STANDARD VXI — VME eXtention for Instrumentation

STANDARD VXI — VME eXtention for Instrumentation

'
STANDARD VXI — VME eXtention
for Instrumentation
$
Magistrala VXI powstała z magistrali
komputerowej VME i pomiarowej GPIB. Bez
znajomości VME zrozumienie VXI jest
niemożliwe. Dlatego przyjrzymy się ewolucji VXI z
VME i przyczynom powstania nowego standardu.
P
O
GPIB → VXI
P
T
O
T
Przedstawimy problemy dotyczące kasety, płyty
bazowej i urządzeń VXI. Typy urządzeń, jakie
mogą być stosowane w VXI odzwierciedlają długą
historię rozwoju komputerów i przyrządów ze sobą
“rozmawiających”. Omówimy zatem adresowanie
i protokóły VXI. Na koniec spróbujemy ocenić
pozycję VXI wśród innych standardów.
&
SPOM.A
VXI–1
%
'
VMEbus: VersaBus Modular European
$
VME definiuje dwa wymiary płytek, złącza,
kontakty i płytę bazową z:
•
32-bitową szyną do przysyłania danych
•
32-bitową szyną do adresowania
•
4-ro priorytetową szyną arbitrażu
•
7-mio priorytetową szyną przerwań
•
napięciami zasilającymi
VXI jest rozszerzeniem VME, mającym na myśli
problemy pomiarowe. Stąd historia VME stanowi
istotną część historii VXI. VME było wspólnym
wysiłkiem projektowym Motoroli, Signetcsa i
Mosteka, bazującym na magistrali VersaBus
(mikro Motorola 68000) i standardzie Eurocard.
VME, począwszy od premiery w 1981, stale
zwiększa zakres zastosowań wśród producentów
sprzętu elektronicznego (szczególnie dla potrzeb
wojska). Obecnie jest standardem uznanym przez
IEEE i IEC.
&
SPOM.A
VXI–2
%
'
$
Istota µC MC68000
MC6800 6= MC68000 ≃ PDP11
Dzięki magistrali VersaBus’79 uzyskano:
Zwiększenie przestrzeni adresowej daleko
ponad dotychczasowe 64 Kbajty
Wieloprocesorowość (arbitraż, przerwania)
Niemultipleksowane, asynchroniczne
przesłania z kontrolą czasu ich trwania
Rozdzielenie sprzętowe kodu SO od kodu
użytkownika (programu aplikacyjnego)
Program
użytkownika
stos użytkownika
Kod
użytkownika
IRQ
RTE
Program
sys. op.
stos sys. op.
Kod
sys. op.
&
SPOM.A
%
VXI–3
'
$
&
%
Koncepcja szyny z płytą bazową (DTB)
SPOM.A
VXI–4
'
Szyna arbitrażu (wianek)
ARBITER
(kieszeń #1)
MASTER A
(kieszeń #2)
$
MASTER B
(kieszeń #3)
DTB wolna. Master B żąda dostępu do DTB
przez ustawienie BR3*. Czeka na decyzję z
kieszeni #1. Arbiter przydziela DTB przez
ustawienie BG3OUT*. Master A pozwala na
przejście sygnału, bo nie żąda dostępu do DTB.
Master B ustawia BBSY* i “zagrabia” DTB.
DTB zajęta. Priorytet arbitrażu (numer linii a
kieszeni, upadek sieci, brak modułu).
&
SPOM.A
VXI–5
%
'
Podsumowanie szyny VME
&
SPOM.A
$
%
VXI–6
'
$
Zalety magistrali VME
•
Szybka (40 Mbajtów/sek,) osobne szyny
adresów i danych, asynchroniczna z kontrolą
czasu przesłań (DTACK* lub BERR*)
•
W systemach wieloprocesorowych, cztery
poziomy arbitrażu, pozwalają na
przekazywanie kontroli nad przesłaniami
różnym modułom typu master
•
Siedem poziomów przerwań ułatwia obsługę
urządzeń WE-WY
•
Wspólna przestrzeń adresowa (A16, A24,
A32) dla zainstalowanych modułów
•
Akceptuje mikro D08, D16 i D32-bitowe
Podsumowując, magistrala VME jest doskonałym
narzędziem do konstrukcji systemów
komputerowych. Jej aplikacja w MC 68000
rozdziela sprzętowo kod (program) so od kodu
(programu) użytkownika (dwa stosy).
