2 测控总线技术(3-1)_v07.ppt

2.4VXI总线与仪器系统集成,2.测控总线技术,,VXI–VMEbuseXtensionsforInstrumentation1987IEEEStd1155-1992,2,虚拟仪器总线技术,Serial1960’s,VXI1987,PXI1997,PC-DAQPCI,USB,,,,,,高性能高可靠性标准化,,高性能低成本,,基于工业计算机扩展（标准工业测控总线）,基于商用计算机构建,GPIB1960’s,CAMAC1960’s,LXI2004,,3,2.4.1概述,2.4VXI总线及仪器系统集成,4,仪器系统的发展,5,VXIbus组成,,PopularVMEbusStandardisusedatstartingpointVXIaddsdefinitionstoAddressInstrumentationneeds,7,2.4.2VME–FoundationofVXI,2.4VXI总线及仪器系统集成,8,VMEbusSpecification,HistoryMechanicalSpecifications（机械规范）ElectricalSpecifications（电气规范）SystemCommunicationBuses（系统和通信总线）,9,VersaModuleEurocard,集VERSAbus电气标准和欧规卡Eurocard机械标准为一体197968000CPUbyMotorola1981VersaBusspecificationpublishedbyMotorola1981IEC297-3EurocardPCBstd1981Motorola,SigneticsMostekannounceVMEVersaModuleEurocard1985VMEbusapprovedasIEC8211987VMEbusapprovedasANSI/IEEEStd1014-1987VME总线逐渐成为国际上一种通用的工业计算机总线标准,10,VMEbusSystem,Chassis,Backplane,CPUBoard,I/OModules,11,VMEbusSystem,12,VMEbusModule,13,VMEbus机械规范,AllDesignConstructionElementsDefinedModuleSizes（模块尺寸）Connectors（连接器）BoardWidths（模块厚度）,warpage热变形,componentheights（元器件高度）,etc.FrontPanels（前面板）Backplane（背板）,14,VMEbusModulesSizes,TwoModuleSizes3U6USize1U1.75inch,,,P1,P2,A,B,3.9x6.3in10 x16cm,9.2x6.3in23.3x16cm,ModuleSpacing0.8inches2cm,EurocardpackagingbasedonagroupofrackstandardsconnectorfamiliesnowIEEE-1101specification,1inch2.54cm,15,VMEbusConnectors,P1ConnectorAllPinsDefinedP2[optional]OnlyMiddleRowRowBDefined,16,VMEbus电气规范,Power连接器的额定电气参数ElectricalRatingsforConnectorsvoltage,contactresistanceandinsulationresistanceDrivingReceivingSpecificationsSignalLineTerminationstoeliminatesignalintegrityproblems,17,VMEbus电气规范,P1/J124AddressLines16-bitDataBusArbitration仲裁BusInterruptBusUtilityBusforsystemlevelfunctionsanddiagnosticsP2/J2Onlyhasthemiddlerowof32pinsdefinedIncreaseAddressLinesto32IncreaseDataBusto32-bitsProvidesExtra5VDCPowerJ-BackplaneConnector“female“P-ModuleConnector“male“,18,VMEbusConnectors,P1,[optional]8AddressLines16DatalinesExtra5VDCLines,24AddressLines16DataLinesArbitrationBusInterruptBusUtilityBus,ConnectorsbasedDIN41612standardDIN-德国标准化学会,P2,19,VMEbus总线,DataTransferBus数据传输总线，用于传递地址和数据信息。DataTransferArbitrationBus数据传输仲裁总线，用于获得数据传输总线（DTB）的使用权。PriorityInterruptBus优先中断总线，用于在模块间传递中断信号。UtilityBus公用总线，提供系统公用资源，如复位信号、时钟等，完成系统初始化及故障监测等功能。