יכולת תקשור ופעולה ביישומים משובצים

עם הופעתם של מארגי תקשורת (fabric) טוריים, הוכח שהאפיק המקבילי VME אינו מספיק לצרכים של מערכות משובצות בעלות ביצועים ברמה הגבוהה. אפיק VPX, שנודע גם בשם VITA 46, הוא היורש של מפרט VME המיועד לדור הבא של חיבורים פנימיים המשמשים בתנאי סביבה קשים. אפיק VPX מספק תאימות לאחור לאפיק VMEbus המסורתי דרך שימוש בגישורים ייעודיים. תקן אפיק זה מתאר מעגל בגורם צורה צפוף דחוס ומוקשח שתומך ברוחב הפס הגבוה הנדרש ליישומים משובצים קיימים ועתידיים (איור 1). בהשוואה ל–VME/ CPCI, אפיק VPX מספק פתרון מסחרי מהמדף (COTS) עם רוחב פס גדול יותר, פיני כניסות/יציאות רבים יותר עבור המשתמש, קשיחות משופרת וקלות שימוש בשטח. לאפיק VPX יש יכולת שדרוג גבוהה וגמישות רבה, והוא מתאפיין בריבוי פינים מהירים, בתקשורת מהירה בין מעגלים ובהעברת הספק רב יותר. VPX מאפשר תחזוקה בשתי רמות דרך VITA 48 (VPX–REDI).
המספר העצום של פינים מהירים המוגדרים על ידי VPX מאפשר למגוון רחב של מארגי תקשורת לענות על דרישות התעשייה. גמישות זו יצרה במימושים רבים בעיות ביכולת התקשור והפעולה (interoperability) בין מודולי VPX לבסיס המארז. לכן נוצרה הדרישה עבור קבוצה של לוחות אם שתגדיר מימושי מערכות ותענה לטווח הרחב ביותר של דרישות היישומים בתוך המערכת, דרישה למדריך תכנון עבור מפתחי מערכות.
מפרט מערכות OpenVPX (VITA 65) פותח על ידי קבוצה של יצרנים, ספקים ואינטגרטורים של מערכות שענו על הדרישות לתקשור ופעולה. OpenVPX מספק מסגרת פעולה ליכולת תקשור ופעולה בין מודולים לבסיסי מארזים על ידי הגדרה של קבוצת מפרטים בתוך VPX (הידועים כפרופילים), אשר מרכזים את מספר הצירופים והתמורות העצום של מימושי מודולים ולוחות אם. בכך VPX מאיץ את הפיתוח והפרישה, מקצר את זמן הבדיקות ומבטיח שמודולים שמיוצרים על ידי ספקים שונים יתקיימו זה בצד זה במערכת נתונה. יכולת תקשור ופעולה מספקת יתרונות לספקים וגם לאינטיגרטורים: הספקים יכולים להרכיב מוצרים לפי הגדרות הפרופילים ולהצהיר עליהם כתואמים למפרט והאינטיגרטורים יכולים לבחור מוצרים שתואמים לפרופיל שבו הם מעונינים. VPX ו–OpenVPX מתאימים ביותר ליישום בשימושים צבאיים, תעשייתיים וביישומי חלל–אוויר (כולל מכ”ם), multi–INT (שימוש בנתוני מכ”ם והטמעת נתונים), עיבוד תמונה, תעשיית האוויר, בטחון פנים ולחברות תשתיות תקשורת ותובלה.