&
SPOM.A
VXI–7
%
'
“Pomiarowe” wady VME
•
Zbyt małe i zbyt ciasno umieszczane moduły
słabo przystają do precyzyjnych układów
analogowych (zakłócenia)
•
Zdecydowanie za mało napięć zasilających
•
Brak specyfikacji chłodzenia i
kompatybilności elektromagnetycznej
•
Brak precyzyjnej skali czasu (wyzwalanie,
synchronizacja)
•
Brak ścieżek do przesyłania sygnałów
analogowych
•
VME reprezentuje memory-maped I/O
architecture, co oznacza programowanie na
poziomie rejestrowym za pomocą instrukcji
czytaj lub zapisz.
Brak protokołów adresowania przyrządów
oraz protokołów komunikacyjnych (przesłań),
czyli mechanizmów, o których użytkownicy
GPIB nawet już nie myślą.
&
$
•
SPOM.A
VXI–8
%
'
$
Historia VXI
ANSI — American National Standards Institute
CDS — Colorado Data Systems
IEC — International Electrotechnical Commission
IEEE — Inst. of Electrical & Electronics Engineers
MATE — Military Automated Test Equipment
VME — Versatile Backplane Bus
&
SPOM.A
VXI–9
%
'
$
VXI jest rodziną płytek: A i B (VME) oraz C i D
(Eurokarta). Odstęp pomiędzy C i D zwiększono
o 50% (ekranowanie i/lub budowanie pakietów
wielopłytkowych). 96-cio kontaktowe złącza P1 i
P2 pozostawiono bez zmian, ale inaczej niż w
VME, każdy ich kontakt jest zdefiniowany —
podobnie jak i w dodatkowym złączu P3. Dodano
zasoby potrzebne w pomiarach: wyzwalania TTL i
ECL, identyfikację modułów, ścieżki dla sygnałów
analogowych, dodatkowe napięcia i masy, itp.
&
%
Podstawy koncepcji magistrali VXI
SPOM.A
VXI–10
'
$
Złącza VXI
P1 jest jedynym obligatoryjnym złączem VME i
VXI (A24, D16)
Dobrodziejstwa świadczone przez VXI
integratorowi SPOM są wielorakie i nieobecne w
tradycyjnych systemach GPIB: kompatybilność
wymiaru karty i kasety, szybkie przesyłanie
danych, szybsza komunikacja międzymodułowa,
synchronizacja modułu, kmpatybilność
elektromagnetyczna i mocowa.
Większość przyrządów jest i będzie dostępna na
kartach C.
&
SPOM.A
VXI–11
%
'
$
Kasety VXI
Kieszeń 0 w kasetach VXI jest szczególna i różni
się od pozostałych. Dostarcza sygnały standardu
VXI: zegarowe, identyfikacji i wyzwalania. Jest
także odpowiedzialna za ważne funkcje standardu
VME: nadzoru nad czasem przesłań, arbitrażu i
potwierdzenia przerwań.
Implementacja wymienionych sygnałów i funkcji
nie konsumuje zwykle całej dostępnej przestrzeni
kieszeni 0. Dlatego znajdują się w niej dodatkowo:
albo komputer, albo sterownik, albo interfejs.
&
SPOM.A
%
VXI–12
'
Architektura magistrali VXI/B i VXI/C
$
P2 rozszerza DTB do pełnych 32 bitów;
P2 dodaje następujące zasoby:
cztery napięcia zasilające,
szynę lokalną,
gwiazdę do identyfikacji modułów,
szynę sumy analogowej,
szynę wyzwalania TTL,
szynę wyzwalania ECL,
gwiazdę buforowanego zegara 10MHz.
&
SPOM.A
VXI–13
%
'
$
&
%
Dystrybucja CLK10, MODID i LBUS
SPOM.A
VXI–14
'
Inne ważne uzgodnienia
$
1) Rozpraszanie mocy przez moduł a zdolności
chłodzące kasety
2) Pobór mocy przez moduł a wydajność
prądowa zasilacza kasety w warunkach
obciążeń statycznych
3) Pobór mocy przez moduł a wydajność
prądowa zasilacza kasety w warunkach
obciążeń dynamicznych
4) Klasy sygnałów szyny lokalnej a klucze
modułów
5) Tryby pracy szyny lokalnej
6) Kompatybilność elektromagnetyczna
7) Specjalne funkcje kieszeni zerowej:
zarządzanie płytą bazową (podobnie jak
kieszeń 1 w VME ale znacznie rozszerzone),
zarządzanie zasobami (konfiguracja modułów
po włączeniu zasilania)
8) Typy legalnych urządzeń
&
SPOM.A
%
VXI–15
'
$
Urządzenie VXI
Urządzenie VXI jest składnikiem systemu
magistrali VXI o unikalnym adresie logicznym.
