主流新興通信接口原理分析

ａ．與串并行轉換器相連的光電器件 　　

在高速光纖通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流需要進行格式轉換，即在光纖傳輸時的串行格式及在電子處理時的并行格式之間轉換。串化器－解串器　（一般被稱作串并行轉換器）　就是用來實現(xiàn)這種轉換的。串并行轉換器與光電傳感器間的接口通常為高速串行數(shù)據(jù)流，利用一種編碼方案實現(xiàn)不同信令，這樣可從數(shù)據(jù)恢復嵌入的時鐘。視乎所支持的通信標準，該串行流可在１．２５Ｇｂ／ｓ　（千兆以太網(wǎng)）、２．４８８Ｇｂ／ｓ　（ＯＣ－４８?。。樱裕停保叮?、９．９５３Ｇｂ／ｓ　（ＯＣ－１９２?。。樱裕停叮矗』颍保埃常牵猓蟆。ǎ保扒д滓蕴W(wǎng)）條件下傳輸。

ｂ．串并行轉換器至成幀器接口 　　

在Ｓｏｎｅｔ　／?。樱模鹊氖澜缰校饫w中的數(shù)據(jù)傳輸往往采用幀的形式。每幀包括附加信息（用于同步、誤差監(jiān)視、保護切換等）和有效載荷數(shù)據(jù)。傳輸設備必須在輸出數(shù)據(jù)中加入幀的附加信息，接收設備則必須從幀中提取有效載荷數(shù)據(jù)，并用幀的附加信息進行系統(tǒng)管理。這些操作都會在成幀器中完成。

采用標準ＣＭＯＳ工藝制造的高集成度ＩＣ。目前的ＣＭＯＳ工藝不能支持１０Ｇｂ／ｓ串行數(shù)據(jù)流（盡管很多人認為未來的ＣＭＯＳ工藝可以實現(xiàn)此項功能），因此串并行轉換器與成幀器間需要并行接口。目前最流行的選擇是由光網(wǎng)絡互聯(lián)論壇?。ǎ希穑簦椋悖幔臁。桑睿簦澹颍睿澹簦鳎铮颍耄椋睿纭。疲铮颍酰恚￠_發(fā)的ＳＦＩ－４，該接口使用兩個速度達６２２Ｍｂ／ｓ的１６位并行數(shù)據(jù)流（每個方向一個）。ＳＦＩ－４與目前很多新興接口一樣，使用源同步時鐘，即時鐘信號與數(shù)據(jù)信號共同由傳輸器件傳輸。源同步時鐘可顯著降低時鐘信號與數(shù)據(jù)信號間的偏移，但它不能完全消除不匹配ＰＣＢ線路長度引起的偏移效應。１６個數(shù)據(jù)信號和時鐘信號均使用ＩＥＥＥ－１５９３．６標準ＬＶＤＳ信令。該接口僅需在串并行轉換器與成幀器間來回傳輸數(shù)據(jù)，距離較短，因此無需具備復雜的流控制或誤差檢測功能。

以太網(wǎng)中也存在類似接口。在１０千兆以太網(wǎng)ＰＨＹ的物理編碼子層（ＰＣＳ）與物理介質連接（ＰＭＡ）層之間，ＩＥＥＥ－８０２．３ａｅ規(guī)范提供了一種被稱作ＸＳＢＩ的接口。這種＂１０千兆１６位接口＂在每個方向都具有１６位并行數(shù)據(jù)流及源同步時鐘。數(shù)據(jù)和時鐘均使用ＩＥＥＥ－１５９３．６標準ＬＶＤＳ信令。數(shù)據(jù)通道使用６４ｂ／６６ｂ編碼方案，其時鐘頻率為６４４ＭＨｚ。