היתרונות והאתגרים של VPX
VPX שומר על צורת המעגלים 6U של VME, אך מחליף את המחבר במחבר RT2 החדש בעל 7 שורות המספק מהירויות גבוהות יותר, מגיעות עד 6.25 ג’יגה–סיביות בשנייה, ומגדיל את המהירות המרבית המסופקת על ידי האפיקים VME64x ו–VXS בסדרי גודל שלמים (איור 2). מחברי RT2 של MultiFig מאורגנים עם קבוצות של פינים משותפים שמסומנות מ–P0 עד P6. ל–VPX יש כמות מספקת של פינים מהירים (192 זוגות), עבור מארג תקשורת ממותג, Ethernet וחיבורי כניסות/ יציאות. כך מתאפשרים חיבורי כניסה ויציאה אחוריים רבים או חיבור כרטיסי ביניים לפי הצורך.
VPX מאפשר חיבור ישיר של חיבורים פנימיים של כרטיסים במארג תקשורת טורי על לוח האם. כאשר מעבדי הפלטפורמות החדשות שמכילים ריבוי ממשקים של מארגי תקשורת מהירים על השבב ישולבו עם היכולת של VPX לתפוקה גבוהה על פני לוח האם, אפשר יהיה להגדיל את ביצועי המערכות, להקטין את צריכת ההספק ולהקטין את מספר צומתי המחשוב הנדרשים, ובכך להקטין בפועל את מספר המעגלים. ההוספה של תקן REDI (VITA 48) אל VPX, יוצרת שילוב (שנודע בשם VPX–REDI) שתומך בתקציב הספק לחריץ התקנה גבוה, באפשרות הקשחה טובה ובשיטות קירור בתקן פתוח, אשר כוללות את שיטת האוויר המאולץ המסורתית, מעבר אוויר ישיר והולכה.
יכולות אלו חשובות במיוחד במערכות קריטיות, כגון מערכות קליטה ועיבוד של חיישנים המצויות במערכות כרב”מ (כלי רכב בלתי מאויש). הפונקציות של מחשב המשימה במערכות מוטסות יכולות לכלול עיבוד אותות ותמונות, ניהול חריגות ומצבי מערכות משנה, אחסון פרופילי משימות ובקרת מידע. ככל שמערכות כרב”מ יתמזערו הן יסבלו ממגבלות מרחב ומשקל חמורות.
הגורמים הראשונים שאימצו את VPX ליישומים צבאיים וליישומי חלל–אוויר נמשכו לרמות הגבוהות של רוחב הפס בתחומי הנתונים וההספק שלא היו קיימות לפני כן בכל ארכיטקטורת אפיק בתקן תעשייתי. יתרונות נוספים כוללים את היכולת לטפל במעגלים בעלי רמות הספק גבוהות יותר מאשר VME. בנוסף, VPX הופך לסטנדרט טכנולוגיות קירור מתקדמות והגנה מפני פריקה אלקטרו–סטטית וכיסויי מגן ממתכת. כתוספת לתקן VPX, יש ל–OpenVPX כמה יתרונות. הוא מקדם את יכולת התקשור והפעולה, מספק פרופילי תכנון משותפים מוגדרים מראש, (שלפיהם היצרנים יכולים לתכנן ושאותם אינטיגרטורים יכולים להגדיר כדרישה בתכנון) ומפחית בעיות אינטגרציה (ובכך מאפשר זמני פיתוח ופרישה מהירים יותר). ואולם, OpenVPX אינו מגדיר הכל ומשאיר ליצרן מקום להמצאתיות. הפרופילים שומרים על פינים להגדרת המשתמש כמענה לדרישות קריטיות של לקוחות, לטיפול בכניסות וביציאות, ולתקשורת ממעגל למעגל בהתאמה אישית. פינים אלו יכולים להגביל את יכולת התקשור והפעולה ואת יכולת ההחלפה של מודולים תואמי OpenVPX. ועם זאת, יכולת “תקע–והפעל” (plug–and–play) מלאה נחשבת לחשובה פחות מאשר בידול לקוח ובידול יצרן שיאפשרו עמידה בדרישות פונקציונליות ובדרישות SWaP של יישומים. פרופילי מודולים לא מגדירים עד הסוף יכולות תקשור ופעולה מעל שכבות 1 ו–2, ומספור וניתוב מארגי תקשורת לא מוגדרים במלואן על ידי OpenVPX. את אלו אפשר להגדיר דרך מודולי המעבר האחוריים (RTM).

