采用可編程串行接口設計背板

在網絡路由器或交換機以及企業存儲設備等系統中的高速背板中，通信系統正在使速度限制超越傳統的1Gbps大關。PCI或VME之類的共享總線拓樸結構曾用于背板應用，然而，它們在可伸縮性、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接口故障，所以可靠性也是共享總線的一個問題。共享總線的最大有效距離是18英寸。

因此，需要一種新的應用范例使芯片與芯片間及板內能高速通信，它需要更少的I/O數量，但具有更高的可靠性。

串行鏈路通過采用一種運用PCB走線、銅纜或光學介質的解決方案，來代替傳統的機箱內(如PCI)和機箱間(如以太網或光纖通道)的標準。許多接口都可與串行通信配合，如PCI或以太網傳統接口，都可用串行鏈路代替在板內或板間進行通信。諸如InfiniBand 或千兆以太網等新接口便可用于高速應用了

就所用的背板介質來說，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標準都規定了光纖及銅線的接口。

采用組件式串連接頭，只需簡單地切換端口上的組件類型，就能使用戶實現銅線與各種光纖類型間的切換

下面講述目前使用及開發中一些流行的背板技術及其優缺點。

InfiniBand 是一個新近開發的用于服務器及外設高速背板的互連標準，專門對付服務器與服務器或與存儲設備、交換機等外設連接的分布式I/O。

InfiniBand的最低實現提供2.5GHz時鐘下4線(發2收2）250MB/s全雙工帶寬。該規格還提供用4或12條基本鏈路并行實現的x4和x12鏈路。InfiniBand采用IBM 8B/10B的編碼方案，在一對差動線路上傳送數據、控制信息和時鐘。

Fibre Channel是一種已定型的分布式I/O接口，用于服務器對磁盤存儲器的接口。其具備低廉的軟件開銷，較低的等待時間和較高的帶寬效率。它較適合以太網的應用，但沒有IP棧。Fibre Channel目前通過1或2Gbit物理層來提供100～200MB/s的帶寬。

Gigabit Ethernet（802.3z）是普通以太網(802.3 10base)和快速以太網(802.3u 100base)標準的擴展，它把過去標準規定的數據率及信令規范擴展到1Gbps，而且與早期以太網向下兼容。它定義的千兆位介質無關接口（GMII）適合于各種光纖介質和銅纜。

光纖Gigabit Ethernet(802.3z)和Fibre Channel都采用8B/10B編碼，提供數據流中“1”與“0”相同的轉換密度，這確保了時鐘可從數據得到恢復。

SMPTE是視頻通信的串行標準。SMPTE－292工作在1.482Gbps速率下，其一種應用是攜載未經壓縮的HDTV信息。

Gigabit Ethernet和Fibre Channel均制定了下一代技術發展規劃。Fibre Channel利用工作在10Gbps速率下的一個物理層，預計在2002年達到1.25GB/s。目前已有一個10 Gigabit Ethernet標準的草案，預定在明年批準。一個2倍于目前速率工作的Fibre Channel新規格(2 x Fibre Channel)也在等待表決。

為了對串行收發器實現這些接口的配置，可編程邏輯在靈活性、性能及上市時間方面提供了最佳選擇。Cypress PSI (可編程串行接口)把CPLD(復雜可編程邏輯器件)與串行收發器結合起來，具有兩種風格：其一是工作在200Mbps～1.5Gbps下多通道應用的“頻率靈活組合”型，另一是在一個封裝內集成有2.5Gbps SONET／SDH收發器,且適配Bellcore抖動特性的“高速”型。

“高速”型適合于典型線路卡應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，使用戶能夠迅速構建定制的解決方案。

“頻率靈活組合” PSI很適合支持Gigabit Ethernet、Fibre Channel、SMPTE、HDTV等標準的背板應用。通過采用一個這樣的單個器件，就能夠提供200Mbps～12Gbps的組合串行帶寬。

許多串行標準(Infiniband、Fibre Channel、Gigabit Ethernet、ATM、ESCON及DVB－ASI)的要求之一都是對原始數據流采用8B／10B編碼與解碼，這有幾個理由：

* 轉換密度：其目的是要保證發送的數據流中充分的信號轉換，確保PLL正確地工作;

* DC平衡：8B／10B還保證信號DC平衡，這就是說，在鏈路超時時不致發生DC失調;

* 糾錯：經8B／10B編碼的字符遵守特定的規則，這些規則能把許多傳信錯誤立即檢測出來;

* 特殊字符：用作8B／10B編碼的特殊字符能被編碼嵌入到數據流中，從而可用作對遠地場所的其它普通指令。

“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現這一8B／10B邏輯，且該邏輯由Cypress作為內核提供。

