IEEE 896 негізіндегі Futurebus: Компьютерлік шина стандартының тарихы мен мәселелері

Кіріспе

Универсалды компьютерлік шина стандарты. Futurebus немесе IEEE 896 – компьютердегі барлық жергілікті шина қосылымдарын, оның ішінде процессорды, жадты, қосымша карталарды және тіпті, белгілі бір деңгейде, машиналар арасындағы LAN байланыстарын алмастыруға бағытталған компьютерлік шина стандарты. Бұл жұмыс 1979 жылы басталды және 1987 жылға дейін аяқталмады, содан кейін бірден 1994 жылға дейін созылған қайта жобалау кезеңіне кірісті. Осы кезде стандартқа негізделген чип жиынтығын енгізуде салалық көшбасшылық болмады. Ол кеңінен қолданылмады, бірақ оның арнайы әзірленген нұсқалары индустрияда әлі де жасалып, қолданылуда.

Тарих

1970 жылдардың соңында VMEbus оған қосылған элементтерден жылдам болды. Компьютер құру үшін процессор мен жадты VME-ге жеке тақшаларда қосу әбден орынды болды. Бірақ процессорлар мен жадтың жылдамдығы күрт артқан сайын, VME тез арада артта қалды. VME жылдамдығын арттыру оңай болған жоқ, себебі оған қосылған барлық элементтер де осы жаңа жылдамдықтарды қолдай білуі керек еді. Futurebus осы мәселелерді шешуге және VMEbus сияқты жүйелердің ізбасары болуға тырысты, мұндай жүйе қолданыстағы құрылғыларға кедері келтірмей жылдамдықпен өсе алатын еді. Осы мақсатқа жету үшін Futurebus негізгі технологиясы асинхронды байланыстарды пайдалана отырып жасалды, бұл оған қосылған құрылғыларға қалаған жылдамдықпен байланысуға мүмкіндік берді. Тағы бір шешілуі керек мәселе – жүйеде бірнеше тақшаны «басқарушы» ретінде тағайындау мүмкіндігі болды, бұл Futurebus-қа көппроцессорлық машиналар құруға мүмкіндік берді. Бұл үшін әртүрлі тақшаларға кез келген уақытта шинаға қол жеткізуге рұхсат беру үшін «таратылған төрелік» қажет болды, бұл VME-ден өзгеше, жалпы басқарумен 0-шы ұядағы бір ғана басқарушыны орналастырды. Futurebus-тың нақты тиімділігін көрсету үшін, оны алдағы он жылға қажетті өнімділік деңгейіне жеткізу үшін жобалады. Әдетте IEEE стандарттары компанияның құрылғысын жасап, оны IEEE-ге стандарттау үшін жіберуімен басталады. Futurebus жағдайында бұл керісінше болды, жүйе стандарттау процесі кезінде жобаланды. Бұл оның сәтсіздігіне себеп болды. Компаниялар Futurebus-ты жүйе ретінде қабылдағаннан кейін, барлығы оған қосылды. Көп ұзамай стандарттау жиналыстарына жүздеген адам қатысты, олардың барлығы өздерінің қажеттіліктері мен тілектерін ескеруді талап етті. Күрделілік артқан сайын стандарттау процесі баяулады. Нәтижесінде, 1987 жылға дейін ерекшеліктерге келісуге сегіз жыл кетті. Tektronix Futurebus негізінде бірнеше жұмыс станцияларын жасады. American Logic Machines (ALM) VME-ден Futurebus+-қа және басқа шинадан Futurebus көпір технологияларын қоса алғанда, Futurebus гибридтік шешімдерін құруды жалғастыруда. Бұл АҚШ Әскери-теңіз күштері үшін өте уақтылы болды, олар жаңа жылдам жүйе іздеп жүрген еді. Келесі буын компьютерлік ресурстар (NGCR) жобасы үшін жаңадан құрылған Seawolf класындағы су асты кемелерінде сонар деректерін беруге арналған, олар Futurebus-та стандарттастыруға келісті, егер тағы бірнеше өзгеріс енгізілсе. Үлкен мемлекеттік сатып алу мүмкіндігін