摘 要：本文介紹機箱間電纜總線VICbus的標準、應(yīng)用以及作者在開發(fā)VICbus接口模塊所做的工作。 關(guān)鍵詞：VICbus，VMEbus，緊耦合多處理機系統(tǒng) 1 引言 用于多處理機系統(tǒng)的高性能背板（backplane）總線VMEbus是計算機領(lǐng)域使用最廣泛的總線之一。隨著多處理機系統(tǒng)的擴大，要求實現(xiàn)多個VMEbus機箱的緊耦合連接。VICbus就是為滿足這一要求而提出的總線標準。它是由歐洲核子中心（CERN）和瑞士CES計算機公司聯(lián)合發(fā)展的．并在1993年形成國際標準（ISO／IEC 26．11458）。 VICbus雖然是為VMEbus機箱間連接提出的標準，但隨著應(yīng)用的擴大，它已成為連接各種背板型總線的接口總線。目前已實現(xiàn)VICbus接12的總線有：VMEbus，Sbus（Sun Sparc工作站），NuBus（Macintosh微機），EISAbus（IBM —PC／AT微機），F(xiàn)ASTBUS及CAMAC智能機箱控制器。使用相應(yīng)的VICbus接口模塊（即電路板）即可實現(xiàn)上述各種總線的連接。圖1是用VICbus連接不同總線機箱的一個例子。在VICbus系統(tǒng)中，一個機箱被稱為一個設(shè)備，最高可連接31個設(shè)備，設(shè)備號為1-31，可由接口模塊的面板開關(guān)來設(shè)定。VICbus系統(tǒng)中，各個設(shè)備之間最大工作距離為100米，因而使用VlCbus可以組成“分布式”緊耦合系統(tǒng)。 2 VICbus總線協(xié)議 VICbus是32位地址／數(shù)據(jù)線復(fù)用的總線。它使用64對雙絞線組成的扁平電纜。除了一對用作參考地之外，其余63對均為差分信號線?？偩€按功能劃分，可分為數(shù)據(jù)傳輸總線DTB、仲裁總線、中斷總線和應(yīng)用（UTILITY）總線。 2．1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 VICbus是32位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線，每次數(shù)據(jù)傳輸先后有地址信號周期和數(shù)據(jù)周期。有二種數(shù)據(jù)傳輸方式，即異步方式（又稱強迫方式）和同步方式（非強迫方式）。 異步方式的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用WAIT信號作為從設(shè)備對主設(shè)備的應(yīng)答信號，在地址選通時（AS）不作應(yīng)答，僅在數(shù)據(jù)選通后（DS）才應(yīng)答。一次地址選通后，在數(shù)據(jù)周期里可傳輸任意數(shù)量、讀寫可以混合的數(shù)據(jù)，但地址固定不變。從設(shè)備可使用內(nèi)部增址計數(shù)器來作塊傳輸。 同步方式的數(shù)據(jù)傳輸分為二種，一個是所謂NC1協(xié)議。主設(shè)備在地址信號周期之后就直接進入數(shù)據(jù)信號周期，無需來自從設(shè)備的任何響應(yīng)。這種方式速度快，但可靠性欠佳，且只能用于由主設(shè)備向從設(shè)備的“寫”傳輸。另一種同步數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為NC2協(xié)議。它以流水線方式使用延遲的從設(shè)備WAIT信號來響應(yīng)主設(shè)備。WAIT信號并不用作定時，僅只是供主設(shè)備確認傳輸成功而用。這個方式下，一次傳輸可以是讀或者寫。 數(shù)據(jù)傳輸所用到的信號線為：AD31－AD00，用于地址／數(shù)據(jù)線；ID4－ID0，用來確定從設(shè)備號（0－31）；CL3－CL0給出協(xié)議類型和數(shù)據(jù)字節(jié)對齊的有關(guān)信息。 2．2 總線仲裁 對于電纜型總線，無法使用分布式仲裁，因為那樣做信號傳播時間太長。VICbus采用傳統(tǒng)的總線請求（BR）／總線允許（BG）機制和菊花鏈結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中每一個主設(shè)備都具有仲裁器功能，以旋轉(zhuǎn)仲裁方式工作。