第5章 VXI总线技术.doc

第5章 VXI总线技术5.1 概述VXI总线（VXI bus）是VMEbus eXtensions for Instrumentation的缩写，即“VME总线在仪器领域的扩展”的简称。VME总线（Versa Module Eurocard Bus）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Revision A。1982年推出了VMEbus标准的Revision B版本，1985年4月颁布了Revision C.1 VME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IEEE 1014-1987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100 MHz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。5.2 VME总线技术规范5.2.1 VME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D0D31数据线，而高32位数据置于A0A31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IEEE 1014-1987发布以来，不断扩展，这体现在后续的VME 64，VME 64x和VME 320 技术规范中。以下简述几种VME总线规范的主要性能。1. IEEE1014-1987IEEE1014-1987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IEEE 1101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. VME 64ANSI/VITA 1-1994简称VME 64，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。VME 64是IEEE 1014-1987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SER CLK（串行时钟）和SER DAT（串行数据）信号线。VME 64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VME 64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. VME 64总线规范的扩展（VME 64x）1997年，VITA标准化组织（VITA Standards Organization，VSO）提出了一种扩展VME 64的新标准：VME 64x。该标准是VME 64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、VME 64模块均能兼容在VME 64x的背板和机箱中，即旧模块能被插入到新系统中；反之，VME 64x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. VME 320总线规范1997年，Arizona Digital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，VME 320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。VME 320还采用了双倍源同步传输（two-edge， Source Synchronous data Transfer，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IEEE 1014-1987制定的，因此本书在介绍VME总线特性时，将着重介绍IEEE 1014-1987。5.2.2 VME总线的机械规范1VME总线的模块结构VME总线的机械结构主要基于IEC 60297标准及IEEE1101.10标准，也被称为欧洲标准卡结构。