Le bus VME (Versa module eurocard) vient de fêter ses vingt-cinq années d'existence. En effet, c'est en octobre 1981 que les bases techniques de ce bus fond de panier ont été explicitées conjointement par les sociétés Mostek (aujourd'hui disparue) Motorola et Philips/Signetics. Dès le départ, cette spécification de bus parallèle 16/32 bits a rencontré un succès industriel, notamment en France, où elle a été adoptée par Thomson pour la conception de cartes à base de processeurs 68000 de Motorola. Face au développement très rapide du concept, en mars 1983, les travaux de standardisation du bus ont été engagés auprès de l'IEEE. Travaux qui ont abouti en 1987 à la publication de la norme IEEE-P1014, intégrant de nombreuses améliorations par rapport à la proposition initiale de 1981 (adjonction de nouveaux cycles, chronogrammes améliorés, création de blocs fonctionnels...).

Parallèlement, le Vita (VME international trade association), créé en 1984, fédère depuis plus de vingt ans l'ensemble des initiatives technologiques qui assurent l'évolution du bus, à l'origine de son extraordinaire longévité (figure). Car force est de constater que le bus VME, malgré les annonces régulières de sa mort annoncée liées à l'apparition de technologies concurrentes (en particulier CompactPCI hier et MicroTCA aujourd'hui), continue à jouer un rôle très important sur le marché des architectures matérielles.

Des études de marché américaines (VDC) montrent par exemple que le marché mondial du bus VME, estimé à environ 900 M$, les produits militaires sur étagère représentant 50 % de ce chiffre global, devrait croître encore en valeur de 7 % pour l'année 2006. A noter que la France joue un rôle particulier sur ce marché, car en Europe c'est elle qui compte le plus grand nombre d'applications VME, non seulement pour ce qui a trait aux projets existants, mais aussi pour les nouveaux développements.

Au-delà du domaine militaire où le bus VME demeure dominant, il ne faut pas oublier les autres marchés où cette technologie a toujours sa place parmi les solutions techniques adaptées aux applications de test, de simulation et de contrôle-commande sur des secteurs aussi divers que les transports, le médical et les automatismes industriels (photo A). Pourtant, il n'est pas toujours facile pour l'utilisateur de trouver la solution optimale capable de répondre à ses exigences en termes de maintenance, de sécurité, de fiabilité ou de disponibilité. Car face au VME, ces dernières années, une concurrence très active a vu le jour : le bus CompactPCI, le bus parallèle aujourd'hui le plus répandu face au VME, les systèmes fondés sur des liaisons point à point comme l'AdvancedTCA ou plus récemment le MicroTCA, ou encore les architectures basées sur le PCI Express, comme le Compact PCI Express. Par ailleurs, les solutions propriétaires avec d'innombrables formats pour les cartes systèmes, sur lesquelles on implante des System-on-modules ou Computer-on-modules (SOM ou COM), sont en train de gagner des parts de marché et cannibalisent une partie de la base installée du VME. Ce type de solution bénéficie en effet à l'heure actuelle d'une très forte croissance sur le marché de l'embarqué, de l'ordre de 20 % par an jusqu'en 2010 selon plusieurs études de marchés concordantes (VDC, Crystal Cube). Ces mêmes études anticipent que les architectures basées sur des formats plus ou moins propriétaire sur lesquels viennent s'implanter des cartes COM devraient représenter jusqu'à 6 % du marché global des systèmes embarqués à l'horizon 2010.

En dehors de l'émergence de ce phénomène, on constate aussi aujourd'hui, malgré la montée en puissance des solutions basées sur des liaisons « point à point » , que les architectures basées sur un bus parallèle sont toujours aussi populaires. Ainsi, par exemple, le bus CompactPCI fait désormais jeu égal avec le VME, sans toutefois le dépasser en termes de chiffre d'affaires. D'un point de vue technique, au vu de sa bande passante nettement plus élevée que le VME (130 Mo/s en mode crête pour le PCI 32 bits, jusqu'à 528 Mo/s pour le PCI 64 bits) et de sa capacité d'accès à des blocs de données, le CompactPCI est mieux adapté aux applications avec des besoins de communication intensifs, comme par exemple les systèmes multimédias.

De son côté, le bus VME présente l'avantage d'une très grande rapidité pour les accès simples, notamment pour lire les entrées/sorties analogiques ou binaires, ce qui en fait un candidat naturel pour les applications de bancs de test et de simulation. De même, un système basé sur le bus VME reste un choix pertinent lorsque l'on a besoin de plusieurs cartes processeurs communiquant entre elles, via le fond de panier, et qui se partagent une même alimentation électrique et les mêmes entrées/ sorties. Dans ce cas, le VME est plus intéressant que le CompactPCI, car on peut réaliser plus aisément des systèmes multiprocessing symétriques avec le VME qu'avec le bus PCI ou même le PCI Express en raison de leur caractère hiérarchique. Autre cas de figure favorable au VME, les applications à sûreté critique comme dans le ferroviaire ou l'aviation. Sur ces secteurs, la conception de systèmes redondants est une méthode courante pour la détection d'erreurs avec un doublement des cartes processeurs au sein d'un châssis, associé à des dispositifs de mise en état « sûr » du système (via une déconnexion de la carte jugée en dysfonctionnement). La simplicité des échanges entre cartes sur un fond de panier VME facilite la maîtrise de la sûreté de fonctionnement de ces systèmes redondants.

