VPX

VPX匯流排誕生於VME匯流排，是一種通用的計算機匯流排，結合了Motorola公司Versa匯流排的電氣規範和Eurocard機械封裝標準，是一種開放式架構，支持並獨立於多處理器計算機系統。1984年，VME國際貿易協會組織（VITA）成立，致力於推動VME匯流排的市場和發展。1987年，VME匯流排被IEEE正式接納為萬用背板匯流排（Versatile BackPlane Bus）標準，標準號為ANSI/IEEE-1014，匯流排介面為兩個96芯的針孔連接器，數據寬度為32位，帶寬為40MB/s，市場名稱為VME32。從誕生到最初的十幾年間，VME由於採用歐卡結構具有高可靠性使其在工業控制、實時處理和軍用領域中都得到了廣泛應用，並一度主導工控機實時領域。

隨著電子技術的發展並迫於CPCI等其他標準的衝擊和競爭，VITA先後多次推出升級版本，如VME64、VME64x、VME320。其中，VME64數據寬度從原先的32位擴展為64位，把P1/J1和P2/J2連接器從三行96針改為5行160針，帶寬為80MB/s，增加了匯流排鎖定周期和第一插槽探測功能，並加入了對熱插拔的支持；VME64x相對於VME64，在P1/J1和P2/J2之間加入了一個P0/J0連接器，傳輸協議從四沿傳輸變為雙沿信號傳輸，數據速率可達到160MB/s；其後VME320在VME64x基礎上進一步採用雙沿源同步傳輸協議（2eSST），可將理論帶寬提高到320MB/s。遺憾的是，從VME64到VME320，市場反應並不理想。究其緣由，在這個海量數據時代，帶寬是一個壓倒性的指標，而用戶顯然對VME的帶寬進展速度並不滿意，畢竟這是一個誕生於近30年前的技術。此外，設備性能的大幅提高也帶來了發熱量迅速增加和可靠性降低等派生問題。

近幾年，為了滿足更大帶寬和更強製冷能力的要求，VITA先後推出VXS（VITA41）、VPX（VITA46）和 REDI（VITA48）等一系列新的模塊標準。其中，VPX全部採用的MultiGig RT2連接器具有連接緊密、插入損耗小和誤碼率底等優點；通過結合REDI構成的VPX-REDI平台可以滿足苛刻環境和大帶寬的工業需求，如軍工和通信方面。

提出VPX的動機主要包括以下幾個方面：

1）面向高密度、高性能計算。一方面系統可以應用於尺寸和重量受限的領域，另一方面系統應具有實現複雜演演算法和連接多個高速數據源的性能。

2）擴展帶寬。採用串列互連架構，可以在顯著增加帶寬的同時，大大減少引腳的數量。VME匯流排的帶寬為40~60MB，通過增加串列連接的數量，VPX總帶寬可以達到100GB/s。串列互聯技術如RapidlO、10GbE採用XAUI電氣規範，其運行速度為3.125Gb/s。其他一些串列通訊技術的數據傳輸速度也在同一量級，如PCI Express為2.5Gb/s，Fibre Channel為4Gb/s，皆超出了VME64X系統DIN連接器1Gb/s傳輸速率的限制。

3）增強的電源設計。在VME64X規範中，背板的功耗限制為35W，考慮到目前微處理器的快速發展，多核、多處理器技術也在不斷成熟，這一功耗限制已經成為瓶頸。VPX規範通過增加背板的供電以及更加完善的散熱系統（傳導、液冷）來解決此問題。

4）抗惡劣環境，可維護商業現貨。VITA46系列協議對VPX匯流排做出了規範，VPX即為對VITA46系列協議的指稱。該系列協議由VITA 46.0基本規範以及涉及VMEbus、Serial Rapidl0等信號映射的各類子協議構成。

VPX的核心在於連接器MultiGig RT2，相對於傳統的針式連接器，這種高速差分連接器的硅晶片式（類似內存條的金手指）結構具有連接緊密、插入損耗小和誤碼率低等優點，每個差分接觸對支持的數據帶寬可高達10Gb/s，而且硅晶片都帶有ESD接地層和觸點層，防止操作期間受意外放電影響。儘管採用這種高速連接器犧牲了VPX與早期的VME產品在硬體上的兼容性，但是這種因為不兼容所帶來的劣勢在其他方面會得到更多的補償，主要體現在兩個方面：其一，可以直接從後背板配置快速I/O設備（如數字視頻），這樣能夠消除由於前端配置帶來的維修和形狀尺寸問題；其二，為VME用戶提供一個可以簡單有效地採用各種高速開關互聯結構的途徑；其三，定義了大量的l/O管腳以便於系統的升級和擴展。