Maksimum takich adresów może być 256.
Przykładem urządzenia może być: woltomierz,
licznik, generator sygnałowy, itp.
Urządzenie VXI nie jest koniecznie tym, co widać.
Możliwa jest obecność wielu urządzeń w jednej
kieszeni jak i jednego urządzenia okupującego
wiele kieszeni. Urządzenie 6= kieszeń.
Istnieją cztery typy urządzeń VXI: rejestrowe
(UR), pamięć, rozszerzone, komunikatowe (UK).
UR jest ”niemym dzieckiem” VME. Pamięć jest
specjalizowanym UR o bardzo regularnej
strukturze. O urządzeniu rozszerzonym można
myśleć jako o odskoczni do przyszłości. UK jest
”inteligentnym dzieckiem” 488.2.
Rejestry obligatoryjne i ich alokacja w przestrzeni
adresowej.
Rozgrywający/dziadek a przełożony/podwładny
&
SPOM.A
VXI–16
%
'
Zasadnicze pojęcia VXI
$
PRZEŁOŻONY — urządzenie, które może
posiadać inne urządzenia
PODWŁADNY — urządzenie, które znajduje
się w posiadaniu przełożonego
6= MASTER, SLAVE
Przełożony jest urządzeniem komunikatowym
(UK), które może POSIADAĆ inne urządzenia,
natomiast podwładny może być zarówno UK jak i
urządzeniem rejestrowym (UR) znajdującym się w
POSIADANIU jakiegoś innego UK.
Przełożoni i podwładni są urządzeniami VXI. Nie
są one jednak identyczne z obecną w VME
koncepcją master i slave, która oznacza zdolność
do sterowania przesyłaniem danych po magistrli.
Przełożony wyposażony jest zawsze w funkcje
master i slave. Podwładny jest zawsze
wyposażony w funkcje slave ale może także
posiadać funkcję master.
&
SPOM.A
VXI–17
%
'
$
Ewolucja SPOM
Klasyczny, wolnostojący przyrząd pomiarowy był
projektowany z myślą o współpracy z operatorem.
Płyta czołowa z przyciskami, wskaźnikami,
pokrętłami stanowiła interfejs pasujący do
psychomoterycznych możliwości człowieka.
Ta gruba strzałka, w sposób umowny, określa
funkcje przyrządu pomiarowego.
&
SPOM.A
VXI–18
%
'
Ewolucja SPOM — cd1
Próbując komunikować się z komputerem,
korzystaliśmy z rejestrów do pamiętania danych,
które były z zaklepaniem przesyłane do i z
komputera. Binaria przesyłane magistralą miały
format bajtów lub słów a ich znaczenie było
interpretowane przez wewnętrzną logikę
przyrządu. Często potrzebny był programowy
drajwer, który był ładowany i linkowany na etapie
kompilacji. Wszystko to nie było przyjazne dla
operatora, mimo szybkiej pracy systemu.
Przyrządy były jednak widoczne na jednej
magistrali i jednocześnie pracowały pod tym
samym programem sterującym. Takie rozwiązanie
możemy nazwać przyrządami opartymi o rejestry.
&
SPOM.A
VXI–19
$
%
'
Ewolucja SPOM — cd2
$
Przyjazny interpreter, brak
ładowania i linkowania,
B. samodzielny, modularny,
Elegancki system interfejsu
W końcu, dzięki µP, komputer zadomowił się w
samym przyrządzie a jego drajwer rezydował w
pamięci typu RAM lub ROM (firmware). Dzięki
temu z przyrządem można było efektywnie
kontaktować się za pomocą komend o prostej i
zrozumiałej dla operatora składni, np.: “Close
101–105”, lub “Meas 101”, lub “FREQ 1000”. W
pomiarach takie komendy nazywamy
komunikatami (ciągi znaków ASCII) i dlatego
akceptujące je przyrządy są nazywane
komunikatowymi.
&
SPOM.A
VXI–20
%
'
Ewolucja SPOM — cd3
Mimo popularności konfiguracji z poprzedniego
przeźrocza, użytkownicy zaczeli domagać się
większej niezależności dla przyrządów —
włączając w to możliwość sterowania przez nie,
za pomocą GPIB, innych przyrządów. Chodziło o
budowanie hierarchicznych systemów o
rozproszonej “inteligencji”. Odpowiednio
oprogramowany przyrząd “przełożony” zarządzał
przyrządami “podwładnymi”. Zauważmy, że do
realizacji tego pomysłu potrzebne były
przynajmniej trzy oddzielne magistrale.