IEEE 1101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Horizontal Pitch），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：3U160mm，实际的3U印制电路板的高度为100mm；（2）尺寸板卡：6U160mm，实际的6U 印制电路板的高度为233.35mm；（3）尺寸板卡：6U340mm；（4）尺寸板卡：9U340mm，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，VME 64x标准也允许使用背板的后转换模块，其机械结构在IEEE 1101.11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VME 64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5.3 VME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。2VME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）VME 64x标准型，5列连接器（带有160引脚加强型连接器）背板。（3）VME 320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。VME 64x背板要求支持由IEEE 1101.11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。3VME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（Industry Pack）总线模块标准似乎比较成功。由于通用M模块标准CMC（Common Mezzanine Card）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5.2.3 VME总线的电气规范5.2.3.1 VME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（Data Transfer Bus，DTB）、优先级中断总线（Priority Interrupt Bus）、DTB仲裁总线（DTB Arbitration Bus）、公用总线（Utility Bus）。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5.5 VME总线结构表5.1 VME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5.2 VME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5.3 VME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1D00BBSY*D082D01BCLR*D093D02ACFAIL*D104D03BG0IN*D115D04BG0OUT*D126D05BG1IN*D137D06BG1OUT*D148D07BG2IN*D159GNDBG2OUT*GND10SYSCLKBG3IN*SYSFAIL*11GNDBG3OUT*BERR*12DS1*BR0*SYSRESET*13DS0*BR1*LWORD*14WRITE*BR2*AM515GNDBR3*A2316DTACK*AM0A2217GNDAM1A2118AS*AM2A2019GNDAM3A1920ICACK*GNDA1821IACKIN*SERCLK（1）A1722IACKOUT*SERDAT*（1）A1623AM4GNDA1524A07IRQ7*A1425A06IRQ6*A1326A05IRQ5*A1227A04IRQ4*A1128A03IRQ3*A1029A02IRQ2*A0930A01IRQ1*A083112V5VSTDBY12V325V5V5V注：“*”表示该线为低电平有效表5.4 VME总线P2/J2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用户自定义+5V用户自定义2用户自定义GND用户自定义3用户自定义RSV1用户自定义4用户自定义A24用户自定义5用户自定义A25用户自定义6用户自定义A26用户自定义7用户自定义A27用户自定义8用户自定义A28用户自定义9用户自定义A29用户自定义10用户自定义A30用户自定义11用户自定义A31用户自定义12用户自定义GND用户自定义13用户自定义+5V用户自定义14用户自定义D16用户自定义15用户自定义D17用户自定义16用户自定义D18用户自定义17用户自定义D19用户自定义18用户自定义D20用户自定义19用户自定义D21用户自定义20用户自定义D22用户自定义21用户自定义D23用户自定义22用户自定义GND用户自定义23用户自定义D24用户自定义24用户自定义D25用户自定义25用户自定义D26用户自定义26用户自定义D27用户自定义27用户自定义D28用户自定义28用户自定义D29用户自定义29用户自定义D30用户自定义30用户自定义D31用户自定义31用户自定义GND用户自定义32用户自定义+5V用户自定义1. 