Enfin, autre constatation, bien que la tendance actuelle soit une baisse du VME sur les nouveaux projets, il reste une demande résiduelle, y compris pour des systèmes 3U dotés d'un bus de données sur 16 bits. Notamment lorsque le taux de transfert sur le bus, limité à 40 Mo/s sur 32 bits sur ces cartes, n'est pas un critère décisif. Cependant, il est impossible d'ignorer que le CompactPCI au format simple Europe offre l'avantage d'une largeur de bus complète de 32 ou 64 bits, et qu'à l'heure actuelle ce standard bénéficie d'une croissance soutenue alors que les systèmes VME au format 3U tendent à disparaître.

La situation est évidemment très différente sur d'autres marchés, comme les télécommunications, qui ont investi massivement sur le CompactPCI, et vont aller pour les gros systèmes vers l'AdvancedTCA. En effet sur ce secteur, malgré l'arrivée de taux de transferts élevés, jusqu'à 320 Mo/s définis pour l'extension VME 2eSST, 1 Go/s avec la solution Gigabit Ethernet via le connecteur P0 du VME ou encore plusieurs Go/s avec la première génération d'extensions Switch Fabric (architecture commutée), l'architecture VME n'est définitivement pas adaptée. Et les futures extensions VPX du bus VME, basées exclusivement sur des liaisons point-à-point, ne changeront pas fondamentalement la donne (voir encadré I de la page suivante).

A côté de la concurrence du CompactPCI bien établie, se profile pour les années qui viennent celle du CompactPCI Express. En effet, sous l'ombre tutélaire d'Intel, le concept du PCI Express, au départ conçu pour la transmission rapide de données en série entre les composants, s'est peu à peu élargi au marché des cartes. Comme il existe d'ores et déjà un volume très important de circuits pour cette technologie de communication, et que la compatibilité logicielle avec le bus PCI est assurée, il est clair que pour l'utilisateur industriel remplacer le bus PCI par le PCI Express est une opération abordable d'un point de vue économique.

Au niveau système, la situation est cependant différente. En effet, les standards dits Switch Fabric (architectures commutées) comme l'AdvancedTCA, les modules mezzanines AMC (Advanced mezzanine card) et le nouveau standard MicroTCA, imposent de repenser complètement son application. Même si certaines applications industrielles exigent les taux de transfert très élevés offerts par ces techniques (plusieurs Go/s de bande passante), la migration des applications - et le transfert de savoir-faire inhérent à cette opération - entraîne des coûts élevés. En outre, une communication rapide entre cartes n'est pas toujours nécessaire car beaucoup de fonctions peuvent être réalisées sur une seule carte, avec bus local PCI Express. Et si une liaison rapide entre cartes s'avère nécessaire, le transfert par le biais d'un lien Ethernet/IP est plus avantageux car, dans ce cas, il n'y a aucun besoin de logiciels additionnels.

Pour cette raison, il existe plusieurs possibilités d'extension d'un bus série traditionnel, afin de maîtriser les difficultés de migration des applications logicielles écrites pour un système à bus parallèle. Par exemple, au sein du Vita, le standard Vita 41 ou VXS (VMEbus switched serial) a pour ambition de lier bus parallèle VME 2eSST avec les systèmes commutés basés sur les lien,

StarFabric ou InfiniBand via un nouveau connecteur P0. Malheureusement, cette migration n'est pas elle non plus exempte de coûts indirects, car le VXS n'est pas totalement compatible avec le VME 32/64. Néanmoins, à l'heure actuelle beaucoup d'utilisateurs se contentent de cette approche, pour ne pas basculer en une seule fois vers des architectures entièrement commutées.

Une autre manière de limiter les risques d'une transition brutale vers des environnements à base de liens série est d'utiliser le concept Ethernet sur fond de panier, décrit au sein de la spécification PICMG 2.16. Une solution désormais très populaire et très répandue notamment dans les architectures à base de cartes CompactPCI 6U dans les applications télécoms.

Alors que le point fort du bus VME est la nature robuste de son architecture de bus parallèle, très prisée notamment dans les environnements temps réel sévères, la largeur de sa bande passante (80 Mo/s) est en revanche un facteur limitant aujourd'hui son développement. L'extension de la largeur du bus via la technologie 2eSST (2 edge source synchronous transfert), introduite en 2003 (Ansi/Vita 1.5-2003), augmente cette bande passante de manière considérable, au-delà de 300 Mo/s, soit une performance suffisante pour la grande majorité des applications.