,20,VMEbus的功能框图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,SystemClockDriver,PowerMonitor,Arbiter,IACK*Daisy-ChainDriver,BusTimer,BackplaneInterfaceLogic,BackplaneInterfaceLogic,BackplaneInterfaceLogic,LocationMonitor,Requester,Master,InterruptHandler,Interrupter,Slave,Interrupter,MemoryorI/ODevices,DataProcessingDeviceCPU,DataTransferBus,PriorityInterruptBus,DataTransferArbitrationBus,UtilityBus,VMEbus,SystemControllerModule,DefinedbyVMEbusSpecification,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,21,数据传输DataTransfers-VMEDefines,DeviceAddressing器件寻址,DataTransferControl数据传输控制,TimingRulesRegulations时序规则,AddressA31-A1AM5-AM0DS0*DS1*LWORD*ControlAS*DS0*DS1*BERR*DTACK*WRITE*,地址修改线，指示当前地址总线宽度和VME总线周期类型,长字信号线，与A01、DS0*、DS1*共同决定传输数据的宽度,地址选通线，指示当前地址线上的地址有效,数据选通线，用于协调数据传输过程，而且与LWORD*和A01线一起来指示所传输数据的类型,读/写信号线，0为写周期，1为读周期,,,22,动态地址宽度DynamicAddressSizing,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A63,A1,,A31,A1,,A23,A1,,A15,A1,,A3,A1,Duringaddressbroadcastofbuscycleonly,ActivePortionofDataTransferBus-AddressRouting,D31-D24,D23-D16,D15-D8,D7-D0,A31-A24,A23-A16,A15-A0,A3-A1,AddressModifierCodesHex,Long64-bit†00-07,Extended32-bit08-0F,Standard24-bit38-3F,ShortI/O16-bit29,2D,InterruptAcknowledge,†DenotesRevisionDenhancement,,,Unusedportionofaddressbus,Usedtopassdata,A64,A32,A16,A24,23,动态数据宽度DynamicDataSizing,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,†EIGHTBYTE0-7BYTE0BYTE1BYTE2BYTE3BYTE4BYTE5BYTE6BYTE7,ActivePortionofDataTransferBus-ByteLanesandByteRouting,A31-A24,A23-A16,A15-A8,D31-D24,D23-D16,D15-D8,D7-D0,00000,XDontcare,†DenotesRevisionDenhancement,Unusedportionofdatabus,Usedtopassaddress,DS1*DS0*A01LWORD*A02,ControlSignalLevels,QUADBYTE0-3BYTE0BYTE1BYTE2BYTE3,UNALIGNED0-2BYTE0BYTE1BYTE2,0100X,UNALIGNED1-3BYTE1BYTE2BYTE3,1000X,UNALIGNED1-2BYTE1BYTE2,0010X,0011X,DBLBYTE0-1BYTE0BYTE1,0001X,1011X,0111X,1001X,SINGLEBYTE0,0101X,1010X,0110X,0000X,ILLEGAL,,SINGLEBYTE1,SINGLEBYTE2,,SINGLEBYTE3,DBLBYTE2-3BYTE0BYTE1,,,,,A7-A1LWORD*,D32,D24,D16,D8,VME总线的基本数据单元是16位,24,数据传输总线DataTransferBusp.33,器件数据传输能力DeviceDataTransferCapabilitiesD08Osend/receivedata8bitsatatimeoverD07-D00D08EOsend/receivedata8bitsatatimeoverD07-D00orD08-D15D16send/receivedata16bitsatatimeoverD15-D0D32send/receivedata32bitsatatimeoverD00-D31D64send/receivedata64bitsatatimeoverD31-D0,A31-A1andLWORD*,25,总线周期BusCyclesp.30,Read/Write读/写周期基本数据传输周期，在一个总线周期内仅传递一个单元数据。BlockTransfer块传输周期传输数据库或帧数据的总线周期，只需一次寻址和握手，最多可传输256数据/BLT，传输效率高。Read-Modify-Write读-修改-写周期在多主处理系统中，用于传递信号量，是一种不能被分隔的总线周期。