用于系統中各種板卡間連接的
總線種類繁多。如從過去廣泛使用的VME派生出來的工業總線、連接主板和擴充卡的PCI-104，把用于板卡上芯片間高速連接的PCI類總線應用于板卡間的Compact PCI以及其擴展型等。本站將從今天起連載有關板卡間連接的各種總線特征和技術應用動態。
VME、VXS、VPX、VXI——從最初的標準出臺歷經20多年時光
過去，作為板卡間的連接總線被廣泛采用的代表當屬VME。VME是“Versa Module European”的縮寫。其基礎是美國摩托羅拉半導體公司（現在的飛思卡爾半導體公司）的“MC68000”處理器使用的Versa。VME在1986年被IEC標準化成“IEC821”，1987年又被IEEE制定成“IEEE1014-87”標準，具體內容可通過這兩個標準化團體獲得。另外也可以通過VME的普及團體“VITA（VME International Trade Associations）”購買*1。
圖1VME基本構造
VME由控制總線整體的總線仲裁器、實施發送數據的主方和接受數據的從方組成
VME的基本構造本身是比較簡單的并行總線（圖1）。協議也非常簡單。其基本原理是：設置控制總線整體的總線仲裁器，當想傳送據的設備(主方)向控制器發出請求并獲得總線權限之后，就可以開始發送數據，傳送對象（從方）開始接收數據。
VME有以下特點：
（1）數據傳送采用非同步方式。因此，即使是訪問速度不同的主/從設備混雜在一起，也可以進行通信。
（2）主方設備最多可以容許20個。多個主方設備同時發出傳送請求時，用于進程調度的PRI（優先權）、RRS（循環選擇）、SGL（單級）3種調整機構開始輔助工作。
（3）提供有7種中斷請求級別（IRQ1～IRQ7）
可見，與PCI相比，可連接的設備要多得多。
而且，VME從最初的標準化以來，已經歷經了20多年的時光，其間追加了許多功能。當初的VME設想的只是地址/數據合計最大32bit的規格（VME32），1994年擴展至64bit的規格（VME64）誕生。另外，還推出了追加支持SKYchannel/SCSA/M-Module/BusNet/CCPMC/Myrinet等對應系統化的擴展規格，以及支持Gbit Ethernet/PCI/PCIX/Infiniband/PCI Express/RapidIO等其它總線規格的擴展規格。可以說，已經逐步發展成為“什么都支持”的規格了。
之所以VME具有上述各種支持功能，原因就是VME與其說是單純總線，倒不如說是具有在機箱中嵌入多個板卡、構成系統的系統底座（System Enclosure）特點。VME中使用的板卡原為單高度（VME A:100mm×160mm）和雙高度（VME B:233.35mm ×160mm）2種尺寸。其根源是因為沿用了Eurocard的3U/6U規格。連接器的形狀也采用了類似Eurocard的規定，端子數量富有余量，同時由于板卡尺寸也比較大，所以容易導入新技術。為此，可以說VME具備了系統底座的特點。
而且，由于支持VME的底架（chassis）廣泛普及，已經成為事實上的標準，這一點也不容忽視。雖然面向個人電腦等家庭用途來說底架的尺寸稍大一些，但面向工廠和現場等的控制/測量設備或者實驗室、計算機室等設備來說則底架尺寸適中。實際上，由于可以插接20枚VME板卡的底架可以原封不動地裝入19英寸的機箱，使用起來非常方便。結果就出現了即便到現在仍有遵循VME總線的新產品不斷被推出的現象。（未完待續，特約撰稿人大原 雄介）
*1 VITA的網站為http://www.vita.com/index.php
曾經的絕對主角，速度上相形見絀
雖說VME使用方便，但現在看來VME的性能也只是差強人意。盡管非同步傳送在構造上確實很靈活，但要想提高性能卻非常麻煩。雖然VME32的速度可以達到約40MB/秒，VME64為約80MB/秒，這一數值過去也許還能湊合，但現在卻已經無法讓人滿意。各開發商很早也都注意到了這一問題，并采取了各種各樣的改進措施。比如，后來就推出了VME320和VXS等高速規格。