Cependant, cette amélioration ne résout pas les autres points faibles de l'architecture VME : absence de réseaux de type « serial fabric » (liens point-à-point au-dessus du VME), impossibilité de faire du « hot swap » (insertion/ extraction de cartes en fonctionnement au sein d'un châssis), ou encore manque de systèmes de gestion de plate-forme (suivi des alimentations, du système de refroidissement...). L'arrivée des technologies de liens point-à-point, basées sur l'intégration d'Ethernet en fond de panier, introduit des avantages significatifs quant au taux de transfert de certaines données, jusqu'à 1 Go/s.

Le standard CompactPCI avec la norme PICMG 2.16 a franchi le premier ce concept de « bus parallèle + lien point-à-point » sur un même fond de panier. Parallèlement, l'avènement des standards AdvancedTCA et MicroTCA a permis la mise à disposition pour l'utilisateur de systèmes sophistiqués de gestion de plate-forme. Face à ces évolutions, le Vita se devait d'offrir aux utilisateurs du VME un chemin similaire, notamment avec les standards Vita 31.1, 41 et 46. C'est à travers ces travaux de standardisation que se prépare la nouvelle génération des systèmes à base de cartes VME (figure encadré I et II).

L'histoire de cette technologie débute en 2003 avec l'entrée en vigueur de la spécification Ansi/ Vita 31.1, c'est-à-dire Ethernet sur le bus VME64x. Ce standard s'est inspiré du PICMG 2.16 qui utilise un connecteur P3 de 2 mm au centre, pour la commutation des liens Ethernet. Le VME64x a rajouté le même type de connecteur métrique entre les connecteurs J1 et J2 à la norme Din et l'a appelé P0. A l'origine, seules les broches de masse (GND) étaient assignées, ce qui laissait la liberté à l'utilisateur de définir selon ses exigences les entrées/ sorties supplémentaires. Plus tard, la spécification Ansi/Vita 35 a défini toutes les broches P0, à l'exception de 31 d'entre elles et le routage du connecteur P4 dédié aux cartes mezzanines PMC. Avec cette approche, la « fabrique » Ethernet est implantée via le connecteur P0 et devient ainsi le plan de données du système.

Dorénavant, avec cette architecture, tous les slots peuvent communiquer entre eux à la vitesse du protocole Ethernet choisi. Et, si nécessaire, le bus VME parallèle demeure présent en tant que plan de contrôle. La topologie simple ou double étoile est supportée, la topologie double étoile est utilisable pour assurer un niveau de sûreté plus élevé (photo B).

Comme le standard Vita 31.1, la norme VXS ajoute un connecteur P0 entre P1 et P2. Mais ici il s'agit d'un connecteur à sept rangées, dits « MultiGig » , capable de supporter des signaux d'une bande passante de plusieurs GHz. Ce connecteur ajoute un lien différentiel haut débit afin de satisfaire des exigences de commutation sérielle pour des réseaux comme InfiniBand, Serial RapidIO, PCI Express ou 10 Gigabit Ethernet. Les cartes traditionnelles VME sans connecteur P0 peuvent être insérées dans le fond de panier, assurant ainsi une compatibilité ascendante entre cartes VME. Le standard VXS autorise aussi la notion de « hot swap » (insertion/extraction « à chaud » de cartes) et des mécanismes d'alignement pour les cartes. Quant aux protocoles de gestion de système, ils sont en cours d'examen au sein de plusieurs groupes de travail du Vita. Via cette approche, en combinant le bus VME traditionnel avec cet accès à des options de commutation de réseau de très haut débit, VXS est une offre intéressante notamment pour la conception de calculateurs embarqués dédié à des traitements de données à très haut débit : acquisition et le traitement d'images par radar, réseaux de communication militaires, etc.

A ce sujet, il existe des projets d'implantation à base de quatre cartes VXS entièrement redondantes (maillage total entre cartes processeurs, standard Vita 41.7 en cours de ratification), qui rendrait possible des taux de transferts maximum de 7,5 Go/s entre les emplacements, ce qui serait plus rapide que les taux de transferts envisagés pour le standard VPX (encadré I), estimés à 5 Go/s environ. Ce standard augmente ainsi à cinq le nombre d'emplacements de commutation, contre deux pour les systèmes actuels (photo C).

Un autre projet d'extension, le Vita 41.6, a pour objet de rajouter un plan de contrôle Gigabit Ethernet sur le fond de panier. Ce plan de contrôle gérerait toutes les opérations locales de contrôle et d'ajustage du système, rendant ainsi possible des options de gestion sans broches additionnelles et n'interférant pas avec le réseau de commutation. Des fonds de panier hybrides, qui accueillent aussi bien des emplacements VME traditionnels que des nouvelles cartes VXS, sont en outre disponibles dès maintenant sur le marché.