Addressonly纯地址周期仅广播地址的总线周期InterruptAcknowledge中断响应周期清除中断和从发出中断的从模块获得中断状态信息。,26,VME数据传输,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。VME总线在数据选通线DS0*和DS1*与终止信号线DTACK*（数据传输应答信号线）、BERR*（总线错误信号线）之间使用一种互锁挂钩机制。,27,读周期Areadcycle,,,,Masterrequestsdata,Slavidatesdata,Addressbroadcast,Masteracceptsdata,主模块,,,从模块,28,数据总线仲裁DataBusArbitrationp.33-35,允许多个处理器或总线主模块共享总线资源复杂的VME应用系统通常实现并发操作，以满足系统应用的实时性要求，采用多CPU系统就成为必然的选择。VME是一种多主总线，而VME总线又是一种共享资源，因此，需要一种仲裁机制来实现总线仲裁和总线授权；仲裁机制由VME总线系统控制器提供，系统控制器通常位于1号槽；VME总线系统控制器通常完成以下功能总线仲裁提供16MHz系统时钟（SYSCLK）驱动中断应答IACK菊花链,29,数据总线仲裁DataBusArbitrationp.33-35,主模块对数据传输总线的使用由总线请求线和总线授权线来控制总线请求线（BusRequestLines）BR0*-BR3*总线授权线（BusGrantLines）BG0IN*-BG3IN*BG0OUT*-BG3OUT*总线忙线（BusBusyLine）BBSY*总线清除线（BusClearLine）BCLR*,,构成总线仲裁的菊花链（4条）,30,VMEbus的功能框图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,SystemClockDriver,PowerMonitor,Arbiter,IACK*Daisy-ChainDriver,BusTimer,BackplaneInterfaceLogic,BackplaneInterfaceLogic,BackplaneInterfaceLogic,LocationMonitor,Requester,Master,InterruptHandler,Interrupter,Slave,Interrupter,MemoryorI/ODevices,DataProcessingDeviceCPU,DataTransferBus,PriorityInterruptBus,DataTransferArbitrationBus,UtilityBus,VMEbus,SystemControllerModule,DefinedbyVMEbusSpecification,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,31,VME总线系统控制器,多主总线设置控制总线使用权的总线仲裁器，当想传送数据的设备（主方）向控制器发出请求并获得总线权限之后，就可以开始发送数据，传送对象（从方）开始接收数据。,总线仲裁器Arbiter,主模块Master,从模块Slaver,,,,,,,,,,,,,,,,,,数据,地址,读/写,其它接口信号,总线请求信号/请求允许信号,,32,数据总线仲裁DataBusArbitration,总线仲裁方式（3种）优先仲裁（PRI）3210；循环仲裁（RR）平均分配总线使用权3-2-1-0，适用于需要处理具有许多相同优先级任务的系统。单级仲裁（SGL）在简单的VME总线系统中，只使用总线请求线BR3*。VME总线系统最多可以有21个主模块，但仅有4条总线请求线，因此，VME允许在同一总线请求线上可以有多个主模块同时发出请求。以菊花链方式（由1槽出发）连在同一条总线请求线上的主模块根据距离1号槽的远近来决定获得总线使用权的先后顺序。,33,数据总线仲裁DataBusArbitration,公平性在负载较重的系统中，许多主模块频繁地申请总线使用权时，可能出现靠近1号槽的前4个主模块长期占用总线的情况，其它主模块则长时间得不到总线使用权。为了避免上述情况的发生，可将总线请求方式设置为只有当总线请求线处于无效状态时，主模块才能发出总线请求信号，从而保证各主模块都有均等的机会获得总线使用权，这种方式被称为公平请求方式。释放总线使用权方式（2种）任务完成后释放（RWD–ReleaseWhenDone）-循环仲裁收到总线请求时释放（ROR–ReleaseOnRequest）-优先仲裁,34,优先中断总线PriorityInterruptBusp35-36,VME总线系统最多可以有7级中断。优先中断总线包括中断请求线IRQ1*-IRQ7*open-collectorinterruptlines中断应答线IACK*（由响应中断的主模块驱动）中断应答输入线IACKIN*中断应答输出线IACKOUT*,构成中断应答的菊花链（由VME总线控制器驱动）,,35,优先中断总线PriorityInterruptBus,中断应答链路p.36VME总线系统中各中断模块在必要时发出中断请求信号IRQI*-IRQ7*。CPU板上的中断管理模块在监视到中断请求后驱动中断应答信号线lACK，它与系统控制板中的lACK菊花链驱动模块相配合组成中断应答链路。注意无论单CPU系统还是多CPU系统，其中断应答链路都由位于1号槽的系统控制板的lACK菊花链驱动。