對LVDS之類的差分信號標準，時鐘要與數據分開發送。這種情況下時鐘與數據之間可能出現時滯，這是由板上走線長度、接頭及背板連線引起的，可能造成時鐘時滯致使數據不能恢復。

為消除時鐘時滯問題可采用時鐘數據恢復(CDR)對時鐘信號與數據進行編碼。“高速”和“頻率靈活組合”PSI在每個信道中都集成有CDR。就節省板上空間、選擇路由、功耗和降低設計復雜性來說，都將使設計者大大受益。

抖動是信號偏離其理想位置的高頻半隨機偏移，可以用眼圖來表示。良好的CDR電路性能對清晰的開眼圖與質量不佳的閉眼圖之間的判別關系重大。

對背板設計者來說，選擇抖動性能良好的收發器是重要的，因為這將使在有噪聲的高速環境中，通信有更高的可靠性。

PSI組件有充裕的高速內存（對200K門組件的RAM>480Kb），并集成有控制邏輯。使用戶不需在可編程部分實現控制邏輯，從而節省了門電路。

PSI的可編程部分(Delta39k CPLD結構)具有靈活的時標方式和充裕的路由選擇資源，保證把用戶的設計方便地集成到PSI器件中

在所有的通信和存儲系統中都用背板連接線路卡與交換光纖。這種結構實現一個線路卡某一端口的數據到另一線路卡的一個端口的轉接。

一種典型的線路卡結構示于圖2。被圈出的部分表示，這時的高性能串行/解串器、可編程邏輯和帶寬優化的內存被用來控制線路卡上的“網絡處理引擎”與背板之間的接口。

“頻率靈活組合” PSI對存儲區域網(SAN）、廣域網(WAN）、無線基礎設施(WIN)及局域網(LAN)交換機的背板應用來說，具備高速度和靈活性的特點。

集成有InfiniBand內核的“高速”PSI在一個芯片內提供全套并到串與串到并的轉換。它集成有一個2.5Gbps發送時鐘生成PLL、一個時鐘與數據恢復PLL、一個串行/解串器和一個8B／10B編碼／解碼器。該組件還提供一個HSTL I／O并行總線接口和優秀的抖動性能，以確?？煽康南到y運行。采用該內核可得到備有144kb可用內存的5萬門可編程邏輯，使用戶能進一步把定制的功能特性集成到該組件中。

該收發器支持適配InfiniBand的字節定位和鏈路排隊時序，保證了互操作性。這一高度集成的解決方案大大節省了線路板的尺寸與功耗。

就端口而言，CYP25G01K100“高速”PSI瞄準的是SONET／SDH接口解決方案，它是專門為滿足SONET／SDH網絡的Bellcore抖動要求設計的。“高速” PSI把可編程性與OC－48PHY相結合，使通信解決方案設計者能開發出最先進的OC－48光纖解決方案，并迅速將其推向市場。

Cypress的Warp R6.1軟件實現了一種無縫編程接口，使設計工程師能方便地把客戶的IP通過HDL程序塊、HDL文本或圖形狀態機與SERDES集成起來。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、設計輸入、綜合及驗證的公司

用光纖進行通信，有許多優于電氣或線路接口的優點。如：光纖優于銅走線背板的一些優點是：

* 完全電氣絕緣

* 介質尺寸小

* 重量輕

* 光介質不產生輻射

* 抗外部電氣影響

* 高數據承載量

這些優點使光纖成為在電氣上沖突或敏感環境中的首選介質。所有電磁兼容性的關鍵問題都不存在，包括輻射、電弧靜態放電、接地回路、接地補償、寄生電流等。

光纖線纜制品的物理屬性對涉及安全性的應用是合乎要求的。切割光纖時不會著火或引發電震事故，也不會造成短路。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人體不利的環境中，光纖是一種安全的通信介質

圖3所示的是采用PSI實現高性能背板的一個應用實例。

在系統控制器插卡上，PSI CYP15G04K100組件與每個線路卡通信，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范圍內工作，這依據端口需要多快的速度而定。

每個線路卡都在端口側有Gigabit Ethernet(GE)和Fibre Channel(FC)端口，并在線路卡的開關側有一條專用的到轉接控制器的2.5Gbps鏈路。每個線路卡都有線路端口、切換端口和控制器端口。

PSI是針對背板和端口應用的首選數據通信組件，它能將用戶的邏輯電路與具有高靈活性的串行接口進行無縫地集成。PSI把Cypress在PHY技術上的專長與世界上最大的CPLD的高速度和靈活性結合起來，使通信方案設計者能開發最先進的光學解決方案，并將其迅速推向市場。■