көріп, Futurebus+ құрамына қосымша жұмыстар бірден басталды. Futurebus+ стандартының жарыққа шығуына тағы төрт жыл кетті, осы уақытқа дейін Futurebus-тың жеке нұсқасы өнеркәсіпте көш бастады. Futurebus+ қолдаушыларының барлығы Futurebus+ қандай болуы керек деген өз пікірлерін білдірді. Бұл «профильдерге» айналды, Futurebus+ нарықтың белгілі бір саласына бағытталған әртүрлі нұсқалары. Futurebus+ профиліне сәйкес тақшалардың басқа профильге сәйкес жасалған тақшалармен жұмыс істеуіне кепілдік берілмейді. Futurebus+ стандарттарын әзірлеу саясаты соншалықты күрделі болды, сондықтан IEEE 896 комитеті IEEE микрокомпьютерлік стандарттар комитетінен бөлініп, IEEE шина архитектурасы стандарттары комитетін (BASC) құрды. Нәтижесінде Futurebus-ты аз ғана пайдалануға тырысты. Олар жүйеге берген он жылдық өнімділік артықшылығы он жылдық стандарттау процесінде жоғалып кетті, ал PCI сияқты дәстүрлі жергілікті шина жүйелері өнімділік жағынан жақын болды. Осы уақыт аралығында VME экожүйесі дамып, бүгінгі күнге дейін қолданылып келеді. Futurebus технологиясының арнайы іске асырылуы қазіргі уақытта жоғары деңгейдегі желілік қосымшалар, корпоративтік кластағы маршрутизаторлар, жоғары өнімділіктегі блэд-серверлер және бейне сұранысы сияқты жоғары сұранысқа ие мазмұнмен жұмыс істейтін қосымшалар үшін артқы тақша технологиясы ретінде қолданылады. Futurebus күш-жігері қарапайым сериялық технологияларға серпіліс берді. Содан кейін бір топ осы қажеттілікке тікелей бағытталған жүйе құру үшін ұйымдастырды, бұл ақырында Scalable Coherent Interface (SCI) құрылуына әкелді. Осы арада тағы бір мүше бүкіл тұжырымдаманы әлдеқайда қарапайым негізде қайта құруға шешім қабылдады, нәтижесінде QuickRing пайда болды. Осы стандарттардың қарапайымдылығынан екі стандарт та Futurebus+-дан бұрын аяқталды. Futurebus+ 1980 жылдары өз заманынан алда болды. VME және басқа да параллель шина стандарттары әлі де Futurebus-те, әсіресе жоғары өнімділік қосымшаларында іске асырылатын тұжырымдамаларды бейімдеуге тырысады. Futurebus кэш-когеренттілік, тақшалардың тірі кірігуі және трапецидті қабылдағыштар туралы кейбір бастапқы жұмыстардың көзі болды. Трапецидті қабылдағыштардың зерттеу уақыты бақыланады және олардың артқы тақша мен шина дизайнын әлдеқайда жеңілдетеді. Алғашқы трапецидті қабылдағыштар National Semiconductor компаниясымен жасалған. Жаңа Futurebus+ қабылдағыштары IEEE Std 1194.1 1991 Backplane Transceiver Logic (BTL) стандартына сәйкес келеді және әлі де Texas Instruments компаниясымен жасалады. Futurebus+ DEC 4000 AXP және DEC 10000 AXP жүйелерінде I/O шинасы ретінде қолданылды. Futurebus+ FDDI тақшалары әлі де OpenVMS операциялық жүйесінде қолдау көрсетіледі. Futurebus+ арнайы чиптері American Logic Machines сияқты компаниялар қолдайтын Unix сияқты операциялық жүйелердің жетілдірілген симметриялық және асимметриялық нұсқаларын қолдайды. Көптеген техникалық ерекшеліктер (асинхронды дерек шинасы, таратылған шина төрелігі, үлкен тақша мөлшері) IEEE FASTBUS стандартымен ортақ. FASTBUS 1980 және 1990 жылдары көптеген жоғары энергиялық физика эксперименттерінде деректерді жинау жүйесі ретінде қолданылды.

