20 Jahre VME-Bus

Ende 1981 wurde der VERSAmodule Eurocard Bus erstmals vorgestellt. In den darauffolgenden Jahren hat er seine Position in der Industrie erfolgreich ausgebaut und mittlerweile bieten mehr als 100 Firmen Produkte an, die auf diesem System basieren.

Einer der Schlüssel zum Erfolg des VME-Bus Konzeptes ist der offene Standard, der nicht durch einen einzelnen Hersteller kontrolliert wird. Mit der VITA steht ein unabhängiges Normierungsgremium dahinter. Einer der wesentlichsten Verdienste dieses Gremiums ist zweifelsohne, dass immer wieder Anpassungen an modernere Chiptechnologien stattgefunden haben und die Übertragungsbandbreite mit der Zeit immer gewachsen ist. Die derzeitige Bandbreite liegt bei 80 MByte/s und soll demnächst auf 320 MByte/s angehoben werden. Verglichen mit dem aus der PC Welt kommenden PCI Bus liegt man also voll im Trend der Zeit. Die Vielfalt an Produkten ist aber sehr viel größer: Zur Zeit sind von 100 Anbietern etwa 250 verschieden Board level Produkte verfügbar.
In seinen Einsatzbereichen hat sich der VME-Bus vor allem dort etabliert, wo der industrielle Gedanke im Vordergrund steht.

