摘 要：本文介紹機(jī)箱間電纜總線(xiàn)VICbus的標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用以及作者在開(kāi)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(jī)系統(tǒng) 1 引言 用于多處理機(jī)系統(tǒng)的高性能背板（backplane）總線(xiàn)VMEbus是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域使用最廣泛的總線(xiàn)之一。隨著多處理機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)大，要求實(shí)現(xiàn)多個(gè)VMEbus機(jī)箱的緊耦合連接。VICbus就是為滿(mǎn)足這一要求而提出的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。它是由歐洲核子中心（CERN）和瑞士CES計(jì)算機(jī)公司聯(lián)合發(fā)展的．并在1993年形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO／IEC 26．11458）。 VICbus雖然是為VMEbus機(jī)箱間連接提出的標(biāo)準(zhǔn)，但隨著應(yīng)用的擴(kuò)大，它已成為連接各種背板型總線(xiàn)的接口總線(xiàn)。目前已實(shí)現(xiàn)VICbus接12的總線(xiàn)有：VMEbus，Sbus（Sun Sparc工作站），NuBus（Macintosh微機(jī)），EISAbus（IBM —PC／AT微機(jī)），F(xiàn)ASTBUS及CAMAC智能機(jī)箱控制器。使用相應(yīng)的VICbus接口模塊（即電路板）即可實(shí)現(xiàn)上述各種總線(xiàn)的連接。圖1是用VICbus連接不同總線(xiàn)機(jī)箱的一個(gè)例子。在VICbus系統(tǒng)中，一個(gè)機(jī)箱被稱(chēng)為一個(gè)設(shè)備，最高可連接31個(gè)設(shè)備，設(shè)備號(hào)為1-31，可由接口模塊的面板開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定。VICbus系統(tǒng)中，各個(gè)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(xiàn)協(xié)議 VICbus是32位地址／數(shù)據(jù)線(xiàn)復(fù)用的總線(xiàn)。它使用64對(duì)雙絞線(xiàn)組成的扁平電纜。除了一對(duì)用作參考地之外，其余63對(duì)均為差分信號(hào)線(xiàn)?？偩€(xiàn)按功能劃分，可分為數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)DTB、仲裁總線(xiàn)、中斷總線(xiàn)和應(yīng)用（UTILITY）總線(xiàn)。 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(xiàn)，每次數(shù)據(jù)傳輸先后有地址信號(hào)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(chēng)強(qiáng)迫方式）和同步方式（非強(qiáng)迫方式）。 異步方式的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用WAIT信號(hào)作為從設(shè)備對(duì)主設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)，在地址選通時(shí)（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(xiě)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(jì)數(shù)器來(lái)作塊傳輸。 同步方式的數(shù)據(jù)傳輸分為二種，一個(gè)是所謂NC1協(xié)議。主設(shè)備在地址信號(hào)周期之后就直接進(jìn)入數(shù)據(jù)信號(hào)周期，無(wú)需來(lái)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(xiě)”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(xiàn)方式使用延遲的從設(shè)備WAIT信號(hào)來(lái)響應(yīng)主設(shè)備。WAIT信號(hào)并不用作定時(shí)，僅只是供主設(shè)備確認(rèn)傳輸成功而用。這個(gè)方式下，一次傳輸可以是讀或者寫(xiě)。 數(shù)據(jù)傳輸所用到的信號(hào)線(xiàn)為：AD31－AD00，用于地址／數(shù)據(jù)線(xiàn)；ID4－ID0，用來(lái)確定從設(shè)備號(hào)（0－31）；CL3－CL0給出協(xié)議類(lèi)型和數(shù)據(jù)字節(jié)對(duì)齊的有關(guān)信息。 2．2 總線(xiàn)仲裁 對(duì)于電纜型總線(xiàn)，無(wú)法使用分布式仲裁，因?yàn)槟菢幼鲂盘?hào)傳播時(shí)間太長(zhǎng)。