VPX支持多種并行和串列傳輸協議，主要包括VME64x和PCI并行匯流排協議。為了解決與CPCI和傳統VME產品的兼容問題，VPX還允許採用了一種同時帶有各種標準插槽的混合式背板結構，這樣在系統升級時仍然可以保留大部分的現有模塊。另外，REDI（VITA48）在模塊加固和製冷增強方面對VPX進行了很好的補充，使之可以滿足苛酷的軍用環境等；並且這是第一個可用于軍用平台的商用現貨，具備成本優勢。

VPX匯流排分為3U和6U尺寸的兩個版本。

3U標準包含3個介面：P0，P1，P2。P0為8片結構，其中3片為電源，可以提供+12V，+5V，+3.3V電源，3片為單端信號片，另外2片為差分信號片。P1為16片結構，提供16組差分對信號。P2為16片結構，能提供16組差分對信號或16個單端信號。

6U標準包含7個介面，分別為PO，Pl，P2，P3，P4，P5，P6。其中，P0-P2和3U標準一樣，P3-P6每個介面能提供16組差分對信號或16組單端信號。

自問世以來，VPX就受到相關領域的高度重視和青睞，結合REDI使得系統在具有Gigabyte的數據傳輸能力的同時，也具有加固的機械結構和更強的冷卻能力。由於VME有著近三十年應用和發展的積累，在實時控制和軍工領域依然擁有大量現存客戶。從繼承性和可靠性角度考慮，加上VPX本身具有的優越性，這類用戶最終升級到VPX只是時間問題。許多VME匯流排工控機的大型製造商如 Motorola和Force Computers等自然也是VPX的主要倡導者和實踐者。世界一些知名廠商已經早早在VPX技術上取得領先優勢，如Motorola ECC、Interphase、Zynx、Nat Europe、Curtiss Wright、Tews、Acromag等在電信和國防應用方面都有著各自系列化的成熟產品。

VPX匯流排採用高速串列匯流排技術替代了VME匯流排的并行匯流排技術。VPX匯流排引入了目前最新串列匯流排技術，例如：RapidIO、PCI-Express和萬兆乙太網等，支持更高的背板帶寬。VPX核心交換可以提供32對差分對，每對差分對理論上可以提供10Gbps的數據交換能力，一個VPX模塊理論上最高可以提供8GByte/s的數據交換能力。

VPX匯流排還採用交換式結構替代VME的主控式結構。交換式結構使得系統整體性能不在受主控板的限制，提高了系統的整體性能。同時，在交換式結構下，處理器可以在任意的時間發送數據，而不需要等待匯流排后才發起傳輸，特別適合多處理器系統。

VME匯流排與VPX最重要的一個不同就是VPX匯流排採用了Tyco公司開發的新一代7排MultiGig RT2連接器。MultiGig RT2連接器性能優異，不僅特性阻抗可控，插入損耗低，而且在傳輸速率高達6.25Gbps時，串擾仍小於3%。MultiGig RT2連接器連接緊密而堅固，可以在軍事和航空航天等惡劣環境中應用。

VPX標準在結構上仍然使用歐卡3U和6U尺寸。6U VPX板卡上定義1個8列7行RT2連接器P0和6個16列7行RT2連接器P1~P6。其中，P0為公用連接器，提供了維護管理匯流排、測試匯流排和電源信號；P1提供了32對差分對信號和8個單端信號；P1~P6為用戶自定義，既可以定義為差分信號，也可以定義為單端信號。3U VPX板卡只有6U VPX板卡中P0至P2三個連接器。

VPX匯流排提升了電源供電能力，5V最高可提供115W功率，12V提供384W，48V提供768W。在VME匯流排的一個插槽內，使用5V電源只能提供最大90W的功率，而VPX匯流排僅5V電源就能提供115W功率，12V和48V電源更能提供384W和768W的功率。如此大功率的電源供給，使得VPX子卡可以集成更多的模塊，也使得VPX匯流排架構的散熱問題更加嚴重。因此，VPX匯流排提供了空氣散熱、金屬傳導散熱和液體散熱共三種散熱方式，很好的解決了VPX的散熱問題。

隨後的時間裡，VITA組織又對VPX標準做了一些升級，比較重要的有兩個：一是VITA48，即VPX-REDI，主要是對散熱和結構加固等方面做了新的定義，以滿足軍事和航空航天領域嚴酷的應用環境；二是VITA65，即OpenVPX，主要解決了不同廠商對P2至P6定義不同而不兼容的問題，其在VPX規範基礎上重新定義了系統兼容框架，是一個系統級標準。VPX匯流排也因上述優點和不斷的更新升級，成為最具有發展潛力的匯流排技術。