可变速率的握手协议；
（4）非复用总线；
（5）16位~32位地址空间；
（6）8位~32位数据通道；
（7）40MB/s的数据传输速率；
（8）多重处理能力；
（9）7级中断能力；
（10）支持基于IEEE1101标准的多种机械部件；
（11）一个背板至多有21个插槽。
VME总线系统的地址总线与数据总线宽度是可以动态配置的，便于系统升级。
VME总线采用了主/从结构。
主模块具有访问总线的能力，负责向从模块传输数据或由从模块获取数据。
从模块仅是根据主模块的命令而被动地工作。
由于一条总线上可以有多个主模块，所以VME总线是具备多重处理能力的总线。
在一个主模块传输数据之前，应首先通过中央仲裁器获得总线控制权。
仲裁器是系统控制模块的一部分，决定哪一个主模块具有总线控制权。
VME总线是一种异步总线，即不采用同步时钟信号来协调数据的传输，而是通过模块间互锁的握手信号来控制。
每次数据传输的速度都是由参与操作的最慢模块来决定，其优点是可以将工作频率不同的模块集成在一个系统中。
异步总线的最高速度由信号通过背板与缓冲器电路的传输延迟来确定。
VME总线背板长度可达500mm（19.68英寸），背板信号线上的分布电感与分布电容值较大。
因此，系统的总线周期被限制在不能小于100ns。
如果采用16位数据总线传输数据，最大可提供40MB/s的总线传输速度。
2.VME64
ANSI/VITA1-1994简称VME64，是1995年发布的第二代VME规范。
该标准增加了许多增强型的功能，如支持更高的传输速率、更大的地址空间及便于使用的插卡等。
VME64是IEEE1014-1987规范的一个机械与电气超集，具有以下新特性：
（1）为6U板提供64位的数据通道；
（2）可在6U板上提供64位的地址空间；
（3）可在3U板上提供32位的数据传输通道和40位地址空间；
（4）80MB/s的数据传输速度，是以前的2倍；
（5）低噪声连接器；
（6）周期重试能力；
（7）总线封锁周期；
（8）一号槽检测功能；
（9）即插即用功能；
（10）ROM/CSR配置能力；
（11）重新定义了SERCLK（串行时钟）和SERDAT（串行数据）信号线。
VME64与IEEE1014-1987是向后兼容的，按原有规范设计的16位或32位CPU板能够在VME64系统中使用，从而为系统集成者提供了一条平稳过渡的升级路径。
3.VME64总线规范的扩展（VME64x）
1997年，VITA标准化组织（VITAStandardsOrganization，VSO）提出了一种扩展VME64的新标准：
VME64x。
该标准是VME64的一个超集，增加的新功能如下：
（1）新型的160引脚的连接器；
（2）95针的P0/J0连接器；
（3）配备了3.3V的电源引脚；
（4）更多的+5V直流电源引脚；
（5）物理寻址；
（6）160MB/s的数据传输速度；
（7）新增141个用户自定义I/O引脚；
（8）后插入单元（转接模板）；
（9）支持热插拔；
（10）模块的压入器/弹出器锁闭管理；
（11）符合电磁兼容设计的前面板；
（12）静电防护特性。
VME模块、VME64模块均能兼容在VME64x的背板和机箱中，即旧模块能被插入到新系统中；反之，VME64x模块也可在老的背板和机箱中使用。
例如，新的160引脚的连接器能够被插入到旧的背板上。
但也有一些例外，如某个模块要求3.3V的直流电源，则无法在老的、无3.3V电源引脚的背板上工作。
4.VME320总线规范
1997年，ArizonaDigital公司发布了一种VME总线系统的修订版：
VME320，该规范是为高于320MB/s的数据传输而设计的，其峰值带宽可达500MB/s，采用了一种新的背板设计和总线技术。
为提高VME总线背板的数据传输速率，VME320背板采用了星形互连的方法，将背板上的所有连线都汇接到背板中央的一个插槽中，使任何两个槽间的信号传输只需通过一个中间槽转接就可到达目的地。
VME320还采用了双倍源同步传输（two-edge，SourceSynchronousdataTransfer，2eSST）总线协议，来协调各模块间的高速数据传输。
该总线协议将数据传送改为同步传输，利用选通信号的两个边沿来传送（即DDR），成功地大幅提高了传输速度。
