太速科技 -VPX 標準
新型 VPX(VITA 46)標準是自從VME引入后的25年來，對于VME總線架構的最重大也是最重要的改進。它將增加背板帶寬，集成更多的I/O，擴展了格式布局。
目前，VME64x已經不能滿足國防和航空領域越來越高的性能要求和更為惡劣環(huán)境下的應用。許多應用，例如雷達，聲納，視頻圖像處理，智能信號處理等，由于受到VME64x傳輸帶寬的限制，系統(tǒng)性能無法進一步提高。急需要一種新體制的總線，替代現(xiàn)有的VME64x總線，以提高系統(tǒng)傳輸帶寬。
VITA 46基礎標準由VITA46.0（基礎協(xié)議）和VITA46.1（VME連接）描述，也稱為VPX，并成功地于2006年一月引入。這是一個里程碑，因為我們可以確信VITA46標準已經設計和實現(xiàn)出來了。下一步是完成最終文檔，并且提交ANSI（美國國家標準化組織）得到正式ANSI批準。
VPX總線是VME技術的自然進化，它采用高速串行總線替代并行總線是其的最主要變化。VPX采用RapidIO和Advanced Switching Interconnect等現(xiàn)代的工業(yè)標準的串行交換結構，來支持更高的背板帶寬。這些高速串行交換可以提供每個差分對兒250MBytes/sec的數(shù)據傳輸率。如果4個信道最高1 GBytes/sec的理論速率。VPX的核心交換提供32個查分對兒，組成4個4信道端口，每個信道都是雙向的（一發(fā)送差分對兒，一接收差分兒）。VPX模塊的理論合計帶寬為8 GB/sec。
當今基于VME總線雷達系統(tǒng)陣列中的每個系統(tǒng)處理器，都必須等待輪到該處理器獲得總先后才能發(fā)送數(shù)據。這樣不僅僅使處理器終止了對當前數(shù)據塊的處理，同時還終止了處理器對輸入數(shù)據的處理。
交換結構使所有數(shù)據流暢通無阻，來解決這一問題，這樣減小了處理延遲和輸入數(shù)據流的中斷。
StarFabric是一個串行轉換結構，他利用現(xiàn)有的VME-64背板鏈接嵌入式多處理器。可是，VME64X接口的物理特性限制限制了它將來的發(fā)展。在VITA46開發(fā)以前，雷達系統(tǒng)開始面臨主卡的性能的制約。VME主卡其中兩個最嚴重的限制是每個插槽上通過信號針的數(shù)據量限制，以及嚴重的功率浪費。VITA46通過采用高速連接器和支持先進的交換結構，著重解決了這兩個問題。
由于采集的數(shù)據頻率越高，圖像效果越好。隨著雷達數(shù)據管道變得越來越大，VPX將成為解決這些新需求的新技術。
VPX采用了由Tyco公司開發(fā)出了模塊化的VPX RT2連接器，該連接器內含可控阻抗，低插入損耗，在最高6.25 Gbaud下，串擾小于3%。Tyco公司生產的獨特的新7排RT2連接器，與級聯(lián)塊兒和鍵一起，實現(xiàn)VITA 46模塊和背板設計。VITA 46選擇RT2連接器的目的是為了解決以下問題：
&# 8226; 連接器必須可以發(fā)送信號至少5 Gbits/sec
&# 8226; 連接器必須提供充足的I/O，適應現(xiàn)代主卡上日益增加的功能。
&# 8226; 連接器的尺寸必須能夠滿足VME標準長度，以便可以安裝PMC模塊，能夠保證0.8英寸的板間距。
&# 8226; 連接器系統(tǒng)必須足夠牢固，這樣在軍事/航空系統(tǒng)的惡劣環(huán)境中才能應用。
VITA 46模塊插入和拔出力量與VME64X模塊相近。這是因為雖然VITA46擁有更多的接觸點，但是Tyco公司的MultiGig RT2連接器使得每個接觸點壓力降低而又能保證充分的接觸。以上結論都是建立在連接器機械結構評估和測試基礎上得來的。
VITA 46 工作組對最終交付使用的VPX連接器，為VPX模塊標準做了大量的測試認證。這些測試再現(xiàn)了一些最苛刻的環(huán)境測試，執(zhí)行了板級標準。
主要環(huán)境參數(shù)測試包括如下：
&# 8226; 振動及顫動
&# 8226; 溫度
&# 8226; 適度
&# 8226; 沙塵
&# 8226; 耐久
&# 8226; 靜電保護
