采用可編程串行接口設(shè)計(jì)背板

在網(wǎng)絡(luò)路由器或交換機(jī)以及企業(yè)存儲(chǔ)設(shè)備等系統(tǒng)中的高速背板中，通信系統(tǒng)正在使速度限制超越傳統(tǒng)的1Gbps大關(guān)。PCI或VME之類(lèi)的共享總線拓樸結(jié)構(gòu)曾用于背板應(yīng)用，然而，它們?cè)诳缮炜s性、帶寬和距離方面受到限制，即使最新的PCI－X也只能在剛過(guò)1Gbyte/s的速率下使用。

共享總線拓樸主要的限制因素在于高的I／O和有限的距離。由于任何一條引線或連線的損壞都將造成整個(gè)接口故障，所以可靠性也是共享總線的一個(gè)問(wèn)題。共享總線的最大有效距離是18英寸。

因此，需要一種新的應(yīng)用范例使芯片與芯片間及板內(nèi)能高速通信，它需要更少的I/O數(shù)量，但具有更高的可靠性。

串行鏈路通過(guò)采用一種運(yùn)用PCB走線、銅纜或光學(xué)介質(zhì)的解決方案，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)箱內(nèi)(如PCI)和機(jī)箱間(如以太網(wǎng)或光纖通道)的標(biāo)準(zhǔn)。許多接口都可與串行通信配合，如PCI或以太網(wǎng)傳統(tǒng)接口，都可用串行鏈路代替在板內(nèi)或板間進(jìn)行通信。諸如InfiniBand 或千兆以太網(wǎng)等新接口便可用于高速應(yīng)用了

就所用的背板介質(zhì)來(lái)說(shuō)，串行鏈路較之并行總線有更多的靈活性。光纖通道和千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了光纖及銅線的接口。

采用組件式串連接頭，只需簡(jiǎn)單地切換端口上的組件類(lèi)型，就能使用戶(hù)實(shí)現(xiàn)銅線與各種光纖類(lèi)型間的切換

下面講述目前使用及開(kāi)發(fā)中一些流行的背板技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

InfiniBand 是一個(gè)新近開(kāi)發(fā)的用于服務(wù)器及外設(shè)高速背板的互連標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)門(mén)對(duì)付服務(wù)器與服務(wù)器或與存儲(chǔ)設(shè)備、交換機(jī)等外設(shè)連接的分布式I/O。

InfiniBand的最低實(shí)現(xiàn)提供2.5GHz時(shí)鐘下4線(發(fā)2收2）250MB/s全雙工帶寬。該規(guī)格還提供用4或12條基本鏈路并行實(shí)現(xiàn)的x4和x12鏈路。InfiniBand采用IBM 8B/10B的編碼方案，在一對(duì)差動(dòng)線路上傳送數(shù)據(jù)、控制信息和時(shí)鐘。

Fibre Channel是一種已定型的分布式I/O接口，用于服務(wù)器對(duì)磁盤(pán)存儲(chǔ)器的接口。其具備低廉的軟件開(kāi)銷(xiāo)，較低的等待時(shí)間和較高的帶寬效率。它較適合以太網(wǎng)的應(yīng)用，但沒(méi)有IP棧。Fibre Channel目前通過(guò)1或2Gbit物理層來(lái)提供100～200MB/s的帶寬。

Gigabit Ethernet（802.3z）是普通以太網(wǎng)(802.3 10base)和快速以太網(wǎng)(802.3u 100base)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，它把過(guò)去標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)率及信令規(guī)范擴(kuò)展到1Gbps，而且與早期以太網(wǎng)向下兼容。它定義的千兆位介質(zhì)無(wú)關(guān)接口（GMII）適合于各種光纖介質(zhì)和銅纜。

光纖Gigabit Ethernet(802.3z)和Fibre Channel都采用8B/10B編碼，提供數(shù)據(jù)流中“1”與“0”相同的轉(zhuǎn)換密度，這確保了時(shí)鐘可從數(shù)據(jù)得到恢復(fù)。

SMPTE是視頻通信的串行標(biāo)準(zhǔn)。SMPTE－292工作在1.482Gbps速率下，其一種應(yīng)用是攜載未經(jīng)壓縮的HDTV信息。

Gigabit Ethernet和Fibre Channel均制定了下一代技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。Fibre Channel利用工作在10Gbps速率下的一個(gè)物理層，預(yù)計(jì)在2002年達(dá)到1.25GB/s。目前已有一個(gè)10 Gigabit Ethernet標(biāo)準(zhǔn)的草案，預(yù)定在明年批準(zhǔn)。一個(gè)2倍于目前速率工作的Fibre Channel新規(guī)格(2 x Fibre Channel)也在等待表決。