上世紀九十年代前半期，被稱為FutureBus+的VME后續規格被人們寄予厚望。該規格最早是被稱作MultiBus/S-100Bus，在某種意義上類似VME的背板規格，其后續規格就是FutureBus。FutureBus后來被標準化為“IEEE896.1-1987”。FutureBus+就是在FutureBus的基礎上由VITA等多家組織共同開發出來的。FutureBus+作為“IEEE896.2-1991”其基本部分首先實現了標準化，之后又增加了幾項追加指標。VITA就是以FutureBus+為基礎制訂了VFEA（VME bus & FutureBus+ Extended Architecture）標準，但由于關鍵的FutureBus+應用因為多種原因陷于困境，VFEA也未能普及開來。
為此，VITA決定獨自推廣VME。首先在1997年，VITA演示了名為VME320的規格。它是以VME32為基礎實現了320MB/秒速度的規格。以此為契機，名為VME 2eSST（雙倍源同步傳輸，two-edge, source sunchronous data transfer)的規格正式出臺。這種規格將數據傳送改為同步傳輸，利用選通信號（Strobe Signal）的兩個邊沿來傳送（即DDR），成功地大幅提高了傳輸速度。
以VME為基礎、利用高速骨干網
與上述方法不同，在保持VME基本系統不變的同時提高性能的方法也被開發出來。其中最有名的就是被稱作VXS（VMEbus交換式串行，VME-bus Switched Serial）規格。VXS定義了連接現有VME模塊和各種交換結構（Switch Fabric）的橋接模塊，使用這一模塊與外部高速交換連接（圖2）。在與原有的VME對應總線模塊（Legacy）通信的同時，根據需要還可以與外部機構（Fabric）進行通信。這樣就可以在維持VME的基礎上同時利用高速骨干網。
圖2VXS的基本構造
既能和遵循VME的模塊通信，又可以根據需要和外部機構（Fabric）通信。由此雖然以VME為基礎但卻能夠用于高速骨干網
VXS首先制訂了Base Specification（VXS.0）和InfiniBand對應（VXS.1）、Serial RapidIO對應（VXS.2）、Live Insertion（VMS.10）的四個暫時標準。GbE/10GbE對應（VXS.3/VXS.6）、PCI Express對應（VXS.4）、Aurora對應（VXS.5）、Redundant Processor Mesh（VXS.7）和Rear Transition Module（VXS.11）正在面向制定標準進行草案的審議。
另外，ANSI則提出了采用全新接頭形狀，能夠進行更高速度數據傳送的新規格VPX方案。最初只有VME32/64，但一開始就考慮了與Serial RapidIO、PCI Express和以太網的連接。進一步強化性能后名為VPX REDI（The Ruggedized Enhanced Design Implementation）的擴展規格也在討論之中。VPX/VPX REDI的目標是應用于航空電子設備等需要高可靠性和需要高強度機械/電氣性能的用途，可以說是面向特定領域的特殊擴展。
面向
測量儀器擴展的VXI
除此之外，還出現了以VME為基礎、面向測量儀器的接口規格。這就是VXI（VMEbus Extensions for Instrumentation）。這一規格目前由名為“VXI Bus Consortium”的組織管理，之前由美國惠普和美國泰克等測量儀器廠商為主制定。相關標準等可能通過VXI Bus Consortium的網站下載*注2。
VXI的基本通信協議等與VME一樣。硬件方面的區別有以下三點：
（1）板卡尺寸：VME支持A/B 2種尺寸，而VXI在VME的基礎上又增加了C/D 2種尺寸，共計定義了4種尺寸（圖3）。
（2）追加P3了接頭：P1/P2在保持與VME的兼容性的同時，在P3追加了高速信號線。理論上甚至可進行1Gbit/秒的傳送。另外，P3還追加了同步通信用的100MHz時鐘。
（3）1套系統最多可追加256臺設備。
圖3定義了四種板卡尺寸的VXI
VXI提供A、B、C、D四種尺寸
軟件方面也做了大幅擴展。其特征是“IEEE-488”，即與GPIB的高親和性。在此之前GPIB已經廣泛應用于