VXI总线规范是基于最初的VME总线规范IEEE1014-1987制定的，因此本书在介绍VME总线特性时，将着重介绍IEEE1014-1987。
5.2.2VME总线的机械规范
1．VME总线的模块结构
VME总线的机械结构主要基于IEC60297标准及IEEE1101.10标准，也被称为欧洲标准卡结构。
IEEE1101是IEEE为微机系统结构所制定的机械规范，定义了各种板卡的尺寸（可到12U高×400mm长），还有机箱和其他的机架规格尺寸。
VME总线严格地遵循了该标准。
实际上，目前许多流行的工业标准总线结构，如CompactPCI、PXI、VME等，其机械结构规范都是由Eurocard衍变而来的。
VME总线模块的板卡尺寸的高度是以“U”为单位，1U=1.75英寸（44.45mm）。
长度单位是mm，宽度单位是“T”或HP（即HorizontalPitch），1HP=5.08mm，板卡的宽度一般是一个槽宽或6T的宽度。
主要的板卡尺寸如下：
（1）A尺寸板卡：
3U×160mm，实际的3U印制电路板的高度为100mm；
（2）尺寸板卡：
6U×160mm，实际的6U印制电路板的高度为233.35mm；
（3）尺寸板卡：
6U×340mm；
（4）尺寸板卡：
9U×340mm，实际的9U印制电路板的高度约为365.76mm；
其实A、B、C以及D尺寸是VXI总线的术语，VME总线只涉及3U和6U两种高度的模块。
其中3U模块称为单高模块，6U模块称为双高模块。
单高模块是尺寸最小的模块，它的末端用P1/J1连接器连接。
单高模块能适应最多16位地址和24位数据的传送，适用于空间有限的使用情况，由于尺寸小，它比双高模块有更好的防振性能。
图5.1是单高VME模块的基本尺寸。
图5.1单高VME模块的基本尺寸
（注：
所有尺寸以“mm”为单位；括弧内的尺寸单位是英寸。
后同。
）
双高（6U）模块则是VME总线最常见、最基本的模块规格，允许安装更多的元器件，它使用与单高3U模块电气性能兼容的P1/J1连接器。
双高模块支持32位地址和32位数据的传送。
图5.2是双高VME模块的基本尺寸。
图5.2双高VME模块的基本尺寸
进行信号传送的输入/输出电缆可通过模块前面板连接，或通过用户在P2/J2连接器上自定义的输入/输出引脚连接。
此外，VME64x标准也允许使用背板的后转换模块，其机械结构在IEEE1101.11标准中做了定义。
一些制造商也提供9U尺寸模块。
但这种尺寸的模块在VME64规范中并未被说明和支持。
大多数Eurocard的产品支持在一个机箱内安装多种尺寸的板卡。
例如，使用一个转接卡能将一个6U卡接驳到一个9U卡的槽位中。
图5.3是VME机箱和接插模块的结构。
图5.3VME机箱和接插模块的结构
可同时使用两个标准的板卡尺寸，这是VME总线最突出的特征之一。
如用户对空间或振动有严格的要求，可以选单高度模块。
而在用户要求有足够多的功能和空间的大系统中，6U板卡将是一个更好的选择。
VME总线标准机箱的框架尺寸是19英寸（482.6mm）宽。
机箱背板上最多可以有21个插槽位置。
机箱的最大宽度是由在每个VME总线模块上驱动电流的大小和底板上的时延的限制所决定的。
如果需要更多的插槽，可以采用多机箱的连接。
连接方法有两种：
一是采用VMEbus-to-VMEbus桥接器组合，这种总线至总线的桥接，实际上是允许在背板上的总线周期扩展到另外一个；二是使用一对映射存储卡，允许背板上的一个存储区段扩展到另外一个。
2．VME总线的背板结构
VME总线背板上提供有16位、32位或64位的数据总线宽度，最多可以提供21个插槽位置，相邻插槽的间距为0.8英寸（20.32mm）。
在VME总线中，有如下三种通用类型的背板可选用：
（1）标准型，3列连接器背板。
（2）VME64x标准型，5列连接器（带有160引脚加强型连接器）背板。
（3）VME320背板。
以上3种背板都可采用3U和6U模块。
此外，每种VME总线背板上都有许多可选配置。
一些常用的可选件有：
（1）有源终端器大多数VME总线背板提供一种更简单且价廉的无源终端网络。
然而，无源终端网络需要消耗背板上的电源功率。
对于一块6U背板来说，典型的电流限制约为1.3A。
有源终端器能把背板电流降低至毫安级。