מהו OpenVPX וכיצד הארכיטקטורה שלו פועלת
OpenVPX אינו תחליף ל–VPX, אלא קבוצת משנה של מימושי VPX שעונים על דרישות ארכיטקטורת המערכת ומתבססים על מפרטי VPX (כמו 46.1, 46.3, 46.4, 46.7 ו–46.11).
ב–OpenVPX קיימים פרופילי בסיס מארז לפיתוח סטנדרטיים משלושה גדלים: 6 חריצי התקנה או פחות, 10 חריצים ו–16 חריצי התקנה. כל אחד מהם מאפשר גודל 3U או 6U ומודולים מקוררים באוויר מאולץ או בהולכה. כל פרופילי בסיס מארז מניחים שהגישה לרוב הפינים המוגדרים על ידי המשתמש משתמשת במודולי RTM. פרופילי מודולים (MOD) מגדירים כיצד צינורות מסוימים ממומשים בלוחות אם מסוימים. הם מגדירים את פרוטוקולי התקשורת שבהם אפשר להשתמש בכל צינור.
במישור העזרים מספק מפרט OpenVPX הגדרות משופרות של פיני אותות ופיני עזר, שאינם מוגדרים על ידי VPX, וכן מימושים קבועים וארכיטקטורות מוגדרות עבור מארג התקשורת הראשי לנתונים, למישור הנתונים, לערוצי הפקודות ולמישור הבקרה. הוא מספק גם ערוץ תקשורת משני שהוגדר לאחרונה (נקרא “מישור הרחבה”), שמאפשר קישור למודולי כניסות ויציאות מחוץ למארג התקשורת באמצעות מארגי תקשורת אחרים ממישור הנתונים (בדרך כלל PCI Express).

פיתוח מערכת עם OpenVPX
יתרונות לוח האם המשותף ברורים במיוחד בשלב פיתוח המערכת, כאשר לקוחות יעדיפו לוח אם בהתאמה אישית כדי להתאים את הביצועים והעלות לתכנון שלהם, על אף שעלות לוחות אם סטנדרטיים נמוכה יותר, זמן היציאה לשוק מהיר יותר והסיכון נמוך יותר. מאחר ש–OpenVPX מגדיר קבוצה של ארכיטקטורות מערכת, הוא מדריך מפתחי מערכות לבחור באחד מבין קבוצת פרופילים תקניים של לוחות אם וחריצי התקנה. מאחר שאפשר להשתמש בכמה פרופילים אפשריים של מודולים עם ה”צינורות” של פרופיל חריץ התקנה, המפתח יתכנן מעגל המיועד לפרופיל מודול מסוים. מעגלים בעלי פרופילים זהים או דומים אמורים להתחבר יחד ולהיות בעלי יכולת לתקשר בינם לבין עצמם.
לוח האם הוא נקודת המוקד של מפרט OpenVPX. ראשית יבחר מתכנן המערכת בטופולוגיה של לוח אם המתאימה לצורכי המחשוב, הכניסות והיציאות בהתבסס על דרישות היישום. טופולוגיה נתונה מורכבת מכמה טופולוגיות של לוחות אם אשר מכתיבות את המעמס ולפי הנדרש פרופיל של מתג עם מישור הבקרה, הנתונים וההרחבה. בהתבסס על בחירה זו, יצטרך מתכנן המערכת לוודא ששילוב פרופילי חריץ ההתקנה והמתג יעמדו בדרישות המערכת. המעמס ופרופיל המתג יגדירו את הקצאת חיבורי הפינים. פרופילי חריץ ההתקנה ולוח האם אדישים לפרוטוקול. על המתכנן לבחור את פרופיל המודולים המתאים כדי להבטיח את יצירת מארג התקשורת הטורי המהיר הנדרש.
חברת Curtiss–Wright Controls Embedded Computing ניצבת במעמד מוביל בפיתוח מפרטי VPX ו–OpenVPX. VPX הוא טכנולוגיה דינמית וגמישה ביותר ו–OpenVPX ייגבש את השוק לקבוצה מוגבלת של פתרונות משותפים. החברה מתכננת להציע את השילוב המדקיף ביותר של פתרונות מעגלים ומערכות משנה בתקנים פורצי דרך אלו.

סיכום
OpenVPX מרחיב את מפרטי VPX ומספק מפרט מערכת שנותן מענה לנושאי תקשור ופעולה בין מודולי VPX ובסיס המארז. OpenVPX הוא מפרט ניתן להרחבה שעונה על דרישות המחשוב, הקיימות היום ובעתיד, לתנאי סביבה קשים. חברת Curtiss–Wright Controls Embedded Computing ניצבת במעמד מוביל בתחום VPX ובתחום OpenVPX ומתכננת לספק את הקבוצה המקיפה ביותר של מוצרים לשוק זה.