一個主設(shè)備取得了總線控制權(quán)，同時也就取得總線仲裁權(quán)。為了實現(xiàn)仲裁器旋轉(zhuǎn)，菊花鏈中的上游設(shè)備必須能得到處在下游的當前仲裁器的BG信號，為此，使用一條BGLOOP信號線，把菊花鏈中最后一個設(shè)備的BGOUT端連接到第一個設(shè)備的BGIN端，形成BG信號的環(huán)路。當系統(tǒng)中同時有幾個設(shè)備請求總線時，當前仲裁器把總線控制權(quán)（以及仲裁權(quán)）交給離它最近的一個發(fā)出BR總線請求的設(shè)備。 旋轉(zhuǎn)仲裁方式的好處是，可以降低平均仲裁時間并防止某一個主設(shè)備過分地占據(jù)總線，同時也可避免單一仲裁器失效導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。 總線里有一個“仲裁鎖住”（ALOCK）信號，當有一個設(shè)備動態(tài)地加入或退出系統(tǒng)連接時，可以用這個信號暫時禁止總線仲裁。 2．3 中斷 VICbus使用二個125KHZ的時鐘信號（名為INTSEL0和INTSEL1），把32個中斷請求信號（MINT31－MINT0）放在8條中斷線上多路復(fù)用。也即，當INTSEL0和INTSEL1是00時，8條中斷線上是MINT0－MINT7信號，當為01時，是MINT8－MINT15信號，為10時，是MINT16－MINT23信號，為11時，是MINT24－MINT31信號。 每個設(shè)備只能向系統(tǒng)發(fā)一個中斷請求信號，對中斷的響應(yīng)則是通過專用的“IACK” 型DTB周期。 系統(tǒng)中可以有許多設(shè)備都具有INTSEL發(fā)生器，但只有一個工作著，它稱為系統(tǒng)控制器。如果當前系統(tǒng)控制器失效，其它設(shè)備立即測知，并產(chǎn)生一個ALOCK信號，在AIOCK信號結(jié)束時，各個具有INTSEL發(fā)生器的設(shè)備就啟動自已的計數(shù)器，若一個設(shè)備計數(shù)到等于它的設(shè)備號的值時，總線上仍沒有INTSEL信號出現(xiàn)、則這個設(shè)備的INTSEL發(fā)生器開始工作，成為系統(tǒng)控制器。因此，系統(tǒng)中總是具有最低設(shè)備號的設(shè)備是系統(tǒng)控制器。 使用多路復(fù)用的中斷方式的目的，是為了節(jié)省總線信號線的數(shù)量。 在VICbus中，發(fā)出中斷請求的功能模塊稱為中斷器，接收并處理中斷請求的稱為中斷處理器。當一個設(shè)備要中斷另一個設(shè)備時，它的中斷器向總線發(fā)出中斷請求信號，被指定監(jiān)測這個中斷請求的中斷處理器可以用各種方法來處理這個中斷，例如使用標志（flag）來產(chǎn)生本地中斷，或者把VICbus傳來的中斷矢量轉(zhuǎn)送到本機箱的背板總線上去。中斷矢量可以是8位、16位或32位，它是中斷處理器在收到中斷請求后，按IACK型數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)總線上取得的。 3 VICbus接口模塊設(shè)計 筆者在瑞士CES公司系統(tǒng)部工作期間，參加了用于VMEbus的VICbus接口模塊VIC8251的基本軟件的開發(fā)工作，以下部分對該模塊的結(jié)構(gòu)、工作原理、軟件設(shè)計及存在的問題作一個綜合介紹。 3．1 VIC8251模塊的接口功能 VIC8251模塊在功能上可以劃分為許多子模塊，其中與理解接口有關(guān)的子模塊主要有以下幾個：VME主模塊，VME從模塊、VIC主模塊、VIC從模塊，VIC內(nèi)部寄存器模塊、MMU模塊等。圖2示意了VIC8251作為主設(shè)備（機箱）接口和作為從設(shè)備（機箱）接口的功能。在用作主設(shè)備接口時，VIC8251顯一個VME從設(shè)備和一個VIC主設(shè)備；用作從設(shè)備接口時，它是一個VIC從設(shè)備和VME主設(shè)備。 3．