而对信号完整性方面的影响，两种类型的终端匹配网络基本没什么差别。
（2）自动链背板有自动关闭中断请求确认和总线授权菊花链功能。
这些在背板上的连接器，通常使用机械触点进行切换，或是采用电气切断的方法。
（3）背板的输入/输出连接器护罩标准型的3排连接器背板，底背板上的连接器护罩或指定的连接器硬件不是必需的。
如果用户需要这项功能可向背板制造商提出要求。
VME64x背板要求支持由IEEE1101.11规定的后背板输入/输出转换模板。
（4）电源连接由于VME总线对背板上的电源连接的方法没有做出详细的规定，大多数使用FASTON连接器、螺丝钉接线端或特制的连接器系统。
3．VME总线的M模块
早期的微机板卡是在一块电路板上实现所有的功能，后来希望一块板卡上提供多种功能。
在三维空间中，设计师们意识到既可以向深度扩展，又可以向上扩展，所以就出现了M模块的概念。
“M”是mezzanine的缩写，指介于一层与二层之间的中间层，或戏院中的包厢。
在一个总线系统中，M模块是位于两个模块之间的，类似了建筑物中一、二层之间的中间层，M模块也叫夹层模块。
M模块安装在一块通用母板上。
使用M模块可以在增加功能的同时不占用更多的槽位。
用户也可以随意组合调配M模块以实现所需的I/O功能，以节省开发经费，缩短软件开发周期及降低软件成本。
M模块在增加系统设计灵活性的同时，也带来了相关的不兼容性问题，制定M模块的标准就提到日程上来。
目前市场上有几十种适用于VME总线的M模块标准，其中CMC/PMC和IP（IndustryPack）总线模块标准似乎比较成功。
由于通用M模块标准CMC（CommonMezzanineCard）与PCI总线很类似，所以将其命名为CMC/PMC。
图5.4是一种模块系统中的通用夹层板卡（CMC）部分的机械结构。
图5.4通用的夹层卡（CMC）的机械结构
5.2.3VME总线的电气规范
5.2.3.1VME总线结构
图5.5给出了VME总线组成的示意图。
VME总线的信号线可分为四组：
数据传输总线（DataTransferBus，DTB）、优先级中断总线（PriorityInterruptBus）、DTB仲裁总线（DTBArbitrationBus）、公用总线（UtilityBus）。
这些总线都安排在P1连接器（全部）和P2连接器的B列引脚上。
表5.1列出了VME总线所采用的功能模块。
各个功能模块在表5.2所列的5个子总线中进行相互通信，这些子总线常被结合起来使用。
图5.5VME总线结构
表5.1VME总线所采用的功能模块
功能模块
描述
主模块
在数据传输总线（DTB）上能启动总线周期
从模块
能检测并且参与DTB周期
存储单元监控模块
用于监视DTB和短地址、标准地址及扩展地址的寻址
总线定时模块
计算一个DTB周期的时间长度。
如果一个周期太长，则产生BERR*信号。
可作为一种定时器的看门狗
中断模块
产生中断请求
中断管理器
响应中断源的请求
IACK菊花链驱动器
用于驱动IACK*菊花链。
通常它是零槽系统控制器模块的一部分
总线请求模块
用于请求DTB的占用权
总线仲裁模块
监察和仲裁DTB的使用权
系统时钟驱动器
提供一个稳定的16MHz公用时钟
电源监测器
产生SYSRESET*和ACFAIL*信号去显示电源的状态信号
表5.2VME总线的子总线
子总线
功能描述
数据传输总线
用于传递地址和数据信息
数据传输仲裁总线
用于获得DTB的使用权
优先级中断总线
用于传递模块间中断信号
公用总线
提供系统的实用功能，如系统复位信号和一个公用时钟信号
串行总线
一个二线的串行总线
表5.3、表5.4分别给出了VME总线P1/J1、P2/J2连接器的引脚定义。
表5.3VME总线P1/J1连接器引脚定义
引脚号
A行信号助记符
B行信号助记符
C行信号助记符
1
D00
BBSY*
D08
2
D01
BCLR*
D09
3
D02
ACFAIL*
D10
4
D03
BG0IN*
D11
5
D04
BG0OUT*
D12
6
D05
BG1IN*
D13
7
D06
BG1OUT*
D14
8
D07
BG2IN*
D15
9
GND
BG2OUT*
GND
10
SYSCLK
BG3IN*
SYSFAIL*
11
GND
BG3OUT*
升级会员 