該１０千兆以太網(wǎng)規(guī)范使用串行接口連接ＭＡＣ（介質訪問控制）層和ＰＨＹ（物理）層。這個被稱作ＸＡＵＩ的接口，也被稱為＂１０千兆連接單元接口＂，這是一種使用四通道的串行接口，每個通道傳輸２．５Ｇｂ／ｓ有效載荷數(shù)據(jù)，８ｂ／１０ｂ編碼使每個通道的比特率高達３．１２５Ｇｂ／ｓ。該接口一般用于連接?。停粒煤桶校龋偌肮馄骷莫毩⒛K。根據(jù)幾家制造商的多源協(xié)議開發(fā)的Ｘｅｎｐａｋ光模塊使用ＸＡＵＩ接口。后文還將提到ＸＡＵＩ也用于系統(tǒng)背板。

ｃ．成幀器與網(wǎng)絡處理器及其它元件間的接口 　　

成幀器與網(wǎng)絡處理間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可代表很多不同的數(shù)據(jù)流。Ｓｏｎｅｔ／ＳＤＨ幀中包含的附加數(shù)據(jù)表明數(shù)據(jù)有效載荷中每個數(shù)據(jù)流的位置，該信息需要在成幀器與網(wǎng)絡處理器及相關器件間傳輸，如分類引擎和流量管理器。此外，網(wǎng)絡處理器和相關器件還實現(xiàn)各種復雜的任務，如數(shù)據(jù)包傳向交換芯片的時序安排，管理數(shù)據(jù)包內容以確保沒有非法數(shù)據(jù)進入網(wǎng)絡，以及測量帶寬以便特定應用或用戶享有優(yōu)先權。由于這些任務很復雜，因此需要在成幀器與網(wǎng)絡處理器間實施流控制方案。

成幀器、網(wǎng)絡處理器與相關器件間通常使用的接口包括Ｕｔｏｐｉａ接口、ＰＯＳ－ＰＨＹ接口、ＳＰＩ接口和Ｆｌｅｘｂｕｓ接口。每個接口的后綴為?。ⅲ欤澹觯澹臁。兀?，其級別表明標稱數(shù)據(jù)速率。Ｌｅｖｅｌ?。布粗该總€方向的數(shù)據(jù)速率為６２２Ｍｂ／ｓ，Ｌｅｖｅｌ?。碁椋玻矗福福牵猓?，ｌｅｖｅｌ?。礊椋梗梗担常牵猓?，Ｌｅｖｅｌ?。禐椋常梗福牵猓?。因此ＰＯＳ－ＰＨＹ?。蹋澹觯澹臁。吹臉朔Q帶寬為９．９５３Ｇｂ／ｓ。Ｕｔｏｐｉａ接口是為包含固定長度ＡＴＭ單元的數(shù)據(jù)流而設計的。Ｕｔｏｐｉａ的規(guī)范由ＡＴＭ論壇頒布。

ＰＯＳ－ＰＨＹ接口?。ǎ樱铮睿澹粑锢韺由系陌∮桑校停茫樱椋澹颍颍岷停樱幔簦酰颍铋_發(fā)，很多特性與Ｕｔｏｐｉａ接口相同，有一項改進功能值得注意，即ＰＯＳ－ＰＨＹ能滿足不同長度數(shù)據(jù)包的需要，而?。眨簦铮穑椋嶂贿m用于固定單元長度。這表明ＰＯＳ－ＰＨＹ接口是為無需ＡＴＭ層，即可在Ｓｏｎｅｔ／ＳＤＨ傳輸層上直接傳輸長度變化的ＩＰ包的應用而設計的，因此被稱作＂Ｓｏｎｅｔ上的數(shù)據(jù)包＂。