&
SPOM.A
VXI–21
$
%
'
Ewolucja SPOM — cd4: VXI
$
Pamięć
Przełożony
przyrząd komunikatowy
Przyrząd komunikatowy
Przyrząd rejestrowy
Dzisiaj, standard VXI dostarcza nam architekturę,
w której wszystkie magistrale są jawne (otwarte) i
dostępne dla użytkownika. Fleksyjność hierarchii z
nawiązką pokrywa wymagania współczesnych
systemów pomiarowych, np.:
&
proste CPU =⇒ PR
CPU =⇒ Przełożony =⇒ PK
CPU =⇒ PK i/lub PR
SPOM.A
VXI–22
%
'
Kilka możliwych konfiguracji
Jeśli przypomnimy sobie architekturę z
poprzednich przeźroczy, to łatwo zauważymy, że
możemy zorganizować każdą z typowych
zalężności pomiędzy CPU a przyrządami. Jednak
teraz wszystkie magistrale są jawne (otwarte) i
dostępne dla użytkownika.
&
SPOM.A
VXI–23
$
%
'
Adresowanie urządzeń VXI
&
SPOM.A
$
%
VXI–24
'
Adresowanie urządzeń VXI — cd1
$
Rozsądną koncepcją jest rozszerzenie adresowania
znanego z techniki adresowania urządzeń GPIB.
Fizyczny adres urządzenia VXI jest ustalany za
pomocą 8 bitowego przełącznika. Stąd możliwych
jest 256 adresów VXI. Zwykle producenci
wykorzystują górne 5 bitów (32 kombinacje) do
adresowania urządzeń VXI (rejestrowych,
komunikatowych, przełożonych) i traktują ten
kod jako adres wtórny GPIB. Pozostałe 3 bity
(osiem kombinacji) są zarezerwowane do
adresowania urządzeń podwładnych, będących w
zakresie kompetencji urządzenia przełożonego.
Dlatego gawędzenie do urządzeń
GPIB =⇒ OUTPUT 709;“FREQ 1000”, czy
VXI =⇒ OUTPUT 70903;“FREQ 1000”
wygląda bardzo podobnie.
Pamiętajmy, że wprawdzie urządzenie podwładne
jest najczęściej typu rejestrowego, to może być
jednak również urządzeniem komunikatowym a
nawet przełożonym (fleksyjna hierarchia)!
&
SPOM.A
VXI–25
%
'
$
&
%
Podsystem komend SCPI dla VXI
(konfiguracyjnych)
SPOM.A
VXI–26
'
$
Prekompilator SCPI
&
SPOM.A
%
VXI–27
'
$
&
%
Interfejs urządzenia rejestrowego
SPOM.A
VXI–28
'
Przykład systemu VXI
System skonfigurowano do pomiaru opóźnienia
grupowego KoDeka TLC320AC01 (8). Kasetę
VXI wyposażono w: 20 MHz tester D20 układów
cyfrowych (5), woltomierz cyfrowy (6) i sterownik
osadzony (4). Woltomierz jest UK gawędzącym z
komputerem (1) na poziomie komend SCPI (7).
Natomiast tester D20 jest UR, podwładnym
sterownika osadzonego, w którym rezyduje
drajwer tłumaczący SCPI na binaria. Ze względu
na skomplikowaną strukturę testera D20 dostępny
jest także jego drajwer graficzny (2 i 3).
&
SPOM.A
VXI–29
$
%
'
$
&
%
Analogowy interfejs dla kanału PCM
SPOM.A
VXI–30
'
Porównanie rozmiarów
&
SPOM.A
$
%
VXI–31
'
$
Adresy
&
SPOM.A
%
VXI–32
'
Zalety magistrali VXI dla SPOM
•
Podobne do GPIB (to znaczy łatwe)
adresowanie JF (8-mio bitowy adres logiczny)
•
Przejrzysta komunikacja pomiędzy JF (WSP,
priorytetowy arbitraż)
•
Większa potencjalnie szybkość działania
SPOM (brak multipleksowania szyny danych
i adresów)
•
Redukcja wymiarów SPOM (militarne IAC)
•
Redukcja kosztów oprogramowania
(standardowa inicjalizacja, priorytetowe
przerwania sprzętowe)
•
Otwartość na konfigurowanie (nawet
dynamiczne) systemów hierarchicznych
(przełożony/podwładny)
Przyjazna koncepcji przyrządów wirtualnych
(szyna lokalna, gigabajtowa wspólna
przestrzeń adresowa)
&
$
•
SPOM.A
VXI–33
%