測量儀器的連接，VXI考慮通過軟件來實現與GPIB的聯動。從VXI的通信層來看，除了可以直接通過自主協議訪問VXI外，還備有Communication Register和Word Serial Register層（圖4）。應用設備通過使用這些層，可以作為Shared Memory或者GPIB兼容設備訪問VXI支持設備。
圖4VXI的通信層
VXI定義了Communication Register和Word Serial Register層。使用這些層除了可以直接通過自主協議訪問VXI外，還可以作為Shared Memory或者GPIB兼容設備訪問VXI支持設備
目前VXI最新的標準是2003年11月亮相的“Revision 3.0”。盡管VME所支持的2eSST也增加到了Revision 3.0中，但不可否認與VITA推動的各種VME擴展版相比，VXI給人以停滯感。另外，檢測VXI支持設備間相互連接性的VXI plug&play Systems Alliance在2000年之后也處于很少有新動向的狀態*注3。這也許是因為VXI本來就是專門面向測量儀器的規格的緣故吧。除了被人認為難以應用于普通的用途以外，測量儀器使用的板卡之間的連接連接總線近來也開始由VXI向PXI過渡，VXI的需求并不多則是事實。
PC/104、PC/104-Plus、PCI-104——廣泛應用于子板的層疊用途
在規模較小的用途，比如說在主板上層疊子板的相互連接中普遍使用的子板的內部接口是PC/104。這一規格為1992年由業內12家公司聯合制定。現在由“PC/104 Embedded Consortium”管理。PC/104以及之后的PC/104-Plus、PCI-104、EBX、EPIC等規格均為開放標準，可通過PC/104 Embedded Consortium的Web網站免費獲得*注4。
PC/104的基本思路是“實現ISA的無背板使用”。具體而言就是在板卡的正面設計接頭的插口、在背面設計接頭的插頭，在通過分隔層層疊時，通過在同樣位置配備接頭來實現ISA總線的共享（圖5）。接頭形狀方面，只支持8bit的為64端子，同時支持8bit和16bit的為104端子（圖6）。PC/104這一名稱就來源于104端子。
制定PC/104的1992年，當時ISA的應用還非常廣泛。以ISA為基礎面向低端用途的XT（8bit）被廣泛使用，因此PC/104在規格制定的時候同時支持勒這兩種規格。常見的使用案例包括，把周邊電路和電源部分和在一起作為主板、在其上配備只有CPU的和子板；或者反過來把CPU、電源和基本輸入/出（I/O）電路集成到主板上，把擴展I/O作為子板等。與使用VME的情況相比，可構筑大幅節省空間的系統，因此PC/104得到了廣泛普及。
圖5PCI的板卡連接方法
在板卡正反面設置插頭和插座，通過分隔層相互層疊
圖6PCI的2種插座
PCI定義了只支持8bit的64端子和同時支持8bit和16bit的104端子兩種形狀
通過PCI實現高速化的PC/104-Plus
但是PC/104是以ISA為基礎的，所以實際傳送速度還不到10Mbit/秒，到了上世紀九十年代中期就讓人感到傳送能力不夠了。在此背景下，在ISA的基礎上采用PCI以進一步提高速度為目標制定的規格就是PC/104-Plus。該規格1997年公布了最初的標準。從接頭的形狀來看，在保留了原來PC/104用接頭的基礎上，追加了PCI總線用的120端子接頭，形成了PC/104模塊與PC/104-Plus模塊同時存在的形式（圖7）。
圖7PC/104模塊和其他模塊的層積示例
(a)為PC/104模塊和PC/104-Plus模塊混載的示意圖。(b)為PC/104模塊和PC/104-Plus模塊以及PCI-104模塊混載的示意圖。(a)(b)中非棧接的模塊相當于主板
過了2000年之后，ISA的需求不斷萎縮。于是，從PC/104-Plus中取消掉ISA的PCI-104亮相。PCI-104“只是”取消了104端子的ISA用街頭，從而只剩下120端子的連接器。
這些規格在電氣方面，和ISA或PCI完全一致，不同的只是連接器的機械形狀。因此，在硬件的開發中，軟件就可以通過安裝有ISA或PCI的個人電腦來進行開發。因此獲得了非常廣泛的應用，即使是現在仍然在使用之中。