Ｆｌｅｘｂｕｓ接口由ＡＭＣＣ開發(fā)，可處理Ｓｏｎｅｔ傳輸層上的變長度ＩＰ包。ＡＭＣＣ的Ｆｌｅｘｂｕｓ?。蹋澹觯澹臁。匆勋@光網(wǎng)絡互聯(lián)論壇采納，作為ＳＰＩ?。蹋澹觯澹臁。础。校瑁幔螅濉。保ㄒ话憧s寫為＂ＳＰＩ－４．１＂），并已經(jīng)作為業(yè)界標準規(guī)范發(fā)布。該規(guī)范在每個方向上提供６４位并行點至點數(shù)據(jù)通道，它使用ＨＳＴＬ?。悖欤幔螅蟆。薄。桑?，源同步時鐘頻率為２００ＭＨｚ，還提供四分之一速率接口和１６位并行數(shù)據(jù)通道。

ＰＯＳ－ＰＨＹ　Ｌｅｖｅｌ?。匆惨呀?jīng)被光網(wǎng)絡互聯(lián)論壇采納，命名為ＳＰＩ?。蹋澹觯澹臁。础。校瑁幔螅濉。病。ㄍǔ？s寫為＂ＳＰＩ－４．２＂）。該接口具有采用ＩＥＥＥ－１５９３．６標準ＬＶＤＳ的１６位并行數(shù)據(jù)通道，源同步雙數(shù)據(jù)速率時鐘頻率最小為?。常保保停龋＃樱校桑矗驳脑S多應用則使用頻率更高的時鐘，因為該接口除了傳輸數(shù)據(jù)有效載荷外，還傳送包標簽和路由信息。因此，設計者常常采用ＳＰＩ?。矗玻總€信號對的數(shù)據(jù)速率高達８４０Ｍｂ／ｓ，每個方向的累計帶寬可達１３．４Ｇｂ／ｓ。

盡管ＳＰＩ－４．２是為Ｓｏｎｅｔ上數(shù)據(jù)包而開發(fā)，它已被通信業(yè)的其它應用所采納。作為能支持多數(shù)據(jù)流而且每個數(shù)據(jù)流中都具有流控制的靈活接口，它可用作?。保埃且蕴W(wǎng)的有效接口，還可用于存儲區(qū)域網(wǎng)絡（ＳＡＮ）。目前市場上有各種采用ＳＰＩ－４．２接口的新產(chǎn)品，還有一些產(chǎn)品正在開發(fā)之中，除了Ｓｏｎｅｔ?。。樱模瘸蓭骱途W(wǎng)絡處理器，還包括ＴＣＰ　卸載引擎（ＴＯＥ）和１０Ｇ以太網(wǎng)ＭＡＣ。

ｄ．網(wǎng)絡處理器與交換架構間的接口 　　

網(wǎng)絡處理器與相關器件及交換架構間的接口有兩種類型：一類為不需要在背板傳輸數(shù)據(jù)的接口，另一類為需要在背板傳輸數(shù)據(jù)的接口。

對于第一種接口，位于同一塊電路板的網(wǎng)絡處理器芯片組和交換架構間的接口可用ＣＳＩＸ?。蹋澹觯澹臁。苯涌趯崿F(xiàn)。該接口采用ＣＳＩＸ　Ｌｅｖｅｌ?。卑袷剑榻粨Q架構提供路由指令的報頭，以及用于誤差檢測及糾正的報尾，還包括數(shù)據(jù)載荷本身。控制ＣＳＩＸ規(guī)范的網(wǎng)絡處理器論壇將進一步完善該規(guī)范，增加從一個ＮＰＵ芯片組通過交換芯片傳至另個ＮＰＵ芯片的額外指令。這將成為ＣＳＩＸ?。蹋澹觯澹臁。惨?guī)范的最主要推進力。該規(guī)范還定義了每個方向中使用至多１２８個ＨＳＴＬ一類Ｉ／Ｏ的電氣互連，其源同步時鐘頻率高達２５０ＭＨｚ。ＣＳＩＸ　Ｌｅｖｅｌ?。眳f(xié)議與ＣＳＩＸ?。蹋澹觯澹臁。彪姎庖?guī)范無關，無論ＮＰＵ芯片組和交換架構間的經(jīng)由背板的通信采用何種電氣標準，仍可使用ＣＳＩＸ　Ｌｅｖｅｌ?。眳f(xié)議。