VPX擁有著更多的I/O能力，其數(shù)量幾乎是64X類型卡的兩倍。所有的I/O針都有千兆傳輸能力，最高到6.25 Gig/Sec。并且有輔助的VITA 48標準選擇，使得每個插槽可以插更高功率的板子。與傳統(tǒng)的VME技術比VPX的針腳數(shù)要多，一般的6U VPX模塊可以提供：
總共707個非電源電觸電
總共464個信號：
64個信號，用于核心交換的32個高速差分對
104個信號，用于實現(xiàn)VME64的
268個通用用戶I/O，其中包括128個高速差分對兒。
28個信號，用于作系統(tǒng)信號（重啟，JTAG，尋址等），其余未使用。
VPX提供最高32個網絡交換針，這些針的作用：
&# 8226; 得到更多的吞吐量
&# 8226; 提升性能
&# 8226; 實現(xiàn)網狀拓撲結構
&# 8226; 減少插槽數(shù)
&# 8226; 無需交換插槽
&# 8226; 節(jié)省空間和降低重量
VPX改進了電源供電。5V最高可達115W，12V最高可達384W，48V最高可達768W。
如此大功率的電源，允許板子集成更多的功能�？蛇x的更高的電壓輸入，可以減少背板的電流，降低重量和降低電子兼容問題產生。
新串行交換結構技術使得軍用和航空嵌入式計算機系統(tǒng)得到更高的性能，同時減少系統(tǒng)成本和重量。如今有多種高性能交換結構技術可供選擇。這其中的三個——Gigabit Ethernet (GbE), Serial RapidIO (SRIO), and PCI Express (PCIe)尤其突出，優(yōu)點最多。GbE是基于IP數(shù)據通信的標準，無論是平臺間網絡還是在同一個背板中的子系統(tǒng)。SRIO是DSP應用中高密度多處理簇互聯(lián)的最好方式。第三種，PCIe事實上已經是，核心處理器到外圍設備高帶寬數(shù)據流傳輸應用的標準。圖1展示了嵌入式系統(tǒng)的網絡結構的概念。
因為不可能有一種網絡交換技術可以滿足國防和航空嵌入式應用領域中所有的需求，所以Curtiss-Wright公司提出了分層（hierarchy）解決方案——使用GbE作為平臺間網絡互聯(lián)，并且使用SRIO和PCIe作為底板總線交換網絡互聯(lián)。使用這種方式，國防和航空系統(tǒng)集成商可以在他們系統(tǒng)中應用交換結構技術。
GbE，SRIO以及PCIe各有優(yōu)勢，如果將這些交換結構結合在一起應用于嵌入式軍用系統(tǒng)中，將形成功一種新的能強大的結構。經過應用，主要的芯片，板子大量真實評估，以及主板整體設計，一種被稱為VPX新的高性能底板問世。無論客戶應用采用分布的、集中的，還是混合的網絡拓撲結構，這種存在多種網絡交換的計算平臺，允許用戶選擇最合適的網絡來滿足系統(tǒng)需求設計。
GbE可以應用于松散耦合系統(tǒng)的鏈接，SRIO, PCIe,或兩個結合使用適合于處理器，外圍設備以及板卡之間的緊密耦合通信簇。用戶可以使用1/10GbE交換網絡建立Intra-Platform Network(IPN)來有效的傳輸IPv4/v6信息包，用戶可以使用標準的電纜連接不同的系統(tǒng)，或者通過標準底板進行板子與處理器間傳輸（參看圖1）。SRIO更適用于組建網狀拓撲結構的數(shù)字信號處理器應用，PCIe更適用于核心處理器到外圍設備的高帶寬數(shù)據傳輸。
以太網是目前最普遍的網絡技術。幾乎所有的網絡通信的起始和重點都有以太網連接。這種商業(yè)領域廣泛的應用正在影響軍用市場，找到某種方式將網絡中心引入加固國防應用市場。
Network Centric Warfare (NCW)學說的實現(xiàn)推動了高帶寬、高可靠的IP網絡的戰(zhàn)場通信的發(fā)展。隨著國防部對利用現(xiàn)有資源無縫連接到全球網絡的迫切需求，1-GbE網絡交換已經成為鏈接機箱和鏈接板子，組建今天高帶寬IP平臺網絡的首選。
將來的技術轉向1/10Gbe網絡是很自然的事情，它是一種高速網絡的解決方案，足可以滿足日益增長的苛刻應用需求。為了滿足有效地在平臺資源間傳輸音頻，視頻，控制及管理數(shù)據的需求，支持IPv4/v6的1/10 Gbe提供了統(tǒng)一的方法來進行標準數(shù)據傳輸。