對于主板（圖7（a）中的非棧接（Non Stack Through）型PC/104-Plus模塊，或者圖7（b）中的非堆棧（Non Stack）型PCI-104模塊的部分，各廠商如何開發出有各自特色的產品是重要的一點。因此，各種各樣的產品相繼推出，比如和個人電腦主板相互兼容的產品、以及采用獨特形狀形成ISA/PCI擴展卡形式的產品等。最近相當于主板的部分已經開始著手標準化。最有代表性的就是被稱為“EPIC（Embedded Platform for Industrial Computing）”的規格。該規格2006年公布了“Version 2.0”。其中，外形尺寸為115mm×165mm，分成I/O Zone和Tall CPU and Power Zone等區域，同時考慮了嵌入底盤使用時的冷卻等問題（圖8）。
圖8EPIC示意圖
遵循EPIC Version 2.0的板卡的特征是按照使用的領域分成I/O Zone和Tall CPU and Power Zone等區域
還有一個是被稱為“EBX（Embedded Board，eXpandable）”的規格，也在2005年公布了“Version 2.0”。EBX規定的外形尺寸為203mm×146mm，除了比EPIC稍大外，另一明顯特點就是分出了SIMM/DIMM Memory Zone、Video I/O Zone和PCMCIA SLOT Zone等區域。EBX瞄準的目標是信息家電類的平臺，在機頂盒等領域經常使用。
CompactPCI，CompactPCI Express和COM Express均為VME的板卡尺寸以及PCI的連接器
CompactPCI，CompactPCI Express和COM Express規格均由名為“PICMG（PCI Industrial Manufacturing Group）”的團體制定。PICMG顧名思義，就是由制造PCI元件廠商組成的團體，負責制定和推廣以PCI和PCI Express為基礎的標準接口。相關標準均可通過PICMG的網站下載*注5。
PICMG制定的板卡間連接總線規格為CompactPCI。簡單地概括CompactPCI就是“板卡尺寸與VME一樣，連接器為獨自的PCI”。VME在產業領域應用得非常廣泛，支持VME的底板也非常普遍。因此，CompactPCI在沿用VME底盤的同時，只將背板由Versa類型更換為PCI類型，以便使PCI能夠應用于產業設備。
為此CompactPCI與VME一樣也確定了3U（VME的單高度）和6U（VME的雙高度）2個種類。3U可以使用220端子、6U可以使用535端子的連接器。3U的220端子同時支持32bit和64bit PCI，6U則追加了可以用于其它用途的315端子。利用追加端子支持VME64信號的就是CompactPCI卡。
CompactPCI卡的電氣特性與PCI完全一樣。因此，PCI的限制同樣適用于CompactPCI。比如，1個CompactPCI背板最多只能連接8塊板卡。要連接更多板卡的話，與PCI一樣需要使用PCI-PCI總線橋。這樣就可以形成連接16/24/32塊板卡的構造。
CompactPCI本身相當于PCI的“Revision 2.2”。也就是說，還可以通過5V的電信號*注6。工作速度支持33MHz/66MHz中的任何一種。面向產業設備方面的特點是標準配備了熱插拔(Hot Swap)支持功能。這一點也與PCI的熱插拔功能一樣，因此從結果來看，CompactPCI在電氣方面與現有的PCI卡相同（機械性質就更不用說了）。CompactPCI的最新標準為1999年10月公布的“Revision 3.0”。
利用PCI Express
在利用CompactPCI的外觀尺寸（Form Factor）的同時用PCI Express取代PCI的就是CompactPCI Express。CompactPCI Express也與CompactPCI一樣，定義了3U和6U的2種板卡。不過，3U的連接器結合PCI Express進行了完全替換（圖9）。新連接器中采用了ADF這一后面將要提到的Advanced TCA接口，目的是同時支持PCI Express Gen1（2.5GT/秒）和Gen2（5GT/秒）兩種信號。順便提一下，6U尺寸追加的315端子連接器的操作與CompactPCI一樣。電氣方面與PCI Express相同，熱插拔也遵循PCI Express規格。