2 VLC8251的資源 圖3為VIC8251寄存器空間的地址映射圖，其中只標出了我們所關(guān)心的幾個部分：本模塊的VIC主設(shè)備控制／狀態(tài)寄存器，全系統(tǒng)31個設(shè)備的從設(shè)備寄存器組的地址表以及內(nèi)存管理單元MMU模塊所使用的頁描述字PD0／PD1區(qū)。 3．2．1 本模塊的VIC主設(shè)備CSR寄存器組 共使用四個Zilog公司的Z-CIO8536芯片。0號和1號芯片被用作主控制／狀態(tài)寄存器，用來設(shè)置與VIC主設(shè)備子模塊有關(guān)的各種內(nèi)容如仲裁、仲裁請求，失效標志、清零等，并用來讀郵箱標志，本地內(nèi)存（鏡象內(nèi)存j狀態(tài)信息等。2號和3號Z－C108536芯片被用作VIC中斷控制器，把來自VICbus的中斷請求轉(zhuǎn)換為本地機箱的VME中斷請求。 3．2．2 從設(shè)備寄存器地址表 系統(tǒng)中各個設(shè)備機箱的VICbus模塊都有一組從設(shè)備寄存器（VIC slave CSR ）。其中CSR1寄存器包含了該VIC接口模塊的VIC從設(shè)備子模塊的控制／狀態(tài)信息諸如聯(lián)機（on—line），仲裁方式和中斷方式選擇、廣播方式和預(yù)取方式設(shè)置，長／短電纜方式設(shè)置選擇等。還有聯(lián)機狀態(tài)寄存器OLR和設(shè)備失效狀態(tài)寄存器DFR，它們給出各個設(shè)備聯(lián)機／失效狀態(tài)。寄存器RR的每一位用來對系統(tǒng)中一個設(shè)備復(fù)位。 返組VIC從設(shè)備子模塊CSR寄存器。只能通過VICbus來存取，即便是本接口模塊的這組寄存器，也必須甩VIC主設(shè)備子模塊經(jīng)由VICbus來對它們設(shè)置或讀狀態(tài)。 在從設(shè)備CSR地址表中，映射了整個系統(tǒng)（0～31號設(shè)備）的從設(shè)備CSR寄存囂地址、見圖4所示。其中0號設(shè)備是用于廣播方式設(shè)置用。對于VICbus系統(tǒng)中所有設(shè)備均為VME機箱的情況，使用廣播方式可以一次設(shè)置全系統(tǒng)的所有從設(shè)備的同一種VIC從設(shè)備CSR。 3．2．3 頁描述字PD0／PD1 存儲器管理單元MMU使用PD0／PD1來把主設(shè)備機箱的VMEbus／VSBbus地址（源地址）轉(zhuǎn)換為從設(shè)備機箱的VMEbus／VSBus地址（目標地址）。 PD0區(qū)為2Kx32b超高速存儲器，一個PD0描述字包含有完成一次VIC周期所需的信息如存取方式、鏡象內(nèi)存位置（本地、遠端或全局的）等。PD1醫(yī)為2K×32b雙口存儲器區(qū)，一個PD1描述字的內(nèi)容包含目標機箱設(shè)備號，目標地址的A31－A22位，AM碼等。 PD0／PD1的內(nèi)容是根據(jù)需要在初始化時設(shè)置好的。主設(shè)備機箱的VIC8251接口模塊根據(jù)從VMEbus傳來的源地址換算出頁號，然后根據(jù)該頁號的PD0／PD1內(nèi)容，找到目標從設(shè)備機號的設(shè)備號，并用目標地址高位（A31一A22）代替源地址高位，把它和AM碼等經(jīng)由VICbus送到該從設(shè)備機箱的VMEbus去。 3．2．4 鏡象內(nèi)存 VIC8251的4M字節(jié)的本地內(nèi)存稱為鏡象內(nèi)存。它是三口存儲器，可以被VICbus，本地的VMEbus和VSBbus所存取。以4K字節(jié)為一頁，每頁均可寫保護。 鏡象內(nèi)存的概念是當有一個大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)必須被分布在若干VME機箱中的許多處理機共享時提出的。一個CPU對本地鏡象內(nèi)存寫數(shù)據(jù)，則這個數(shù)據(jù)被透明地廣播到VICbus系統(tǒng)的所有設(shè)備并且同時寫入它們各自的鏡象內(nèi)存。一個CPU從鏡象內(nèi)存中讀數(shù)據(jù)，則只讀本地鏡象內(nèi)存。也即，只有寫周期是作用于整個系統(tǒng)的。這樣就節(jié)省了總線帶寬。尤其是如果采用同步寫協(xié)議（見2．1節(jié)）。更可以提高傳輸速率，對于100米距離，可選到10Mbytes／s寫和20Mbytes／s讀的速率。 