• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

VME в третьем тысячелетии

Л. Левин, "МКА", 2002

Секрет долголетия VME

   В октябре прошлого года архитектура VMEbus благополучно перешагнула свой 20-летий рубеж (подробнее об истории VME смотри в MKA 4, 2001), и юбилей дает повод задуматься о секретах долголетней популярности этого стандарта и попытаться выяснить, почему другие технологии, продвигаемые как стандарты для построения интегрированных систем, так трудно внедряются и часто остаются только на бумаге. В специальном выпуске журнала RTC, посвященном 20-летию VMEbus, главный редактор журнала Том Уильямс на примере успеха VME сформулировал несколько критериев, которым должны отвечать стандарты.

Разумеется, новая технология может получить широкую поддержку и стать промышленным стандартом только тогда, когда решаемые ею задачи актуальны для достаточно широкой группы рыночных сегментов. В то же время успех VME во многом объясняется сочетанием двух важных преимуществ данного стандарта: его основные принципы позволяют компаниям-разработчикам постоянно развивать его и конкурировать между собой; при этом создаваемые ими продукты с точки зрения пользователей и OEM-производителей по-прежнему соответствуют спецификации VME и совместимы между собой.

Еще одно преимущество VME — обратная совместимость, благодаря которой новая аппаратура, построенная на основе следующей версии стандарта, поддерживает ранее разработанное программное обеспечение. В результате обеспечивается защита инвестиций в технологию VME, и производители рассматривают ее как надежную стандартную архитектуру для разработки новых продуктов, которой доверяют пользователи.

Как пишет в том же номере RTC исполнительный директор международной ассоциации производителей и пользователей аппаратуры в стандарте VMEbus (VITA) Рэй Олдерман, своим долголетием архитектура VME обязана принципам, лежащим в основе философии VITA и поддерживающих ее компаний, которые он определяет как "adopt, adapt and create", т.е. поддерживать новые технологии, адаптировать их и затем реализовывать в новых продуктах. Именно исходя из этих принципов, разработчики VME поддержали локальную шину PCI, создали мезонины PMC и адаптировали шину PCI для этого форм-фактора, а также поддержали, адаптировали и создали целый ряд информационных шин для передачи данных по линиям разъёма P2.

Что ожидает VME в ближайшие годы

   В настоящее время встроенные системы на основе VMEbus выпускает около 140 компаний и их продукты находят применение в самых различных отраслях. В результате спад в производстве встроенных компьютеров из-за кризиса телекоммуникационного сектора мало повлиял на рынок VME, поскольку основной объем продаж VME-изделий приходится на военные системы, государственный сектор и COTS-продукты (готовые к применению коммерческие продукты).

По прогнозам аналитиков на ближайшие несколько лет, продажи VME-изделий для оборонной промышленности будут ежегодно увеличиваться на 11-13%, а систем VME с расширенными условиями эксплуатации — на 15%. Ожидается, что увеличение военного бюджета США после событий 11 сентября приведет к росту затрат на НИОКР в оборонной промышленности и, как следствие, к появлению через 1,5-2 года большого числа новых продуктов и технологий. Прогнозируется и значительный рост в секторе систем безопасности.

В других секторах рынка VME-изделий также ожидается рост, но в пределах 10%. Сектор медицинского оборудования ежегодно будет увеличиваться на 8%, а сектор транспорта, аппаратуры для контроля окружающей среды и научных исследований — от 5 до 7 процентов.

В то же время аналитики считают, что в ближайшие годы функциональные возможности шины VME уже не смогут удовлетворять технологическим требованиям новых приложений и поэтому общая доля VME-продуктов на рынке встроенных систем будет постепенно сокращаться: прежде всего из-за перехода производителей телекоммуникационного и сетевого оборудования на архитектуру CompactPCI. Так, за прошлый год общий объем продаж продуктов VME снизился на 7,2% до 884 млн. долл., а в нынешнем году, по оценкам аналитиков, он сократится еще на 4%. Однако такой прогноз не учитывает серьёзные попытки разработчиков поднять производительность архитектуры VME за счет использования высокоскоростной коммутации.

Motorola готовит второе рождение VME

   Одним из вариантов подобного решения, реализация которого вдохнула бы новую жизнь в VME, является предложенный компанией Motorola Computer Group перевод VMEbus на топологию коммутируемых последовательных соединений вместо используемой в VME64 параллельной многоточечной шины (рис.2). Такое решение, получившее название VMEbus Switched Serial Standard (VXS), не является принципиально новым — несколько лет назад компанией Mercury был разработан стандарт Raceway, реализующий для VME использование параллельных коммутируемых соединений, а компания SKY Computer на основе этого же подхода предложила стандарт SKYchannel, однако ни Raceway, ни SKYchannel не получили широкой поддержки на рынке VME.

Как считают специалисты из Motorola, новейшие сетевые технологии обеспечивает высокоскоростную передачу данных по последовательному каналу, что позволяет заменить параллельную шину одним последовательным соединением (рис.4). В качестве интерфейсов для построения коммутируемого соединения шин данных Motorola предлагает использовать Infiniband или Serial RapidIO, а также 10-гигабитный Ethernet и 3GIO.

По мнению специалистов Motorola, в сравнении с параллельной многоточечной шиной коммутируемые последовательные соединения обеспечивают следующие преимущества:

• Значительно сокращается вероятность конфликтов приема/передачи данных;

• Повышается масштабируемость — обычно имеется ограничение на максимальное число подключений к параллельной шине; кроме того, при каждом дополнительном подключении скорость передачи данных по шине снижается. Коммутация параллельных соединений обеспечивает лучшую масштабируемость, но при этой топологии, когда каждое устройство соединено несколькими каналами с коммутатором, может не хватить портов коммутатора. В то же время при коммутации последовательных соединений используется топология "точка-точка" и для подключения дополнительного устройства достаточно иметь свободный порт коммутатора. Кроме того, для получения более высокой масштабируемости несколько коммутаторов объединяются в каскад.