数据传输总线数据传输总线主要是用于CPU板上的主模块与存储器板和I/O板上的从模块之间数据、地址及有关的控制信号的传送，由主模块启动传输并控制DTB的数据传送周期。另外，DTB也可供中断源与中断控制器之间传递状态/识别信息。数据传输总线按其功能可分为寻址线、数据线和控制线，如表5.5所列。表5.5 DTB信号线寻址线数据线控制线A01-A31（地址）D00-D31AS*（地址选通）AM0-AM5（地址修改）DS0*DS0*（数据选通0）DS1*DS1*（数据选通1）BERR*（总线错误）LWORD*（长字）DTACK*（数据传输认可）WRITE*（读/写）注：DS0*和DS1*是两条双功能线。“*”有两种含意，电平作用时表示低电平有效，边沿触发则表示是下降沿触发1）寻址线寻址线包括：（1）地址线A01A31，其中A01A23位于P1连接器，A24A31位于P2连接器；（2）地址修改线AM0*AM5*，这6条地址修改线安排在P1连接器；（3）数据选通线DS0*DS1*，这2条数据选通线安排在P1连接器上；（4）字长线LWORD*，安排在P1连接器上。寻址线全部由主模块驱动，对从模块提供的存储单元进行寻址，寻址空间达232=4GB。32根数据线在一个DTB周期内可以同时传送1B4B的数据。为此，寻址线的寻址能力不仅要求寻址空间尽可能大，而且必须能够在一个DTB周期内同时寻址1B4B的存储单元。所以，VME总线的DTB寻址线不像其他总线那样由A00A31来实现4GB的寻址能力，而是将整个寻址空间按4B为一组进行划分，每一组称为一个4字节组，由A02A31进行寻址，至于具体访问4字节组中的哪几个字节存储单元，则由A01、DS0*、DS1*及LWORD*4根寻址线的状态来决定。在4字节组中的4个字节分别称为字节（0）、字节（1）、字节（2）和字节（3），其定义如表5.6所列。表5.6 4字节存储单元名 称以字节为单位的地址字节（0） 0 0字节（1） 0 1字节（2） 1 0字节（3） 1 1表5.7给出了用DS0*、DS1*、A01和LWORD*选择4字节组中哪几个字节的方法。DS0*、DS1*、A01和LWORD*4根线最多可组成16种组合，除表中给出的几种情况外，DS0*、DS1*、A01和LWORD*的组合还有6种，但因为进行数据传输时，DS0*与DS1*必须至少有一个为低，所以实际上只有2种组合没有在表5.7中列出，这2种组合被视为非法状态。例如，某个主模块要在一个数据传送周期内读取地址12345678H起始的两个字节，则其寻址线状态应为：A31A02对应000100100011010001010110011110（1=高，0=低），DS1*、DS0*、A01和LWORD*分别对应低、低、低、高。表5.7 用DS0*、DS1*、A01和LWORD*选择字节存储单元字节存储单元选择DS1*DS0*A01LWORD*单字节访问字节（0）低高低高字节（1）高低低高字节（2）低高高高字节（3）高低高高双字节访问字节（01）低低低高字节（12）低低高高字节（23）低低高高三字节访问字节（02）低高低低字节（13）高低低低四字节访问字节（03）低低低低6条地址修改线AM0AM5提供了64种地址修改码，其中50种由用户定义或保留，其余14种用来通知从模块如下信息：（1）DTB周期使用的地址是短地址A16（用A01A15）、标准地址A24（用A01A23），还是扩展地址A32（用A01A31）；（2）进行的是块传送、程序传送，还是数据传送；（3）数据传送是管理式的，还是非特权式的。2）数据线 D00D31，其中D00D15位于P1连接器，D16D31位于P2连接器。32根数据线在一个DTB周期内可以同时传送1个4个字节，表5.8给出了各数据线传送数据字节的情况。表5.8 使用数据线访问存储单元访问的字节存储单元D2431D16D23D08D15D00D07字节（0）字节（0）字节（1）字节（1）字节（2）字节（2）字节（3）字节（3）字节（01）字节（0）字节（1）字节（12）字节（1）字节（2）字节（23）字节（2）字节（3）字节（02）字节（0）字节（1）字节（2）字节（13）字节（1）字节（2）字节（3）字节（03）字节（0）字节（1）字节（2）字节（3） 例如，在上例中，主模块要读取存储单元地址为12345678H开始的两个字节的内容，则应该用D08D15传送地址12345678H单元的一个字节内容，用D00D07传送12345679H单元的一个字节的内容。