通過簡單的在原來系統(tǒng)上增加交換機或PMC交換卡，在VME64x機箱里組建星型或雙-星型網絡來升級原有系統(tǒng)。采用VPX背板的新系統(tǒng)不僅可以允許1 GBE接口，還可以允許10 GBE接口通過背板路由，這樣很容易增加網絡帶寬。
對于高性能網絡，VPX系統(tǒng)采用類似于VME64X系統(tǒng)的集中交換結構，（例如一個VPX交換/路由卡或者一個X/PMC交換卡）通過GbE連接機箱中的板子，機箱可以采用銅或者光介質鏈接，組建分布式或集中式的網絡拓撲結構（參看圖2）
雖然有很多現(xiàn)行的GbE標準，其中的最流行的幾個標準和特性包括：
1000BaseT，一般用于銅介質背板進行板間或處理器間通信。1000BaseSX(1 Gb/s)一般用于光介質傳輸。XAUI一般用于堆�；蛘咦鳛閿�(shù)據干路的10 GbE交換卡。
每個GbE接口是10 Mb/s, 100 Mb/s,和1 Gb/s自適應, 或者通過鏈接代理得到多種速率，提供高性能連接。
以太網未來的標準將會發(fā)展到背板上支持802.3ap (一個信道的1000Base,四個信道的10GBaseKX4以及一個信道的10GBaseKR)。
新一代1/10 GbE交換芯片將很快投入市場，每個口運行速度可以在1,2.5,5,和10 Gb/s。
優(yōu)化的1和10 GbE NIC芯片即將投入市場，它可以通過遠程直接內存訪問(RDMA)和TCP卸載引擎（TOE)消除網絡瓶頸(舉例來說：一個10 GbE RDMA/TOE NIC芯片可以達到800-MBytes/s，并且占用最小的處理器周期進行大的數(shù)據傳輸)
由于采用RDMA和TOE技術減輕了1/10 GbE終端節(jié)點的瓶頸和TCP/IP協(xié)議握手所花費的處理器額外負載，使得GbE還可以應用到低延遲，高吞吐量和確定操作的嵌入式高性能聚合應用中。
在商業(yè)領域中，1 GbE 和10 GbE 能否迅速的應用到大多數(shù)主要的軍用平臺的決定因素，是降低成本提高性能。
SRIO, 高速串行交換結構技術，正在多處理器信號處理應用例如雷達，聲納，自動目標識別以及信號智能等高性能數(shù)據傳輸扮演越來越重要的角色。SRIO綜合了許多的重要特性，使它比PCI Express和以太網更適合組建大量的處理器間通信的大型多處理器系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的StarFabric或者Race++連接技術構造系統(tǒng)設計師們發(fā)現(xiàn)，他們的下一代產品如果使用基于SRIO產品開發(fā)會很容易成功。SRIO特性包括：
每組包括一個發(fā)差分兒送及一個接收差分兒（稱為一個信道）1.25,2.5,或者3.125 Gb/s信號速率，每個信道單方向最高可以到312.5 Mbytes/s
每個SRIO口可以有一個或者四個信道， 每個口單方向最高的理論數(shù)據速度為1.25Gbytes/s
8B/10B編碼以，端對端封包CRC校驗
四級優(yōu)先權
采用消息和門鈴方式進行有效的處理器間通信。用于高可靠應用的冗余路由。
SRIO在建立多處理器系統(tǒng)時，與同類產品相比較有很多不同。SRIO為點對點通信設計，支持尋址模型，支持消息傳輸?shù)确绞酱_保高效、快速的數(shù)據傳輸。串行RapidIO系統(tǒng)可以構造任意拓撲結構，這對構建變化多端的數(shù)據流DSP系統(tǒng)是非常重要的。
最近軍事及航空信號處理市場最重要的變化是VPX模塊格式的引入。VPX格式協(xié)議（包含VITA 46及附件VPXREDI/ VITA 48）利用現(xiàn)代高速串行接口的性能，建立了一個新的COST標準。VSO組織標準定義了VME-以及cPCI-兼容的3U-和6U-尺寸模型，使用當今高速串行網絡比如說SRIO的信號速度的現(xiàn)代背板連接器。VPX標準基于“核心網絡”連接器的概念，充當板間通信媒介，也就是我們常說的“交換串行背板”。在VPX中，核心網絡包含4個四信道 SRIO口。在SRIO 3.125 Gb/s的信號速率時，VPX板可以訪問5 Gbytes/s發(fā)送和5 Gbytes/s接收，總共10 Gbytes/s的通信帶寬。當前，幾個領先的嵌入式廠商包括Curtiss-Wright已經發(fā)布基于SRIO連接的VPX產品。標準的6U格式，參看圖3