Еще один аспект масштабируемости — это возможность объединить в цепочку несколько крейтов с модулями. Использующиеся в традиционных архитектурах VMEbus и PCI параллельные шины имеют ограничение по длине, из-за чего обе технологии трудно использовать для построения шлейфового подключения. Хотя параллельные коммутируемые соединения позволяют лучше решать эту задачу, из-за большого числа проводов приходится применять толстый кабель, дорогие коннекторы и, как следствие, для такого варианта коммутации также имеется ограничение по длине. Предложенная компанией Motorola архитектура коммутации высокоскоростных последовательных соединений, которое первоначально предназначалась для объединения нескольких крейтов с модулями в одной комнате, хорошо масштабируется до уровня объединительной панели.

• Уменьшается занимаемое пространство — соединительные провода подключаются к печатным платам, объединительным панелям, каркасам и коннекторам. Чем больше проводов, тем больше они занимают места. При параллельном подключении на одно соединение может приходиться более сотни проводов и поэтому для него требуется значительное пространство.

При последовательном подсоединении используется только пара проводов, по которым передаются данные, адреса и сигналы синхронизации. Для увеличения скорости передачи данных можно использовать несколько пар проводов с чередованием передачи бит. Например, Ethernet 10 Гбит/с использует 4 пары (8 линий) с тактовой частотой 3,125 МГц, Infiniband 1X — две пары (четыре линии), по одной для каждого направления, а Infiniband 4X — четыре пары для каждого направления (всего 8 пар или 16 проводов).

Кроме того, для последовательного соединения требуется меньше коннекторов, поэтому занимаемое этими компонентами место значительно сокращается по сравнению с параллельной шиной.

Однако главное преимущество последовательного коммутируемого соединения по сравнению с параллельным — резкий рост скорости передачи данных.

Стоит отметить, что при параллельной топологии общая пропускная способность шины равна скорости отдельной транзакции, а при коммутируемой — одновременно происходит несколько транзакций, что обеспечивает рост суммарной пропускной способности.

• Низкое время задержки: коммутация последовательных соединений обеспечивает величину задержки не более 150 нс.

Переход на такие высокоскоростные технологии, как Infiniband и 10 Gigabit Ethernet, работающие на тактовой частоте свыше 2,5 ГГц, потребует применения новых коннекторов, поскольку выпускаемые сейчас адаптеры VME не поддерживают гигарерцовые частоты. Как считают в Motorola, основной проблемой будет выработка такой схемы перехода, которая позволила бы сохранить инвестиции в ранее выпущенное оборудование и в то же время обеспечила поддержку новых коннекторов для высокоскоростных соединений. В марте этого года была создана группа компаний (Special Interest Group) по продвижению VXS, в которую кроме самой Motorola вошли компании Mercury Computer, Mitre, Pentair, SKY Computers и Tyco Electronics.

Первым публичным представлением "ренессанса" VME стал доклад директора по исследованиям и системной архитектуре Motorola Computer Group Джефри Харриса на проходившей в Калифорнии в январе этого года конференции "Bus and Board".

Кроме перехода на архитектуру коммутируемых соединений Motorola предлагает высокоскоростную реализацию VME64, обеспечивающую увеличение пропускной способности в 8 раз, и более длинные и широкие платы форм-фактора U, рассчитанные на телекоммуникационное оборудование.

По словам Харриса, уже к середине 2002 года максимальная скорость параллельной 64-битовой многоточечной шины достигнет 320 Мбайт/с (сейчас теоретический предел для VME64 равен 80 Мбайт/с, но на практике редко удается превысить скорость 40 Мбайт/с). Это будет обеспечено за счет применения стандартизированного в конце 1990-х годов протокола VMEbus под названием 2eSST (two-edge-source synchronyous transfer — передача с синхронизацией по двум фронтам).

Микросхемы, реализующие 2eSST, пока отсутствуют, но к концу года должен выйти разработанный в Motorola чип Tempe, функционирующий как мост между PCI-X и VME (рис.5). Он будет совместим с существующими модулями VME и поэтому ранее выпущенные VME-модули и модули с поддержкой Tempe можно будет устанавливать на одной объединительной панели.

   Однако наиболее важным усовершенствованием шины VME64 станут трансиверы, способные обеспечить переключение сигналов на объединительной панели фронтом "падающей волны" (incindent-wave switch), которые до конца 2002 года планирует выпустить компания Texas Instruments. При использовании этих трансиверов и кристалла Tempe можно получить скорость протокола 2eSST даже в существующей объединительной панели.

На следующий год Motorola запланировала выпуск чипа Mesa, поддерживающий PCI-X 2.0, а в 2005 году — чипа Scottsdale, который должен еще больше поднять скорость VME за счет применения следующего поколения трансиверов Texas Instruments.

Новые протоколы и коммутируемые последовательные соединения будут реализованы в платах нового стандарта Vita 34 с форм-фактором 8U и 4U x 220 мм, устанавливаемые в каркасе с шагом 1,2 дюйма. Эти платы будут иметь собственные источники питания 48 В и поддерживать мощность до 500 Вт на плату при использовании водяного охлаждения. В стандарте Vita 34 для подключения к объединительной панели предусматривается использование разрабатываемого компанией Tyco коннектора с кодовым названием Rolling Thunder, поддерживающего тактовую частоту до 10 ГГц.