3）控制线控制线包括：（1）地址选通线AS*，安排在P1连接器上；（2）数据选通线DS0*DS1*与地址线中的数据选通线相同，即数据选通线在寻址线和控制线中都具有相同的作用；（3）总线错误线BERR*，安排在P1连接器上；（4）数据传输应答线DTACK*，安排在P1连接器上；（5）读/写信号线WRITE*，安排在P1连接器上。在主/从模块交换数据时，地址线由主模块驱动进行寻址，根据地址线数目的不同，地址可以是短地址（16位地址，寻址64KB空间）、标准地址（24位地址，寻址16MB空间）和扩展地址（32位地址，寻址4GB空间），所用地址线的数目由地址修改线AM0AM5规定。数据线D00D31用来传输1B4B的数据。主模块用数据选通线DS0*DS1*、字长线LWORD*和地址线A01配合指定不同的数据传输周期类型，例如，单字节奇地址或偶地址的数据传输、双字节或四字节数据传输、不同字节数的数据块传输等。 数据传输总线DTB周期是异步进行的，主模块用地址选通信号AS*和数据选通信号DS0*DS1*向从模块发出控制，而从模块用数据传输应答信号DTACK*来响应。当主模块发生寻址错误，从模块驱动总线错误信号BERR*提示，若从模块产生故障使DTB周期超过时间限制，系统控制板上的定时模块也能驱动BERR*线。读/写信号线WRITE*确定数据传输的方向。CPU板上还有一个存储单元监控模块，它监视是否有从属于它的存储单元被访问，这在共享存储单元的设计中特别有用。此外，各板与总线的接口，都是通过背板接口逻辑模块来实现的。2. DTB仲裁总线VME总线支持多处理器的分布式微机系统，即多块CPU板可同时存在于一个VME总线系统中，它们可以共享系统中的硬件和软件资源。VME总线的仲裁系统可以防止两个以上的主模块同时使用DTB。当有多个模块请求使用DTB时，系统可通过控制板上的仲裁模块与CPU板上的请求模块联系，并对总线请求做出安排，以避免两个模块同时使用数据传输总线，造成数据传输的错误。DTB仲裁总线均安排在P1连接器上，主要包括下列信号线： （1）总线请求：BR0*-BR3*； （2）总线应答输入：BG0IN*BG3IN*； （3）总线应答输出：BG0OUT*BG3OUT*； （4）总线忙：BBSY*； （5）总线清除：BCLR*。在VME总线仲裁系统中共有03种优先级，第3级优先权最高，第0级最低，也就是说DTB仲裁总线中总线请求、总线应答输入和总线应答输出线各有4条。每个请求模块只驱动一条请求线，并接受同一级别的总线允许链路仲裁，即BRX*、BGXIN*及BGXOUT*中X取值相同时才能构成一级仲裁链路。至于仲裁驱动模块对4条仲裁链路的处理，则可采用3种不同方式：（1）优先仲裁，即把DTB控制权先给优先级最高的链路（X=3），再给较低链路；（2）循环仲裁，即循环驱动4条链路；（3）单级仲裁，即只驱动X=3链路而不使用其它链路。在同一链路中靠近1号槽的模块又比槽号更高的模块有更高的优先级。仲裁通过总线应答输入和总线应答输出信号构成的菊花链进行。槽号较低的BGXOUT*线直接与槽号比它大1的BGXIN*相连，如图5.6所示。只有本模块正进行总线请求（BRX*低），并接收到的总线应答输入信号BGXIN*也为低时，模块才获得总线使用权。1号槽 2号槽 3号槽 4号槽仲裁模块BGXIN*BGXOUT*BGXIN*BGXOUT*BGXIN*BGXOUT*BGXIN*BGXOUT*图5.6 总线仲裁的菊花链总线请求及其仲裁过程是：请求使用DTB的模块在发出总线请求的同时令其总线应答输出为高，使优先级低于它的模块不得使用DTB线。同时，它监视总线应答输入线，一旦为低就表示总线请求得到允许，这时它驱动总线忙信号BBSY*表示总线已被占用。当它使用完DTB线就释放BBSY*线（令其为高电平），并使本模块的总线应答输出线变为低电平，取消对优先级低于它的模块总线使用权的封锁。若有优先级更高的模块产生总线请求，仲裁模块可用总线清除信号BCLR*来中断现行DTB周期，当前使用DTB的模块也释放该线。仲裁链中每个模块的总线应答输出信号与总线请求及总线应答输入信号有如下逻辑关系：式中均采用正逻辑，即低电平为逻辑0、高电平为逻辑1。由上式可见，当有总线请求时（这时为1）总线应答输出总为“1”（高电平）；当无总线请求时总线应答输出与总线应答输入电平相同。图5.7是总线仲裁举例，例中处于2号槽和4号槽的模块都有总线请求，从而可确定各模块中BGXIN*和BGXOUT*的电平，可见2号槽中的模块总线请求已被允许，而4号槽中的请求未获允许。同时还可看出，对于未插入板的空槽应在该槽的BGXIN*和BGXOUT*之间连一短路线。