對于第二種接口，即ＮＰＵ芯片組與交換架構間需要在通過背板通信，仍然可以使用ＣＳＩＸ?。蹋澹觯澹臁。眳f(xié)議，但這種電氣接口并不合適。信號將穿過連接器，從端口卡到達系統(tǒng)背板，經(jīng)過數(shù)英寸到達另一個連接器，然后進入交換卡。有諸多原因使得越來越多的設計者選擇具有嵌入式時鐘的串行接口來實現(xiàn)這些連接。首先，串行接口可最大限度地減少電路板與背板連接器的引腳數(shù)，從而可減小插拔力及對操作系統(tǒng)中電路板的可能損害。其二，在信號中嵌入時鐘和數(shù)據(jù)的串行接口可完全避免時鐘偏移問題。時鐘偏移是ＰＣＢ中數(shù)英寸長的并口所面臨的主要問題。其三，串行信號的背板設計者還可提高傳輸速率，因為不存在時鐘偏移，也就沒有對未來性能的限制。

被成功用作串行背板標準的接口是ＸＡＵＩ，它是為１０千兆以太網(wǎng)開發(fā)的。該規(guī)范適用于通道排列電路，無論四通道軌線長度是否匹配，符合ＸＡＵＩ的器件均能接收無誤差數(shù)據(jù)。該接口使用差分電流模式邏輯信令，它還采用交流耦合模式，允許電路板間的參考電壓不同。

ｅ．控制板接口 　　

目前本文所提到的接口都用于＂數(shù)據(jù)通道＂，即數(shù)據(jù)從光纖傳輸介質到達交換架構，然后返回光纖通道。但由于通信系統(tǒng)具有復雜的＂控制板＂，負責統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集、流量監(jiān)視、系統(tǒng)管理及維護等功能，因此需要強大的處理能力運行軟件以實現(xiàn)這些功能。這些構建控制板處理器的接口正如設想的那樣，與數(shù)據(jù)通道的接口明顯不同。數(shù)據(jù)通道接口主要用于在兩個器件間傳輸數(shù)據(jù)（即點對點鏈接），控制板接口則是與具有不同元件的一個或多個微處理器相連接：背板收發(fā)器、ＤＳＰ、數(shù)據(jù)板器件的控制端口等。實現(xiàn)這些靈活的互連需要完全不同類型的接口。

這類系統(tǒng)過去都是圍繞多點復接的中心總線構建的。實現(xiàn)ＰＣＩ總線架構的３２位／?。常常停龋白罱捎玫模叮次唬。叮叮停龋鷺藴室呀?jīng)用于通信系統(tǒng)中。最近６４位／　１３３ＭＨｚ?。校茫桑馗糜诟叨朔掌鳌５?，由于數(shù)據(jù)板處理的帶寬已經(jīng)增加，控制板的帶寬也要提高。很多設計者發(fā)現(xiàn)共享總線帶寬不足以滿足多個器件的需求。因此，出現(xiàn)一類新型接口。

這類新接口采用點至點連接，用源同步時鐘減少時鐘偏移。差分信令可提高數(shù)據(jù)傳輸率，減少交換噪聲和功耗。但真正的創(chuàng)新在于使用交換架構或通道器件，實現(xiàn)控制應用中所需的多點互連。已獲得Ｍｏｔｏｒｏｌａ及ＲａｐｉｄＩＯ貿易聯(lián)合會支持的ＲａｐｉｄＩＯ是使用交換架構實現(xiàn)點至點鏈接的接口。該接口的傳輸層規(guī)定數(shù)據(jù)如何封裝在包中，每個包都具有數(shù)據(jù)源和目標信息，交換架構將數(shù)據(jù)包送往合適的目的地。ＲａｐｉｄＩＯ在每個方向上提供８個或１６個位，采用２５０ＭＨｚ至１．０ＧＨｚ雙數(shù)據(jù)速率。此外，串行ＲａｐｉｄＩＯ可使用具有８ｂ／１０ｂ編碼的１通道或４通道數(shù)據(jù)，嵌入時鐘達３．１２５Ｇｂ／ｓ，它還具有ＣＭＬ差分信令。?。停铮簦铮颍铮欤嵋呀?jīng)推出幾種使用并行ＲａｐｉｄＩＯ的通信處理器。