PCIe接口普遍應用于商用桌面電腦，筆記本及服務器中。在大量PC應用中，PCIe的普及有助于降低PCIe交換芯片和PCIe外圍設備的成本。尤其最近，PCIe開始移植到先進的單板計算機和數(shù)字信號處理器模塊中，部署于軍用及航空應用設計中。由于在PC市場的普及，使得低成本成為優(yōu)勢，技術上說，PCIe確實是一種先進的連接技術。它的主要特性包括：
點對點通信：每個鏈接（點對點連接）可由1，2，4，8，16，或者32信道組成。
每個lane由一個傳輸和一個接收對兒組成，發(fā)信為2.5Gband，理論上數(shù)據速率為每信道每方向250Mbytes/s，或8信道總合數(shù)據速率為4 Gbytes/s。
每個數(shù)據位采用8B/10B編碼和每個信息包端對端CRC提供充分的錯誤校驗。
它的信息包承認協(xié)議，在錯誤時自動重發(fā)，提供端對端可靠數(shù)據傳輸不需要軟件控制。
數(shù)據流劃分優(yōu)先次序
它的物理層強制位不規(guī)則性來降低EMI（消除長序列1或者0，目的是消除長電平，強制方波）
它的電信號層采用了pre-emphasis/de-emphasis來優(yōu)化信號完整性，允許低印刷電路和接頭原料成本
商業(yè)PC市場出現(xiàn)了基于PCIe的各種各樣的板子，這些基于PCIe的模塊的標準包括：
標準桌面PC的PCI Express卡
ExpressCard模塊將替代現(xiàn)今的PCMCIA。
PICMG 3.4 (PCIe on AdvancedTCA)
PICMG EXP.0 (CompactPCI Express)
PICMG AMC.1 (PCIe on Advanced Mezzanine Card)
EPIC Express標準，來自PC/104 Consortium
由VITA標準組織(VSO)定義的，廣泛應用于嵌入式軍事/航空領域中，基于PCIe的模塊標準，以前發(fā)布了幾個版本。包括先前提及的VPX和VITA 42。VITA 42（也稱為VMC“交換Mezzanine卡”）是廣泛應用在VME和CompactPCI PMC格式的擴展。VITA42通過在模塊上增加兩個高速接頭，擴展了最初的PMC協(xié)議，VITA42.3補充協(xié)議定義了PCIe到新的XMC接頭的映射。這樣，兼容VITA42.3-主卡和mezzanine卡可以通過PCIe進行多個gigabyte/s交換數(shù)據，VITA42 可以應用于諸如高解析度圖像引擎和G sample/秒模擬的數(shù)據采集模塊等高級應用。
新的VPX模塊標準同樣采用了PCIe。圖4是代表性的VPX模塊，圖解了Tyco Multigig RT2背板接頭和兩個VITA XMC插槽。
如今國防和航空系統(tǒng)設計師們在選擇他們下一代DSP系統(tǒng)結構時有著很多的選擇。DSP和通用處理器市場充斥著各種構架的處理器，包括MIPs, X86, ARM和Power構架等產品，他們擁有不同的性能、功率和價格。在眾多選擇中，Power構架成為了能滿足軍用航空系統(tǒng)需求的少數(shù)處理器之一。為什么這個90年代初才引入的構架能一直牢牢把握這個特殊市場呢？他未來還能一直領導這個市場嗎？Power構架的演變過程瞄準嵌入式應用，一直保持低功率、高性能的特點。該構架還將繼續(xù)演變，以適應未來更復雜的應用。
最初的PowerPC構架是由蘋果，IBM和摩托羅拉公司共同研制的，他針對IBM公司的RISC(Power)構架處理器進行了優(yōu)化和增強。雖然最早的PowerPC構架針對桌面系統(tǒng)，但是他優(yōu)化了指令系統(tǒng)結構（ISAs），使其適用不同的應用。Book E是其ISA指令集之一，他是針對嵌入式市場設計的指令集。他只包括一條Book，性能和功耗在嵌入式應用市場是同樣的重要，該指令集很好的平衡了這兩者，使處理器能夠應用到A&D系統(tǒng)。從那時起，向量處理和電源管理的創(chuàng)新使得PowerPC構架又演化成Power構架，嵌入式系統(tǒng)設計師能夠平衡性能和功率因素。