VICbus采用傳統(tǒng)的總線(xiàn)請(qǐng)求（BR）／總線(xiàn)允許（BG）機(jī)制和菊花鏈結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中每一個(gè)主設(shè)備都具有仲裁器功能，以旋轉(zhuǎn)仲裁方式工作。一個(gè)主設(shè)備取得了總線(xiàn)控制權(quán)，同時(shí)也就取得總線(xiàn)仲裁權(quán)。為了實(shí)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(dāng)前仲裁器的BG信號(hào)，為此，使用一條BGLOOP信號(hào)線(xiàn)，把菊花鏈中最后一個(gè)設(shè)備的BGOUT端連接到第一個(gè)設(shè)備的BGIN端，形成BG信號(hào)的環(huán)路。當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)有幾個(gè)設(shè)備請(qǐng)求總線(xiàn)時(shí)，當(dāng)前仲裁器把總線(xiàn)控制權(quán)（以及仲裁權(quán)）交給離它最近的一個(gè)發(fā)出BR總線(xiàn)請(qǐng)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(shí)間并防止某一個(gè)主設(shè)備過(guò)分地占據(jù)總線(xiàn)，同時(shí)也可避免單一仲裁器失效導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。 總線(xiàn)里有一個(gè)“仲裁鎖住”（ALOCK）信號(hào)，當(dāng)有一個(gè)設(shè)備動(dòng)態(tài)地加入或退出系統(tǒng)連接時(shí)，可以用這個(gè)信號(hào)暫時(shí)禁止總線(xiàn)仲裁。 2．3 中斷 VICbus使用二個(gè)125KHZ的時(shí)鐘信號(hào)（名為INTSEL0和INTSEL1），把32個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)（MINT31－MINT0）放在8條中斷線(xiàn)上多路復(fù)用。也即，當(dāng)INTSEL0和INTSEL1是00時(shí)，8條中斷線(xiàn)上是MINT0－MINT7信號(hào)，當(dāng)為01時(shí)，是MINT8－MINT15信號(hào)，為10時(shí)，是MINT16－MINT23信號(hào)，為11時(shí)，是MINT24－MINT31信號(hào)。 每個(gè)設(shè)備只能向系統(tǒng)發(fā)一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，對(duì)中斷的響應(yīng)則是通過(guò)專(zhuān)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(gè)工作著，它稱(chēng)為系統(tǒng)控制器。如果當(dāng)前系統(tǒng)控制器失效，其它設(shè)備立即測(cè)知，并產(chǎn)生一個(gè)ALOCK信號(hào)，在AIOCK信號(hào)結(jié)束時(shí)，各個(gè)具有INTSEL發(fā)生器的設(shè)備就啟動(dòng)自已的計(jì)數(shù)器，若一個(gè)設(shè)備計(jì)數(shù)到等于它的設(shè)備號(hào)的值時(shí)，總線(xiàn)上仍沒(méi)有INTSEL信號(hào)出現(xiàn)、則這個(gè)設(shè)備的INTSEL發(fā)生器開(kāi)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(hào)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(xiàn)信號(hào)線(xiàn)的數(shù)量。 在VICbus中，發(fā)出中斷請(qǐng)求的功能模塊稱(chēng)為中斷器，接收并處理中斷請(qǐng)求的稱(chēng)為中斷處理器。當(dāng)一個(gè)設(shè)備要中斷另一個(gè)設(shè)備時(shí)，它的中斷器向總線(xiàn)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，被指定監(jiān)測(cè)這個(gè)中斷請(qǐng)求的中斷處理器可以用各種方法來(lái)處理這個(gè)中斷，例如使用標(biāo)志（flag）來(lái)產(chǎn)生本地中斷，或者把VICbus傳來(lái)的中斷矢量轉(zhuǎn)送到本機(jī)箱的背板總線(xiàn)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(qǐng)求后，按IACK型數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)總線(xiàn)上取得的。 3 VICbus接口模塊設(shè)計(jì) 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(kāi)發(fā)工作，以下部分對(duì)該模塊的結(jié)構(gòu)、工作原理、軟件設(shè)計(jì)及存在的問(wèn)題作一個(gè)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(gè)：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(jī)箱）接口和作為從設(shè)備（機(jī)箱）接口的功能。