圖9CompactPCI Express的3U板卡連接器構造
遵循CompactPCI Express的3U連接器與遵循CompactPCI的連接器不同，以PCI Express信號代替PCI信號
CompactPCI Express的最新標準是2005年6月公布的“Revision 1.0”。不過，目前支持產品還不多，普及進程不盡人意。難以普及的主要原因是背板結構與CompactPCI具有非常大的差異（因為是點對點連接，所以需要相應的布線），而且實際使用時還必須同時使用PCI Express交換機等等。不過，CompactPCI的傳輸速度漸漸開始難以滿足需求，所以CompactPCI Express有望成為新一代標準總線。
注5 PICMG的網站為http://www.picmg.org/。PICMG會員下載免費，非會員需要付費購買。
注6 與PCI總線不同，CompactPCI中不存在同時支持3.3V和5V的背板。為此板卡需要限定為支持哪一種信號。
PCI-104的高性能版--COM Express
選擇了與CompactPCI和CompactPCI Express完全不同的發展方向的是COM Express。COM是Computer-On-Module的略語，可以說定位于PCI-104的高性能版。所支持的信號種類也很多。
COM Express定義了Basic Form Factor（125mm×95mm）和Indexed Form Factor（155mm×100mm）2種板卡尺寸，連接器的形狀也統一為ROW AB和ROW CD2種，均為220端子。這些端子可以通過的信號數量如下：
（1）與PCI Express合計最多32路（目前支持Gen1，將來計劃支持Gen2）
（2）外部連接用PCI Express×16路
（3）最多4條SATA/150路（將來計劃支持SATA/300）
（4）最多3個GbE端口（將來計劃支持10GbE）
（5）最多8個USB2.0端口
（6）最多2信道LVDS
（7）最多2信道Serial DVO（Digital Video Out）
當然，并不是說可以同時實現上述功能，而是以幾種信號組合的方式提供。另外，COM Express與PCI-104等不同，采用的是COM Express板卡（這里指的是子板）與支持該板卡的載板（指的是主板）配對的方式。因此，COM Express板卡無法層疊多塊來使用。
COM Express的應用目標是要求省空間和高性能的領域，比如信息家電、游戲機和保健設備等。其目標就是制作適合這些用途的載板，然后再配備上嵌入有CPU的COM Express板卡，這樣就可以馬上作為產品供貨。目前在臺灣等地支持COM Express的板卡提供樣品供貨的越來越普遍，開始逐漸取代原來使用PCI-104的用途。
支持PCI-X的規格也已出現
PICMG制定的板卡間連接的標準規格除以上介紹的之外，還有幾種。其中，被定位為最高端的總線是Advanced TCA。TCA是Telecom Computing Architecture的簡稱，正如其字面意義，這是一種面向電話公司及因特網提供商的骨干設備中路由器的底板接口。具備高可靠性用途所要求的性能，如通過多個協議支持約40Gbps的通信、提供99.999％的可靠性、提供擴展性等。
除上述高端用途外，較常見的還有PICMG 1.0。通常被稱為PCI-ISA。與其名稱一樣，這是作為同時具備PCI和ISA總線的板卡，PICMG 1.0中定義了利用這種板卡作為背板的規格。此外還有PICMG 1.2。它定義了同時支持PCI-X和PCI的ePCI（Embedded PCI）板卡規格。PICMG 1.3則定義了支持PCI Express的SHB Express（System Host Board Express）。
無論哪種規格，其電氣特性及協議均利用了板卡上芯片之間相互連接時所使用的PCI、PCI Express及ISA等總線，確定了用于板卡間連接時的總線機械形狀和系統封裝標準。可以說板卡上芯片間連接所使用的總線與板卡間連接所使用的總線非常相近。
作者簡介：大原 雄介。技術論文自由撰稿人。內容主要涵蓋CPU和存儲器等相關部件的結構、OS、驅動器、中間件等。(e