AltVec單指令多數(shù)據（SIMD）指令集是重要改進之一，并最終使其演化成Power構架。這個擴展功能于1999年引入，AltVec作為MPC74xx處理器的一部分，蘋果公司的G4 Macintosh系列電腦采用了這款處理器。這個革命也為DSP世界帶來了突破，用戶除了專用DSP芯片有更多的選擇，因為AltVec技術使得處理器內核進行向量處理。許多軍事應用要求支持浮點運算，AltiVec技術可以提供，因為富電源算比定點運算效率更高，但一般需要額外的硬件。軍事和航空應用不像一般的電子應用對成本非常敏感，這些應用對執(zhí)行效率和支持浮點運算提出更高的要求。有趣的是直到Power.Org官方將AltiVec寫進ISA2.0.3發(fā)布版本，在這之前他從來就沒有作為PowerPC構架的一部分。
表一
今天，對于很多航空和國防DSP應用，AltVec技術都是一種標準的實現(xiàn)方法。他支持多種實時操作系統(tǒng)。專用DSP芯片由于不支持標準的實時操作系統(tǒng)，采用專用DSP芯片比Power構架技術編程更加困難。Power構架允許系統(tǒng)集成師利用大量的第三方供應商提供的高級的工具。
Power構架另外一個重要的優(yōu)點是低功耗。隨著需求的增長，要求在VME和VPX系統(tǒng)中有限空間內部署更多的處理器，Power構架技術開發(fā)商開始在一個芯片內集成更多的處理器內核。例如Freescalse的 MPC8641D雙核處理器就是這樣的處理器。雙核處理器可以釋放出雙倍的性能，但與兩個單核處理器比較卻降低了電源消耗。將更多的功能集成到一個芯片，板子上芯片數(shù)量降低從而提高了可靠性和性能。這也節(jié)約了板子空間，要知道班子空間對軍事和航空設計師是非常重要的。另外，這樣可以解決更高級的系統(tǒng)功率，因為單個芯片更強大，集成更多的功能。
Power構架技術在不斷的演化，滿足SwaP（空間，重量和功率）日益增長的需求，適應雷達和信號處理等應用。我們可以發(fā)現(xiàn)Power構架技術關鍵的改進在于包含多個內存控制器。這些內置的內存控制器，降低了傳輸延遲，增加內存總線的帶寬，從而提高了系統(tǒng)的速度。這在大量消耗DRAM開款的DSP系統(tǒng)中非常重要，因為這樣的系統(tǒng)總是頻繁的從DRAM中讀數(shù)據，處理大量的輸入數(shù)據。當高性能內核等待從內存讀取輸入數(shù)據時是不工作的，此時沒有處理數(shù)據的能力。例如，Curtiss-Wright公司的CHAMP-AV4 VME DSP引擎使用Power構架技術的MPC7448處理器。采用Marvell Discovery III內存橋片，驅動125MHz DDR內存接口，峰值2GB/s。最新的CHAMP-AV6 VPX DSP引擎使用DDR2內存，以兩倍速度運行，并且擁有兩個bank（Discovery III一個），這樣內存速度提高了4倍。
隨著應用需求的不斷變化，圖像處理系統(tǒng)需要龐大的、可升級的多處理器系統(tǒng)。Power構架技術與x86構架處理器比較最大的優(yōu)點在于內置支持Serial RapidIO互聯(lián)技術。Serial RapidIO互聯(lián)不像GbE和PCIe互聯(lián)，他可以組建仲裁拓撲網絡。Serial RapidIO使用終端和交換模式，是一種真正的點到點多處理網絡技術。終端是處理器自己，他通過鏈接一個或多個Serial RapidIO交換器與其他終端通信。這些終端和交換器共同構成Serial RapidIO網絡或互聯(lián)。
Serial RapidIO不像其他互聯(lián)技術，他不要求使用專門的拓撲結構，這是非常靈活的，能夠組建很大的系統(tǒng)，最多可達65536個節(jié)點，這遠遠超出絕大多數(shù)COST系統(tǒng)需求。在多處理器應用中，理想的假定是系統(tǒng)中的處理器高速、平等的彼此互聯(lián)，沒有一個處理器具有特殊屬性，不像PCI/PCI Express系統(tǒng)，有一個處理器作為根節(jié)點。MPC8641D的Serial RapidIO接口和支持Serial RapidIO的交換芯片，使得板子設計師采用新VPX(VITA46)標準發(fā)揮帶寬優(yōu)勢。