在用作主設(shè)備接口時(shí)，VIC8251顯一個(gè)VME從設(shè)備和一個(gè)VIC主設(shè)備；用作從設(shè)備接口時(shí)，它是一個(gè)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(biāo)出了我們所關(guān)心的幾個(gè)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(gè)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(yè)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(gè)Zilog公司的Z-CIO8536芯片。0號(hào)和1號(hào)芯片被用作主控制／狀態(tài)寄存器，用來(lái)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(qǐng)求，失效標(biāo)志、清零等，并用來(lái)讀郵箱標(biāo)志，本地內(nèi)存（鏡象內(nèi)存j狀態(tài)信息等。2號(hào)和3號(hào)Z－C108536芯片被用作VIC中斷控制器，把來(lái)自VICbus的中斷請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為本地機(jī)箱的VME中斷請(qǐng)求。 3．2．2 從設(shè)備寄存器地址表 系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備機(jī)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(jī)（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(zhǎng)／短電纜方式設(shè)置選擇等。還有聯(lián)機(jī)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(gè)設(shè)備聯(lián)機(jī)／失效狀態(tài)。寄存器RR的每一位用來(lái)對(duì)系統(tǒng)中一個(gè)設(shè)備復(fù)位。 返組VIC從設(shè)備子模塊CSR寄存器。只能通過(guò)VICbus來(lái)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(lái)對(duì)它們?cè)O(shè)置或讀狀態(tài)。 在從設(shè)備CSR地址表中，映射了整個(gè)系統(tǒng)（0～31號(hào)設(shè)備）的從設(shè)備CSR寄存囂地址、見(jiàn)圖4所示。其中0號(hào)設(shè)備是用于廣播方式設(shè)置用。對(duì)于VICbus系統(tǒng)中所有設(shè)備均為VME機(jī)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(yè)描述字PD0／PD1 存儲(chǔ)器管理單元MMU使用PD0／PD1來(lái)把主設(shè)備機(jī)箱的VMEbus／VSBbus地址（源地址）轉(zhuǎn)換為從設(shè)備機(jī)箱的VMEbus／VSBus地址（目標(biāo)地址）。 PD0區(qū)為2Kx32b超高速存儲(chǔ)器，一個(gè)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(yuǎn)端或全局的）等。PD1醫(yī)為2K×32b雙口存儲(chǔ)器區(qū)，一個(gè)PD1描述字的內(nèi)容包含目標(biāo)機(jī)箱設(shè)備號(hào)，目標(biāo)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(shí)設(shè)置好的。主設(shè)備機(jī)箱的VIC8251接口模塊根據(jù)從VMEbus傳來(lái)的源地址換算出頁(yè)號(hào)，然后根據(jù)該頁(yè)號(hào)的PD0／PD1內(nèi)容，找到目標(biāo)從設(shè)備機(jī)號(hào)的設(shè)備號(hào)，并用目標(biāo)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(jī)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(chēng)為鏡象內(nèi)存。它是三口存儲(chǔ)器，可以被VICbus，本地的VMEbus和VSBbus所存取。以4K字節(jié)為一頁(yè)，每頁(yè)均可寫(xiě)保護(hù)。 鏡象內(nèi)存的概念是當(dāng)有一個(gè)大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)必須被分布在若干VME機(jī)箱中的許多處理機(jī)共享時(shí)提出的。一個(gè)CPU對(duì)本地鏡象內(nèi)存寫(xiě)數(shù)據(jù)，則這個(gè)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(shí)寫(xiě)入它們各自的鏡象內(nèi)存。