Der VME-Bus heute
Die Beschaffenheit als “asynchroner” Bus, mit einer Breite von 64 bit (aber auch 16 oder 32 bit Boards werden unterstützt) hält den Bus hinsichtlich der Busfrequenz offen. Im Gegensatz zum PCI Bus, der in seiner Frequenz (z. B. als 32 bit/33 MHz) fix eingestellt ist, kann auf dem VME-Bus je nach Teilnehmer mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten kommuniziert werden. Nach oben hin ist aber entsprechend dem ANSI/VITA Standard 1-1994, oder besser unter dem Namen VME64-Interface bekannt, mit 80 MByte/s heutzutage das Limit erreicht. Zudem muss der Anwender auch feststellen, dass diese Werte nur Theorie sind und in der Praxis nicht erreicht werden können. Bereits 1999 hat daher die VITA das 2eSST Protokoll (two edge source synchronous transfer) aufgenommen. Wie bei allen Erweiterungen des Busses bislang war auch diese Erweiterung mit der Auflage der vollen Kompatibilität zu bestehenden Systemen verbunden. Dennoch haben die Hersteller von Boards nicht davon Gebrauch gemacht. Grund dafür ist, dass die Verbindung der einzelnen Funktionseinheiten am Board über den PCI Bus realisiert wird. Mit dem als Standard üblichen 32 bit/33 MHz PCI Bus hätte es keinen Sinn gemacht den VME-Bus schneller zu machen, da der PCI-Bus einen Flaschenhals dargestellt hätte. Erst mit der Erweiterung des PCI-Bus auf 64 bit und der Option von 66 MHz erinnert man sich wieder daran, dass ein schnelleres VME Konzept in der Schublade liegt. Bis die ersten 2eSST-Busbausteinen (Double Data Rate VME-Interface) verfügbar sein werden müssen wir noch etwa ein halbes Jahr warten. Wird dann aber der PCI-Bus wie wir ihn heute kennen noch State of the Art sein ?
PCI-X als Chip to Chip Interface
Verbindungen auf dem Board, oder Chip zu Chip Verbindungen, werden bei PC Systemen und VME Systemen gleichermaßen seit vielen Jahren mit PCI (Peripheral Component Interconnect) realisiert. Mit einer Datenbreite von 32 oder 64 bit und einer Geschwindigkeit von 33 und 66 MHz stehen grundsätzlich vier Versionen zur Verfügung. Aber in der Praxis werden nur 32 bit/33 MHz genutzt. Die Hersteller von VME-Boards wollen sich künftig daher nicht mehr am heutigen PCI-Bus orientieren, sondern gleich in Richtung PCI-X gehen. Vielerorts wird PCI-X auch als zweite Generation des PCI Busses gesehen. PCI-X ist 64 bit breit und läuft mit einer Taktfrequenz von 133 MHz. Dadurch lässt sich eine theoretische Bandbreite von etwa 1 GB/s erreichen (acht mal schneller als der traditionelle PCI-Bus). Weiters bietet der PCI-X Bus auch Vorteile wie split transaction, bessere Busarbitrierung, verbesserte shared Bus Eigenschaften, etc. Damit kann auch in der Praxis der theoretische Wert eher erreicht werden, als dies beim traditionellen PCI-Bus der Fall ist. Über die Chip zu Chip Verbindung hinaus wird der PCI-X Bus auch für die On-Board Erweiterungsmodule genutzt werden. Um den vielfältigen Anwendungen der Industrie gerecht zu werden ist die Modularität eines Boards weitaus wichtiger als im Bereich von Desktop Computing. Die PCI Mezzanine Cards (PMC-Module) haben sich bereits in den letzten Jahren als Standard etabliert. Durch den Eintritt in das Zeitalter der PCI-X Technologie werden diese PMCX-Module in Form des VITA Standards Nr. 39 vereinheitlicht.
Backplane Interconnection
Die steigende Bandbreite am Board fordert förmlich nach einer steigenden Bandbreite bei der Board zu Board Verbindung. Mit dem auf dem Double Datarate basierenden 2eSST (two edge source synchronous transfer) Protokoll kann die Geschwindigkeit gegenüber dem heutigen VME64 Protokoll um etwa das achtfache gesteigert werden. Während VME64 vier Taktzyklen benötigt, um einen Datenblock auf den Bus zu bekommen, können im 2eSST Protokoll gleich zwei Datenpakete während eines Taktzyklus übertragen werden. Ein Paket während der steigenden Flanke und ein Paket mit der fallenden Flanke. Gegenüber dem VME64 Protokoll mit 80 MByte/s erreicht man mit dem neuen Protokoll 320 MByte/s Damit steht der VME-Bus wieder in Relation mit dem PCI-X On Board Bus. Nachdem, wie bereits erwähnt, dieses Protokoll schon 1999 von der VMEbus International Trade Association (VITA) als Standard festgelegt wurde bedarf es keiner neuen Norm.
Abwärtskompatibilität
In der zwanzigjährigen Geschichte des VME-Busses war schon immer die Kompatibilität mit alten Produkten an vorderster Stellle. Ob es nun die alten Boards auf Basis des VME6000 Businterfaces oder die dreireihigen VME-Bus Module sind, alles soll funktionieren. Der Tempe-Chip soll erkennen um welchen Busteilnehmer es sich handelt und sich an dessen maximaler Geschwindigkeit orientieren. Damit bleiben die Investitionen der Vergangenheit geschützt. In vielen Bereichen haben Anwender für Ihre speziellen Applikationen auch spezielle Boards entwickelt. Auch diese Anwender können aufatmen. Damit unterstreicht der VME-Bus einmal mehr seine industrielle Tauglichkeit. Vergleicht man nun den VME-Bus mit dem CompactPCI Bus, wird man feststellen, dass es zu den einzelnen Standards auch der jeweils entsprechenden Hardware bedarf. Etwa im Jahresabstand werden neue PICMG Normen veröffentlicht, die zwar beachtliche Leistungsmerkmale beinhalten, aber nicht abwärtskompatibel sind.
Zukünftige Konzepte
Trotzdem der VME-Bus in die Jahre gekommen ist, bleibt er weiter ausbaufähig. Mit 320 MByte/s ist noch nicht das Limit erreicht. Problematischer ist da die Situation beim PCI-Bus. Mit PCI-X scheint wohl das Limit erreicht zu sein. Geht es nach den Überlegungen führender Hersteller von Computerplattformen, so werden künftig serielle Verbindungen zwischen peripheren Einheiten das Rennen machen. Da wäre es naheliegend an eine TCP/IP (über Ethernet) Verbindung im Gigabit Bereich zu denken. Aber diese Technologie ist für lange sichere Verbindungen zwischen Systemen geschaffen. Für eine On Board Verbindung von verschiedenen Chips oder für ein Backplanekonzept eignet sich diese Technologie nicht. Es gibt aber bereits konkrete Bemühungen in Richtung eines Fibre Channels als Sub-Systemverbindung. Auch für die Verbindung von Funktionsmodulen auf einem Board wäre dieses Konzept denkbar. Motorola Computersysteme hat ein derartiges Konzept auf CompactPCI Systemen bereits in Erprobung und wird auch in Kürze damit in Serie gehen. Dabei handelt es sich um eine InfiniBand 4 x Technologie. Das Konzept ist eine geschaltene serielle Punkt zu Punkt Verbindung (Switched serial point-to-point) bei der über vier Leitungspaare in jede Richtung übertragen wird. Dabei erreicht man eine Bandbreite von bis zu 2 GByte/s Neben den niedrigen Latenzzeiten ergäbe sich auch die Möglichkeit, dass über einen Switch mehrere Module gleichzeitig kommunizieren können. Auch hier steht die Kompatibilität zu alten VME-Boards wieder im Vordergrund um die bereits getätigten Investitionen zu schützen.

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