In the late 1970s, VMEbus was faster than the parts plugged into it. It was quite reasonable to connect a CPU and RAM to VME on separate cards to build a computer. However, as the speed of the CPUs and RAM rapidly increased, VME was quickly overwhelmed. Increasing the speed of VME was not easy, because all of the parts plugged into it would have to be able to support these faster speeds as well. Futurebus looked to fix these problems and create a successor to systems like VMEbus with a system that could grow in speed without affecting existing devices. In order to do this the primary technology of Futurebus was built using asynchronous links, allowing the devices plugged into it to talk at whatever speed they wished. Another problem that needed to be addressed was the ability to have several cards in the system as "masters", allowing Futurebus to build multiprocessor machines. This required some form of "distributed arbitration" to allow the various cards to gain access to the bus at any point, as opposed to VME, which put a single master in slot 0 with overall control. In order to have a clear performance benefit, Futurebus was designed to have the performance needed ten years in the future. Typical IEEE standards start with a company building a device, and then submitting it to the IEEE for the standardization effort. In the case of Futurebus this was reversed, the whole system was being designed during the standardization effort. This proved to be its downfall. As companies came to see Futurebus as the system, they all joined in. Soon the standards meetings had hundreds of people attending, all of them demanding that their particular needs and wants be included. As the complexity grew, the standards process slowed. In the end it took eight long years before the specification was finally agreed on in 1987. Tektronix did make a few workstations based on Futurebus. American Logic Machines (ALM) continues to build end to end system Futurebus hybrid solutions, including VME to Futurebus+ and other Bus to Futurebus bridge technologies. That was just in time for the US Navy who had been looking for a new high speed system for the Next Generation Computer Resources (NGCR) project for passing sonar data around in their newly designed Seawolf class submarines, and they said they would standardize on Futurebus if only a few more changes would be made. Seeing a potential massive government buy, the additions effort started immediately on Futurebus+. It took another four years for the Futurebus+ Standard to be released by this time custom variation of Futurebus took the lead in industry. All of the Futurebus+ proponents had their idea of what Futurebus+ should be. This degenerated into "profiles", different versions of Futurebus+ targeted towards a particular market. Boards that were compliant with one Futurebus+ profile were not guaranteed to work with boards built to a different profile. The Futurebus+ standards development politics got so complicated that the IEEE 896 committee split from the IEEE Microcomputer Standards Committee and formed the IEEE Bus Architecture Standards Committee (BASC). In the end very little use of Futurebus was attempted. The decade long performance gap they gave the system had evaporated in the decade long standards process, and conventional local bus systems like PCI were close in performance terms. Meanwhile, the VME ecosystem had evolved to such a degree that it continues to be used today, another decade on. Custom implementations of the Futurebus technology are currently used as backplane technologies for high end network applications, enterprise class routers, high performance blade servers, and application with high demand content such as video on demand. Futurebus effort did act as a catalyst for simpler serial technologies. A group then organized to create a system aimed directly at this need, which eventually led to Scalable Coherent Interface (SCI). Meanwhile, another member decided to simple re create the entire concept on a much simpler basis, which resulted in QuickRing. Due to the simplicity of these standards, both standards were completed before Futurebus+. Futurebus+ was ahead of its time in the 1980s. VME and other parallel bus standards are still trying to adapt concepts that are implemented in the Futurebus, specially in high performance applications. Futurebus was the source of some of the original work on cache coherency, Live Insertion of boards, and Trapezoidal Transceivers. Trapezoidal Transceivers have a controlled risetime and make backplane and bus design much simpler. The original Trapezoidal Transceivers were made by National Semiconductor. Newer Futurebus+ transceivers that meet the IEEE Std 1194.1 1991 Backplane Transceiver Logic (BTL) standard are still made by Texas Instruments. Futurebus+ was used as the I/O bus in the DEC 4000 AXP and DEC 10000 AXP systems. Futurebus+ FDDI boards are still supported in the OpenVMS operating system. Futurebus+ custom chips support advanced Symmetric and Asymmetric versions of Unix Like operating systems supported by companies such as American Logic Machines. Many of the technical features (asynchronous data bus, distributed bus arbitration, large board size) are shared with IEEE standard FASTBUS. FASTBUS was used as a data acquisition system in many high energy physics experiments in the 1980s and 1990s.