采用可编程串行接口设计背板

作者：时间：2001-09-11 来源：

加入技术交流群
- 扫码加入
  和技术大咖面对面交流
  海量资料库查询

在网络路由器或交换机以及企业存储设备等系统中的高速背板中，通信系统正在使速度限制超越传统的1Gbps大关。PCI或VME之类的共享总线拓朴结构曾用于背板应用，然而，它们在可伸缩性、带宽和距离方面受到限制，即使最新的PCI－X也只能在刚过1Gbyte/s的速率下使用。

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/3002.htm

共享总线拓朴主要的限制因素在于高的I／O和有限的距离。由于任何一条引线或连线的损坏都将造成整个接口故障，所以可靠性也是共享总线的一个问题。共享总线的最大有效距离是18英寸。

因此，需要一种新的应用范例使芯片与芯片间及板内能高速通信，它需要更少的I/O数量，但具有更高的可靠性。

串行链路通过采用一种运用PCB走线、铜缆或光学介质的解决方案，来代替传统的机箱内(如PCI)和机箱间(如以太网或光纤通道)的标准。许多接口都可与串行通信配合，如PCI或以太网传统接口，都可用串行链路代替在板内或板间进行通信。诸如InfiniBand 或千兆以太网等新接口便可用于高速应用了

就所用的背板介质来说，串行链路较之并行总线有更多的灵活性。光纤通道和千兆以太网标准都规定了光纤及铜线的接口。

采用组件式串连接头，只需简单地切换端口上的组件类型，就能使用户实现铜线与各种光纤类型间的切换

下面讲述目前使用及开发中一些流行的背板技术及其优缺点。

InfiniBand 是一个新近开发的用于服务器及外设高速背板的互连标准，专门对付服务器与服务器或与存储设备、交换机等外设连接的分布式I/O。

InfiniBand的最低实现提供2.5GHz时钟下4线(发2收2）250MB/s全双工带宽。该规格还提供用4或12条基本链路并行实现的x4和x12链路。InfiniBand采用IBM 8B/10B的编码方案，在一对差动线路上传送数据、控制信息和时钟。

Fibre Channel是一种已定型的分布式I/O接口，用于服务器对磁盘存储器的接口。其具备低廉的软件开销，较低的等待时间和较高的带宽效率。它较适合以太网的应用，但没有IP栈。Fibre Channel目前通过1或2Gbit物理层来提供100～200MB/s的带宽。

Gigabit Ethernet（802.3z）是普通以太网(802.3 10base)和快速以太网(802.3u 100base)标准的扩展，它把过去标准规定的数据率及信令规范扩展到1Gbps，而且与早期以太网向下兼容。它定义的千兆位介质无关接口（GMII）适合于各种光纤介质和铜缆。

光纤Gigabit Ethernet(802.3z)和Fibre Channel都采用8B/10B编码，提供数据流中“1”与“0”相同的转换密度，这确保了时钟可从数据得到恢复。

SMPTE是视频通信的串行标准。SMPTE－292工作在1.482Gbps速率下，其一种应用是携载未经压缩的HDTV信息。

Gigabit Ethernet和Fibre Channel均制定了下一代技术发展规划。Fibre Channel利用工作在10Gbps速率下的一个物理层，预计在2002年达到1.25GB/s。目前已有一个10 Gigabit Ethernet标准的草案，预定在明年批准。一个2倍于目前速率工作的Fibre Channel新规格(2 x Fibre Channel)也在等待表决。

为了对串行收发器实现这些接口的配置，可编程逻辑在灵活性、性能及上市时间方面提供了最佳选择。Cypress PSI (可编程串行接口)把CPLD(复杂可编程逻辑器件)与串行收发器结合起来，具有两种风格：其一是工作在200Mbps～1.5Gbps下多通道应用的“频率灵活组合”型，另一是在一个封装内集成有2.5Gbps SONET／SDH收发器,且适配Bellcore抖动特性的“高速”型。

“高速”型适合于典型线路卡应用中的端口与背板解决方案。它把串行/解串器(SER/DES)、CDR与可编程逻辑集成在一起，使用户能够迅速构建定制的解决方案。

“频率灵活组合” PSI很适合支持Gigabit Ethernet、Fibre Channel、SMPTE、HDTV等标准的背板应用。通过采用一个这样的单个器件，就能够提供200Mbps～12Gbps的组合串行带宽。

许多串行标准(Infiniband、Fibre Channel、Gigabit Ethernet、ATM、ESCON及DVB－ASI)的要求之一都是对原始数据流采用8B／10B编码与解码，这有几个理由：

* 转换密度：其目的是要保证发送的数据流中充分的信号转换，确保PLL正确地工作;

* DC平衡：8B／10B还保证信号DC平衡，这就是说，在链路超时时不致发生DC失调;

* 纠错：经8B／10B编码的字符遵守特定的规则，这些规则能把许多传信错误立即检测出来;