、1号槽 2号槽 3号槽 4号槽仲裁模块低 高 高 高无总线请求 总线请求 无总线请求 总线请求BG1IN*BG1OUT*BG2IN*BG2OUT*BG3IN*BG3OUT*BG4IN*BG4OUT*3. 优先中断总线优先中断总线是供VME总线系统中的中断源和中断处理器之间进行中断请求和中断认可操作之用。各微处理器之间经过DTB、DTB仲裁和优先中断总线建立起通信路径。VME总线系统最多可以有7级中断，优先中断总线包括：（1）中断请求线IRQ1*IRQ7*；（2）中断应答线IACK*；（3）中断应答输入线IACKIN*；（4）中断应答输出线IACKOUT*。以上4种优先中断总线均安排在P1引脚上。VME总线系统中各中断源负责在必要时发出中断请求信号IRQ1*IRQ7*，CPU板上的中断处理器在监视到中断请求后驱动中断应答信号，它与系统控制板中的IACK菊花链驱动模块配合，组成中断链路。在单CPU系统中，一个中断处理器监视IRQ1IRQ7共7条中断请求线，在多CPU系统中则只监视分配给它的中断请求线。不论哪种情况，中断应答链路都由1号槽中的IACK菊花链驱动模块驱动，如图5.8所示。IACK菊花链驱动系统控制板中断处理器CPU板中 断 器中 断 器IACK*背 板IACKOUT*IACKOUT*IACKOUT*IACKOUT*IACKIN*IACKIN*IACKIN*IACKIN*图5.8 中断应答链路 图5.8中，CPU板上的中断处理器在接收到它所监视的IRQ*线上出现中断请求信号后，先通过自己的总线请求模块申请DTB使用权，以便发出中断请求的模块利用数据传输总线向它报告状态/识别消息（STATUS/ID）。经过总线请求仲裁过程，若取得总线使用权，则启动中断响应周期。首先中断处理器驱动IACK*线为低电平，该信号通过背板上的总线传至系统控制板上的IACK菊花链驱动模块，使后者的IACKOUT*线变为低电平，并驱动中断应答链路。与此同时，中断处理器还驱动地址线A01A03，经译码指出是响应IRQ1*IRQ7*中第几条线的中断请求，其中IRQ7*具有最高的优先级。 中断源需要3个条件才可认为自己的中断请求被响应，即本模块输入的IACKIN*为低电平；自己使用的中断请求信号IRQN*为低电平（N为17）；A01A03经译码得到的号数N与自己使用的中断请求IRQN*线中的号数N一致。在满足最后一个条件的情况下，每个中断源的中断应答输出信号与其中断应答输入及中断请求信号间有如下逻辑关系：其表达形式及实际意义都与总线请求仲裁链类似。当中断请求被响应时，中断源就在数据传输线上发1个4个字节的状态/识别消息（STATUS/ID），相应的中断处理器根据接收到的这个消息，去执行一定的中断服务程序。4. 公用总线公用总线为系统提供时钟、系统初始化及故障监测等功能。公用总线包括如下信号线：（1）系统时钟线SYSCLK；（2）序列时钟线SERCLK；（3）序列数据线SERDAT*；（4）交流故障线ACFAIL*；（5）系统复位线SYSRESET*；（6）系统故障线SYSFAIL*。以上6种公用总线均安排在P1连接器上。SYSCLK由系统时钟发生器驱动，为系统提供一个占空比为50%的16MHz时钟信号，作为系统操作的时间基准。SERCLK和SERDAT*用于一种扩展的VME总线。ACFAIL*反映交流电源是否出现故障，SYSRESET*反映系统是否处于复位状态，二者均由电源监视器监视和控制，当系统电源出现故障时，电源监视器驱动ACFAIL*向系统发出报警信号；当操作人员按下复位按钮时，电源监视器驱动SYSRESET*为低，使整个系统进入初始状态。系统复位后，总线上所有模块都进行自检，自检结果通过SYSFAIL*线传送给系统控制板。所以系统中任何模块都可能产生系统故障信号。除上述4种总线外，还有电源线、地线GND和保留线（RESERVED）安排在P2连接器B列的第3个引脚。保留线不得随意使用，以便将来扩展和增强系统功能。以上是VME总线的构成情况，也是VXI总线系统的重要内容之一，是进一步掌握VXI总线系统的基础。5.2.3.2 VME总线周期 总线周期用在子总线中，标准的VME总线周期实际上是一个读写周期，且能在每个传输期间传送8位、16位、24位或32位数据。也有其他的专用的总线周期，或允许更快操作的功能，如表5.9所列。表5.9 VME总线周期操作总线周期描 述数据总线传送周期读/写周期基本的数据传送周期，每个总线周期仅传送一次数据读更改写周期用于传送多重处理系统中的背板信号信息，是一个不可分割的总线周期块传送周期在一个地址周期后可一次传送多达256B的数据块多块传送周期类似于块传送周期，利用32位数据线和32位数据线同时进行64位数据传送，为VME64新增的总线周期类型只传地址周期仅传送单一地址的一种周