CPU板上的中断管理模块在收到它所监视的IRQ线上出现中断信号后，先通过自己的总线请求器请求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。,36,中断应答过程,经总线请求仲裁过程，若取得总线使用权，则启动中断响应周期。首先中断管理模块驱动lACK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，中断管理模块还驱动地址线A01-A03，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。,,IACK菊花链驱动,系统控制板,,中断管理,CPU板（主模块）,,中断,从模块,,中断,从模块,,,,,,,,,,,,,,,,,背板,IACKIN*,IACKOUT*,IACKIN*,IACKOUT*,IACKOUT*,IACKOUT*,IACKIN*,IACKIN*,IACK*,,,,,,,,,,,,,,,,37,中断应答过程,中断模块需要3个条件才可认为自己的中断请求被响应本模块输入的IACKIN为低电平。（本模块获得了主模块响应中断请求的权利）本模块使用的中断请求信号IRQn*为低电平（n1-7）。（本模块也的确提出了中断请求）A01-A03经译码得到的号数n与本模块使用的中断请求IRQn*线中的号数n一致。（目前响应中断的主模块正是自己的中断处理主模块）当中断请求被响应时，中断模块就在数据传输线上发1-4个字节的状态/识别消息STATUS/ID。相应的中断管理模块根据收到的这个消息，去执行一定的中断服务程序。,38,公用总线VMEUtilityBus,Signalsfortiming（定时）,systemsreset（系统复位）,systemdiagnostics（系统诊断）andpowerfailures（电源故障）SYSCLKIndependent,fixedfrequency16MHz,50dutycyclesignal.为所有器件提供一个的标准时基SERCLK,SERDATSerialClockandDataSignalLinesAllowforanalternateserialdatacommunicationpathessagesbetweenVMEdevicesorsystems,39,公用总线VMEUtilityBus,ACFAILOptionalPowerMonitorusesthislinetoindicatestatusofAClinevoltageSYSRESETresetsignalforputtingmodulesinknownstateoratpower-upallowspowersuppliestostabilizeSYSFAILAsserted置位bymodulesiftheydonotpasstheirowninternaltests,40,VME特点,主/从结构；多主总线，提供并发处理能力（总线仲裁）；异步数据传输可以保证速度不同的主/从设备可靠通信；数据传输速率40MBytes/s（IEEE1014-1987）～320MByte/s（VME320-1997）；具有动态地址宽度（16/24/32/64位）和数据宽度（8/16/24/32位）7级中断；支持基于IEEE1101的欧规卡机械标准；1个VME机箱最多可配21个模块。,41,VMEbusApplications,42,VMEbusApplications,Industrialcontrolsfactoryautomation,robotics,steelmanufacturing,Militarybattlefieldcommandcontrolsystems,groundandflightradarcontrolsystems,tankandguncontrols,...Aerospaceavionics,spacecraftexperimentcontrol,In1998theMarsPathfinderusedaVMEbuscomputertocontrolspacecraftoperationontheplanetMars.Transportationrailwaycontrols,smarthighwaysystemsandlight-railtransitsystems.Telecomcellulartelephonebasestations,MedicalCATSCANimaging,MRIimagingandvariousacousticalsystems.HighEnergyPhysicsparticleaccelerators,particledetectors.,43,VMEbusIEEE-1014Summary,优秀的计算机背板总线仲裁ArbitratedBackplaneallowsmultipleprocessors共享存储器结构Sharedmemoryarchitecture快速的数据传输Fastdatatransfer,44,VMEbusIEEE-1014Summary,不适合高性能仪器板卡尺寸小，间距狭窄Smallcards,tightspacing没有噪声、电源和冷却要求Nonoise,power,coolingspecifications没有定义通信协议Nocommunicationprotocols没有专门的仪器资源Noinstrumentationresources,45,思考题,VMEbus所采用欧规卡标准有什么优点VMEbus系统总线包括哪几部分VMEbus是如何保证数据的正确可靠传输的VMEbus是如何实现总线仲裁的VMEbus是如何获得和响应服务请求的VMEbus系统有什么特性,QA,