* 特殊字符：用作8B／10B编码的特殊字符能被编码嵌入到数据流中，从而可用作对远地场所的其它普通指令。

“频率灵活组合”PSI还含有集成的8B／10B编码解码逻辑。“高速”PSI可以在组件的可编程部分实现这一8B／10B逻辑，且该逻辑由Cypress作为内核提供。

对LVDS之类的差分信号标准，时钟要与数据分开发送。这种情况下时钟与数据之间可能出现时滞，这是由板上走线长度、接头及背板连线引起的，可能造成时钟时滞致使数据不能恢复。

为消除时钟时滞问题可采用时钟数据恢复(CDR)对时钟信号与数据进行编码。“高速”和“频率灵活组合”PSI在每个信道中都集成有CDR。就节省板上空间、选择路由、功耗和降低设计复杂性来说，都将使设计者大大受益。

抖动是信号偏离其理想位置的高频半随机偏移，可以用眼图来表示。良好的CDR电路性能对清晰的开眼图与质量不佳的闭眼图之间的判别关系重大。

对背板设计者来说，选择抖动性能良好的收发器是重要的，因为这将使在有噪声的高速环境中，通信有更高的可靠性。

PSI组件有充裕的高速内存（对200K门组件的RAM>480Kb），并集成有控制逻辑。使用户不需在可编程部分实现控制逻辑，从而节省了门电路。

PSI的可编程部分(Delta39k CPLD结构)具有灵活的时标方式和充裕的路由选择资源，保证把用户的设计方便地集成到PSI器件中

在所有的通信和存储系统中都用背板连接线路卡与交换光纤。这种结构实现一个线路卡某一端口的数据到另一线路卡的一个端口的转接。

一种典型的线路卡结构示于图2。被圈出的部分表示，这时的高性能串行/解串器、可编程逻辑和带宽优化的内存被用来控制线路卡上的“网络处理引擎”与背板之间的接口。

“频率灵活组合” PSI对存储区域网(SAN）、广域网(WAN）、无线基础设施(WIN)及局域网(LAN)交换机的背板应用来说，具备高速度和灵活性的特点。

集成有InfiniBand内核的“高速”PSI在一个芯片内提供全套并到串与串到并的转换。它集成有一个2.5Gbps发送时钟生成PLL、一个时钟与数据恢复PLL、一个串行/解串器和一个8B／10B编码／解码器。该组件还提供一个HSTL I／O并行总线接口和优秀的抖动性能，以确保可靠的系统运行。采用该内核可得到备有144kb可用内存的5万门可编程逻辑，使用户能进一步把定制的功能特性集成到该组件中。

该收发器支持适配InfiniBand的字节定位和链路排队时序，保证了互操作性。这一高度集成的解决方案大大节省了线路板的尺寸与功耗。

就端口而言，CYP25G01K100“高速”PSI瞄准的是SONET／SDH接口解决方案，它是专门为满足SONET／SDH网络的Bellcore抖动要求设计的。“高速” PSI把可编程性与OC－48PHY相结合，使通信解决方案设计者能开发出最先进的OC－48光纤解决方案，并迅速将其推向市场。

Cypress的Warp R6.1软件实现了一种无缝编程接口，使设计工程师能方便地把客户的IP通过HDL程序块、HDL文本或图形状态机与SERDES集成起来。Cypress是唯一一家以集成的单芯片方案提供适配SONET／SDH OC－48、2.5Gbps SERDES、可编程逻辑门、设计输入、综合及验证的公司

用光纤进行通信，有许多优于电气或线路接口的优点。如：光纤优于铜走线背板的一些优点是：

* 完全电气绝缘

* 介质尺寸小

* 重量轻

* 光介质不产生辐射

* 抗外部电气影响

* 高数据承载量

这些优点使光纤成为在电气上冲突或敏感环境中的首选介质。所有电磁兼容性的关键问题都不存在，包括辐射、电弧静态放电、接地回路、接地补偿、寄生电流等。

光纤线缆制品的物理属性对涉及安全性的应用是合乎要求的。切割光纤时不会着火或引发电震事故，也不会造成短路。在给定的带宽下，光纤缆线比铜缆轻得多也小得多。在诸如水下、恶劣气候或存在爆炸性气体等对人体不利的环境中，光纤是一种安全的通信介质

图3所示的是采用PSI实现高性能背板的一个应用实例。

在系统控制器插卡上，PSI CYP15G04K100组件与每个线路卡通信，由可编程逻辑控制交互作用。该端口用于配置、状态及控制信息。由于PSI6G100的串行信道具有频率灵活组合的特性，该控制串行链路可在200Mbps～1.5Gbps范围内工作，这依据端口需要多快的速度而定。

每个线路卡都在端口侧有Gigabit Ethernet(GE)和Fibre Channel(FC)端口，并在线路卡的开关侧有一条专用的到转接控制器的2.5Gbps链路。每个线路卡都有线路端口、切换端口和控制器端口。