為了對(duì)串行收發(fā)器實(shí)現(xiàn)這些接口的配置，可編程邏輯在靈活性、性能及上市時(shí)間方面提供了最佳選擇。Cypress PSI (可編程串行接口)把CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)與串行收發(fā)器結(jié)合起來(lái)，具有兩種風(fēng)格：其一是工作在200Mbps～1.5Gbps下多通道應(yīng)用的“頻率靈活組合”型，另一是在一個(gè)封裝內(nèi)集成有2.5Gbps SONET／SDH收發(fā)器,且適配Bellcore抖動(dòng)特性的“高速”型。

“高速”型適合于典型線路卡應(yīng)用中的端口與背板解決方案。它把串行/解串器(SER/DES)、CDR與可編程邏輯集成在一起，使用戶(hù)能夠迅速構(gòu)建定制的解決方案。

“頻率靈活組合” PSI很適合支持Gigabit Ethernet、Fibre Channel、SMPTE、HDTV等標(biāo)準(zhǔn)的背板應(yīng)用。通過(guò)采用一個(gè)這樣的單個(gè)器件，就能夠提供200Mbps～12Gbps的組合串行帶寬。

許多串行標(biāo)準(zhǔn)(Infiniband、Fibre Channel、Gigabit Ethernet、ATM、ESCON及DVB－ASI)的要求之一都是對(duì)原始數(shù)據(jù)流采用8B／10B編碼與解碼，這有幾個(gè)理由：

* 轉(zhuǎn)換密度：其目的是要保證發(fā)送的數(shù)據(jù)流中充分的信號(hào)轉(zhuǎn)換，確保PLL正確地工作;

* DC平衡：8B／10B還保證信號(hào)DC平衡，這就是說(shuō)，在鏈路超時(shí)時(shí)不致發(fā)生DC失調(diào);

* 糾錯(cuò)：經(jīng)8B／10B編碼的字符遵守特定的規(guī)則，這些規(guī)則能把許多傳信錯(cuò)誤立即檢測(cè)出來(lái);

* 特殊字符：用作8B／10B編碼的特殊字符能被編碼嵌入到數(shù)據(jù)流中，從而可用作對(duì)遠(yuǎn)地場(chǎng)所的其它普通指令。

“頻率靈活組合”PSI還含有集成的8B／10B編碼解碼邏輯。“高速”PSI可以在組件的可編程部分實(shí)現(xiàn)這一8B／10B邏輯，且該邏輯由Cypress作為內(nèi)核提供。

對(duì)LVDS之類(lèi)的差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)鐘要與數(shù)據(jù)分開(kāi)發(fā)送。這種情況下時(shí)鐘與數(shù)據(jù)之間可能出現(xiàn)時(shí)滯，這是由板上走線長(zhǎng)度、接頭及背板連線引起的，可能造成時(shí)鐘時(shí)滯致使數(shù)據(jù)不能恢復(fù)。

為消除時(shí)鐘時(shí)滯問(wèn)題可采用時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)與數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。“高速”和“頻率靈活組合”PSI在每個(gè)信道中都集成有CDR。就節(jié)省板上空間、選擇路由、功耗和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性來(lái)說(shuō)，都將使設(shè)計(jì)者大大受益。

抖動(dòng)是信號(hào)偏離其理想位置的高頻半隨機(jī)偏移，可以用眼圖來(lái)表示。良好的CDR電路性能對(duì)清晰的開(kāi)眼圖與質(zhì)量不佳的閉眼圖之間的判別關(guān)系重大。

對(duì)背板設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，選擇抖動(dòng)性能良好的收發(fā)器是重要的，因?yàn)檫@將使在有噪聲的高速環(huán)境中，通信有更高的可靠性。

PSI組件有充裕的高速內(nèi)存（對(duì)200K門(mén)組件的RAM>480Kb），并集成有控制邏輯。使用戶(hù)不需在可編程部分實(shí)現(xiàn)控制邏輯，從而節(jié)省了門(mén)電路。

PSI的可編程部分(Delta39k CPLD結(jié)構(gòu))具有靈活的時(shí)標(biāo)方式和充裕的路由選擇資源，保證把用戶(hù)的設(shè)計(jì)方便地集成到PSI器件中

在所有的通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)中都用背板連接線路卡與交換光纖。這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)線路卡某一端口的數(shù)據(jù)到另一線路卡的一個(gè)端口的轉(zhuǎn)接。

一種典型的線路卡結(jié)構(gòu)示于圖2。被圈出的部分表示，這時(shí)的高性能串行/解串器、可編程邏輯和帶寬優(yōu)化的內(nèi)存被用來(lái)控制線路卡上的“網(wǎng)絡(luò)處理引擎”與背板之間的接口。