一個(gè)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(xiě)周期是作用于整個(gè)系統(tǒng)的。這樣就節(jié)省了總線(xiàn)帶寬。尤其是如果采用同步寫(xiě)協(xié)議（見(jiàn)2．1節(jié)）。更可以提高傳輸速率，對(duì)于100米距離，可選到10Mbytes／s寫(xiě)和20Mbytes／s讀的速率。 3．3 中斷機(jī)制 實(shí)現(xiàn)中斷的方法之一是，遠(yuǎn)端機(jī)箱的VME中斷請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為與它的設(shè)備機(jī)箱號(hào)相應(yīng)的VIC中斷請(qǐng)求之后，經(jīng)VICbus到達(dá)本地機(jī)箱，本地VIC模塊將它變?yōu)橹付ǖ燃?jí)的VME中斷請(qǐng)求傳到本地VME主設(shè)備，該VME主設(shè)備對(duì)本地VIC模塊的VIACK 寄存器作一次讀操作，引發(fā)一個(gè)中斷響應(yīng)信號(hào)．經(jīng)轉(zhuǎn)換后最終成為遠(yuǎn)端VME的中斷響應(yīng)信號(hào)VMEIACK，遠(yuǎn)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(gè)實(shí)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(duì)1－31號(hào)VIC中斷請(qǐng)求的中斷矢量值。本地VIC在收到VIC中斷請(qǐng)求后，向本地VME主設(shè)備傳遞了這個(gè)中斷請(qǐng)求之后，就把相應(yīng)矢量值放到本地VMEbus供讀取，同時(shí)向遠(yuǎn)端VME傳去一個(gè)中斷響應(yīng)信號(hào)。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(shí)間。 3．4 初始化軟件 每一個(gè)加入到VICbus系統(tǒng)的設(shè)備，都必須對(duì)本機(jī)箱的VIC接口模塊作復(fù)雜的初始化工作，主要是對(duì)前面介紹的寄存器空間的各項(xiàng)資源作初始化設(shè)置。作初始化工作時(shí)，須對(duì)以下幾個(gè)方面作全系統(tǒng)的安排，以避免沖突： · 設(shè)備號(hào)的設(shè)定。 · 各設(shè)備對(duì)其它設(shè)備的地址映射關(guān)系．也即對(duì)于PD0／PD1的設(shè)置。 · 各個(gè)設(shè)備的VIC從設(shè)備CSR的設(shè)置，既可以由一個(gè)設(shè)備（通常用作系統(tǒng)控制器）對(duì)全系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備作一次性設(shè)置，也可以由每個(gè)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(jì)的注意事項(xiàng) 由于系統(tǒng)中存在二種總線(xiàn)仲裁機(jī)制．因而出現(xiàn)仲裁死鎖問(wèn)題（dead－lock），見(jiàn)圖5 當(dāng)本地機(jī)箱中取得VME總線(xiàn)控制權(quán)的VME主設(shè)備申請(qǐng)VIC總線(xiàn)控制權(quán)時(shí)（VME cycle），如果同時(shí)有其它設(shè)備經(jīng)由VICbus申請(qǐng)對(duì)這個(gè)機(jī)箱VME總線(xiàn)控制權(quán)時(shí)（VIC cycle），就導(dǎo)致死鎖。 當(dāng)出現(xiàn)死鎖時(shí)，VIC8251的仲裁死鎖電路便中止本地VME主設(shè)備的請(qǐng)求，在VME總線(xiàn)上發(fā)出總線(xiàn)錯(cuò)（BERR）和重試（RETRY）信號(hào)。應(yīng)用程序應(yīng)能監(jiān)測(cè)BERR信號(hào)和RETRY信號(hào)，處理這一死鎖，使自己放棄VME總線(xiàn)控制極，讓來(lái)自VICbus的遠(yuǎn)端VME主設(shè)備控制本地VME總線(xiàn)。直至它使用結(jié)束放棄該VME總線(xiàn)之后，才恢復(fù)本地VME主設(shè)備對(duì)VME總線(xiàn)的控制，進(jìn)而請(qǐng)求VICbus控制權(quán)。 4 結(jié)束語(yǔ) 作為一種新的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)．VICbus仍在發(fā)展之中，目前限于總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器件的水平，實(shí)際上能做到的水平是連接5個(gè)相距100米的設(shè)備和24個(gè)相距5米的設(shè)備。 VICbus是根據(jù)VME機(jī)箱互連的需要而開(kāi)發(fā)的，但事實(shí)上它是一種通用的機(jī)箱間電纜總線(xiàn)。另一方面，它用作其他背板型總線(xiàn)與VMEbus的接口總線(xiàn)，也有很好的前景，這方面的應(yīng)用正在開(kāi)拓之中。 參考文獻(xiàn) [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(qǐng)點(diǎn)擊下載機(jī)箱間電纜總線(xiàn)VICbus.pdf