3．3 中斷機制 實現(xiàn)中斷的方法之一是，遠端機箱的VME中斷請求轉(zhuǎn)換為與它的設(shè)備機箱號相應(yīng)的VIC中斷請求之后，經(jīng)VICbus到達本地機箱，本地VIC模塊將它變?yōu)橹付ǖ燃壍腣ME中斷請求傳到本地VME主設(shè)備，該VME主設(shè)備對本地VIC模塊的VIACK 寄存器作一次讀操作，引發(fā)一個中斷響應(yīng)信號．經(jīng)轉(zhuǎn)換后最終成為遠端VME的中斷響應(yīng)信號VMEIACK，遠端VME再把中斷矢量（STATUS／IC）傳到本地VME主設(shè)備，供它讀取。 另一個實現(xiàn)中斷的方法是，預(yù)先在本地的VIC模塊的中斷控制器中設(shè)置好對1－31號VIC中斷請求的中斷矢量值。本地VIC在收到VIC中斷請求后，向本地VME主設(shè)備傳遞了這個中斷請求之后，就把相應(yīng)矢量值放到本地VMEbus供讀取，同時向遠端VME傳去一個中斷響應(yīng)信號。這種由本地提供中斷矢量的方法，顯著地縮短了中斷響應(yīng)等待時間。 3．4 初始化軟件 每一個加入到VICbus系統(tǒng)的設(shè)備，都必須對本機箱的VIC接口模塊作復(fù)雜的初始化工作，主要是對前面介紹的寄存器空間的各項資源作初始化設(shè)置。作初始化工作時，須對以下幾個方面作全系統(tǒng)的安排，以避免沖突： · 設(shè)備號的設(shè)定。 · 各設(shè)備對其它設(shè)備的地址映射關(guān)系．也即對于PD0／PD1的設(shè)置。 · 各個設(shè)備的VIC從設(shè)備CSR的設(shè)置，既可以由一個設(shè)備（通常用作系統(tǒng)控制器）對全系統(tǒng)各個設(shè)備作一次性設(shè)置，也可以由每個加入系統(tǒng)的設(shè)備自己設(shè)置本身的VIC從設(shè)備CSR，也可以是上述二種方法的結(jié)合。 3．5 應(yīng)用軟件設(shè)計的注意事項 由于系統(tǒng)中存在二種總線仲裁機制．因而出現(xiàn)仲裁死鎖問題（dead－lock），見圖5 當本地機箱中取得VME總線控制權(quán)的VME主設(shè)備申請VIC總線控制權(quán)時（VME cycle），如果同時有其它設(shè)備經(jīng)由VICbus申請對這個機箱VME總線控制權(quán)時（VIC cycle），就導(dǎo)致死鎖。 當出現(xiàn)死鎖時，VIC8251的仲裁死鎖電路便中止本地VME主設(shè)備的請求，在VME總線上發(fā)出總線錯（BERR）和重試（RETRY）信號。應(yīng)用程序應(yīng)能監(jiān)測BERR信號和RETRY信號，處理這一死鎖，使自己放棄VME總線控制極，讓來自VICbus的遠端VME主設(shè)備控制本地VME總線。直至它使用結(jié)束放棄該VME總線之后，才恢復(fù)本地VME主設(shè)備對VME總線的控制，進而請求VICbus控制權(quán)。 4 結(jié)束語 作為一種新的總線標準．VICbus仍在發(fā)展之中，目前限于總線驅(qū)動器件的水平，實際上能做到的水平是連接5個相距100米的設(shè)備和24個相距5米的設(shè)備。 VICbus是根據(jù)VME機箱互連的需要而開發(fā)的，但事實上它是一種通用的機箱間電纜總線。另一方面，它用作其他背板型總線與VMEbus的接口總線，也有很好的前景，這方面的應(yīng)用正在開拓之中。 參考文獻 [1] Vicbus Draft Specification VI l ISO／IEC 26.11458.1989 [align=center]INTER－CRATE BUS：VICBUS Liu Songqiang[/align] Abstract： An Introduction on the Inter－Crate Bus，i．e．VICbus（ISO／IEC 26．11485）standard，application and design of the bus interface module． Key words： VIC bus，VMEbus Tightly coupled multiprocessor system 原文請點擊下載機箱間電纜總線VICbus.pdf