“頻率靈活組合” PSI對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)(SAN）、廣域網(wǎng)(WAN）、無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施(WIN)及局域網(wǎng)(LAN)交換機(jī)的背板應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具備高速度和靈活性的特點(diǎn)。

集成有InfiniBand內(nèi)核的“高速”PSI在一個(gè)芯片內(nèi)提供全套并到串與串到并的轉(zhuǎn)換。它集成有一個(gè)2.5Gbps發(fā)送時(shí)鐘生成PLL、一個(gè)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)PLL、一個(gè)串行/解串器和一個(gè)8B／10B編碼／解碼器。該組件還提供一個(gè)HSTL I／O并行總線接口和優(yōu)秀的抖動(dòng)性能，以確?？煽康南到y(tǒng)運(yùn)行。采用該內(nèi)核可得到備有144kb可用內(nèi)存的5萬(wàn)門(mén)可編程邏輯，使用戶(hù)能進(jìn)一步把定制的功能特性集成到該組件中。

該收發(fā)器支持適配InfiniBand的字節(jié)定位和鏈路排隊(duì)時(shí)序，保證了互操作性。這一高度集成的解決方案大大節(jié)省了線路板的尺寸與功耗。

就端口而言，CYP25G01K100“高速”PSI瞄準(zhǔn)的是SONET／SDH接口解決方案，它是專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足SONET／SDH網(wǎng)絡(luò)的Bellcore抖動(dòng)要求設(shè)計(jì)的。“高速” PSI把可編程性與OC－48PHY相結(jié)合，使通信解決方案設(shè)計(jì)者能開(kāi)發(fā)出最先進(jìn)的OC－48光纖解決方案，并迅速將其推向市場(chǎng)。

Cypress的Warp R6.1軟件實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)縫編程接口，使設(shè)計(jì)工程師能方便地把客戶(hù)的IP通過(guò)HDL程序塊、HDL文本或圖形狀態(tài)機(jī)與SERDES集成起來(lái)。Cypress是唯一一家以集成的單芯片方案提供適配SONET／SDH OC－48、2.5Gbps SERDES、可編程邏輯門(mén)、設(shè)計(jì)輸入、綜合及驗(yàn)證的公司

用光纖進(jìn)行通信，有許多優(yōu)于電氣或線路接口的優(yōu)點(diǎn)。如：光纖優(yōu)于銅走線背板的一些優(yōu)點(diǎn)是：

* 完全電氣絕緣

* 介質(zhì)尺寸小

* 重量輕

* 光介質(zhì)不產(chǎn)生輻射

* 抗外部電氣影響

* 高數(shù)據(jù)承載量

這些優(yōu)點(diǎn)使光纖成為在電氣上沖突或敏感環(huán)境中的首選介質(zhì)。所有電磁兼容性的關(guān)鍵問(wèn)題都不存在，包括輻射、電弧靜態(tài)放電、接地回路、接地補(bǔ)償、寄生電流等。

光纖線纜制品的物理屬性對(duì)涉及安全性的應(yīng)用是合乎要求的。切割光纖時(shí)不會(huì)著火或引發(fā)電震事故，也不會(huì)造成短路。在給定的帶寬下，光纖纜線比銅纜輕得多也小得多。在諸如水下、惡劣氣候或存在爆炸性氣體等對(duì)人體不利的環(huán)境中，光纖是一種安全的通信介質(zhì)

圖3所示的是采用PSI實(shí)現(xiàn)高性能背板的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

在系統(tǒng)控制器插卡上，PSI CYP15G04K100組件與每個(gè)線路卡通信，由可編程邏輯控制交互作用。該端口用于配置、狀態(tài)及控制信息。由于PSI6G100的串行信道具有頻率靈活組合的特性，該控制串行鏈路可在200Mbps～1.5Gbps范圍內(nèi)工作，這依據(jù)端口需要多快的速度而定。

每個(gè)線路卡都在端口側(cè)有Gigabit Ethernet(GE)和Fibre Channel(FC)端口，并在線路卡的開(kāi)關(guān)側(cè)有一條專(zhuān)用的到轉(zhuǎn)接控制器的2.5Gbps鏈路。每個(gè)線路卡都有線路端口、切換端口和控制器端口。

PSI是針對(duì)背板和端口應(yīng)用的首選數(shù)據(jù)通信組件，它能將用戶(hù)的邏輯電路與具有高靈活性的串行接口進(jìn)行無(wú)縫地集成。PSI把Cypress在PHY技術(shù)上的專(zhuān)長(zhǎng)與世界上最大的CPLD的高速度和靈活性結(jié)合起來(lái)，使通信方案設(shè)計(jì)者能開(kāi)發(fā)最先進(jìn)的光學(xué)解決方案，并將其迅速推向市場(chǎng)。■