ＡＭＤ及ＨｙｐｅｒＴｒａｎｓｐｏｒｔ聯(lián)盟開發(fā)的ＨｙｐｅｒＴｒａｎｓｐｏｒｔ使用通道器件實現(xiàn)點至點鏈接。數(shù)據(jù)以包的形式傳輸，每個包均包括數(shù)據(jù)源和目標信息。接收數(shù)據(jù)的通道器件按照數(shù)據(jù)包報頭確定是將數(shù)據(jù)傳至鏈中的下一個器件，還是直接處理數(shù)據(jù)。目前的ＨｙｐｅｒＴｒａｎｓｐｏｒｔ規(guī)范需要寬度為２至?。保段坏牟⑿袛?shù)據(jù)。未來規(guī)范可支持更高速率。ＰＭＣ－Ｓｉｅｒｒａ和Ｂｒｏａｄｃｏｍ已經(jīng)為ＨｙｐｅｒＴｒａｎｓｐｏｒｔ通信產(chǎn)品推出基于ＭＩＰＳ的處理器。ＰＣＩ－ＳＩＧ已經(jīng)推出高速率ＰＣＩ－Ｘ。它們使用與最初ＰＣＩ－Ｘ相同的６４位總線帶寬，可支持雙數(shù)據(jù)速率和四倍數(shù)據(jù)速率。ＰＣＩ－Ｘ　５３３是速率最快的版本，最大總計帶寬達３４．１Ｇｂ／ｓ。

解決接口沖突 　　

設計工程師如何面對這些紛繁蕪雜的接口標準。實際上，對于給定的設計情況，設計者選擇接口的余地并不大。他們一般根據(jù)系統(tǒng)所需的成本及功能，選擇合適的標準產(chǎn)品。設計者必須選擇最合適的器件。但這可能導致接口標準沖突，因為最好的標準器件由于接口標準不兼容，會引起互用性問題。在這種情況下，設計者可如此選擇：重新選擇與接口兼容的標準器件，但可能會造成不能滿足功能需要或系統(tǒng)的成本要求，或者使用橋接器件避開不兼容的接口?，F(xiàn)在已經(jīng)推出很多具有高性能接口ＩＰ及高速物理Ｉ／Ｏ的ＦＰＧＡ，可滿足１０Ｇｂ／ｓ以上數(shù)據(jù)通道的通信系統(tǒng)的要求。

Ａｃｔｅｌ正在開發(fā)各種可編程邏輯器件，結合高級接口技術和最新推出的Ａｘｃｅｌｅｒａｔｏｒ系列高速ＦＰＧＡ架構。首款產(chǎn)品將具有速率高達　３．１２５Ｇｂ／ｓ的集成串并行轉換器通道和硬連線物理編碼子層，它們能自動處理ＸＡＵＩ和串行ＲａｐｉｄＩＯ所需的８ｂ／１０ｂ編碼和通道排列。這些器件還具有實現(xiàn)ＬＶＤＳ信令的高速通用Ｉ／Ｏ，可交互使用ＳＰＩ－４．２、ＨｙｐｅｒＴｒａｎｓｐｏｒｔ和并行ＲａｐｉｄＩＯ等接口標準。這些器件還將集成各種知識產(chǎn)權內核，以便應用于要求苛刻的橋接產(chǎn)品。