簡介

 

所有產(chǎn)品應(yīng)用項(xiàng)目都要求更大的帶寬，這一點(diǎn)在電信和數(shù)據(jù)通訊基礎(chǔ)設(shè)施中尤為明顯。使用光纖是有效增加帶寬的方法，卻又需要在光纖纜線的每一端加入一個(gè)終止的收發(fā)器模塊。這些收發(fā)器必須放在靠近設(shè)備中的 PCB 邊緣，且需要用一個(gè)串行接口來控制每個(gè)收發(fā)器。隨著信道數(shù)量的增加，控制通道的數(shù)量也在增加，這對電路板上需要用于支持這些通道的空間，產(chǎn)生累積性影響。

 

聚合這些串行控制通道，開發(fā)人員便能大幅減少所需的個(gè)別零組件數(shù)量和隨后需要的電路板空間。這些信道聚合器還能提供額外的功能，本文將對此進(jìn)行探討。

 

光纖收發(fā)器遍布網(wǎng)絡(luò)

 

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中使用光纖通訊網(wǎng)絡(luò)的程度正在不斷增加，一直延伸到邊緣。光纖到戶為消費(fèi)者和企業(yè)提供了更高帶寬的寬帶服務(wù)，但是這種帶寬需要一直支持到服務(wù)器或數(shù)據(jù)中心，以保證享有一定程度的服務(wù)水平。

 

除了帶寬，從技術(shù)角度來看，光纖還有更多具備吸引力的原因。在很寬的頻帶內(nèi)，光纖的衰減比起銅纜要小得多。光纖通常比銅線要輕上不少，且直徑更小，代表營運(yùn)商可以在一定的空間、尺寸或重量條件下支持更多的連接。在物理上，光纖也比電纜更安全，而在電氣上也更安全。說不定最相關(guān)的是，光纖還能有效免除所有形式電磁能的影響性。

 

收發(fā)器是高速光纖通訊與網(wǎng)絡(luò)其他部分之間的接口。它們包括用于傳輸和接收的光學(xué)組件，以脈沖雷射的形式將數(shù)字信息與光波進(jìn)行互換。透過光發(fā)射器或光接收器，再加上排列透鏡的方式來做到這一點(diǎn)。這里會(huì)再次出現(xiàn)像是電磁干擾等光纖原本可以很好避開的已知問題，因此在數(shù)字端使用差分信號(hào)是很常見的。

 

目前光纖與在銅線上運(yùn)作的以太網(wǎng)絡(luò)相互并存著，使用網(wǎng)絡(luò)適配器、切換器和路由器來串連這些設(shè)備，并且將網(wǎng)絡(luò)連接起來 (包括局域網(wǎng)絡(luò)、城域網(wǎng)絡(luò)和儲(chǔ)存局域網(wǎng)絡(luò))。需要使用一個(gè)光收發(fā)器來終止每個(gè)通道，也需要控制每個(gè)收發(fā)器。光纖在網(wǎng)絡(luò)容量方面有著顯著優(yōu)勢，管理收發(fā)器一事卻造成了 PCB 層面上的零組件數(shù)量不斷增加。

 

聚合控制

 

看來更大的帶寬始終是這個(gè)問題的答案，不過現(xiàn)實(shí)中，網(wǎng)絡(luò)有著不同的速度，會(huì)聚集一些信道以提供最高的帶寬。這么一來整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，甚至切換器或路由器內(nèi)出現(xiàn)存在著多個(gè)收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器又都為了特定類型的連接進(jìn)行優(yōu)化，但這些都需要加以管理。

 

長期下來這項(xiàng)任務(wù)的規(guī)模會(huì)不斷發(fā)展，通常管理一個(gè)不斷增長的網(wǎng)絡(luò)，最簡單的辦法就是為每個(gè)通道設(shè)置一個(gè)專門的控制路徑。這或許有用，但在某些時(shí)候，用于管理收發(fā)器的 FPGA 或 ASIC 會(huì)受到接腳的限制，或者需要加大 PCB 的尺寸 (圖 1)。

無論從所需的實(shí)體空間，還是從所需的系統(tǒng)功率來看，顯然加入更多的零組件來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)接口都會(huì)造成問題。更為一勞永逸的辦法是用一個(gè)能夠控制多個(gè)模塊的單一裝置來取代多個(gè)中間設(shè)備 (I2C 解多任務(wù)器、LED 驅(qū)動(dòng)器和電平轉(zhuǎn)換器)(圖 2)。

 

圖 2：多光學(xué)模塊聚合控制

 

Diodes Incorporated 的 PI7C1401 四埠擴(kuò)展器就是其中一個(gè)例子。每個(gè)裝置提供多達(dá)四個(gè) I2C 或 SPI 接口的聚合，這樣就能用一個(gè) FPGA 或 ASIC 裝置，通過一個(gè) I2C/SPI 接口來尋址和控制至少四個(gè)光學(xué)模塊，無需專門提供一個(gè)端口給每個(gè)模塊 (圖 3)。

 

圖 3：PI7C1401 端口擴(kuò)展器的功能區(qū)塊圖

 

使用這種裝置的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，便是其 1:4 解多任務(wù)能力，以鏈接方式使用多達(dá) 14 個(gè) PI7C1401 裝置且將其輸入線連接在一起時(shí)，可以很容易地?cái)U(kuò)大到 1:56。自動(dòng)尋址功能使得單一裝置無需使用一個(gè)獨(dú)特的地址。這么一來便立即增加容量，在空間允許的情況下，可以在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中安裝和控制額外的光學(xué)模塊。主機(jī)裝置 (常見的是 FPGA、微處理器或 ASIC) 通常會(huì)以高處理頻率運(yùn)作，裝置會(huì)更有能力從單一接口管理多個(gè)相對低速的端口。在絕大多數(shù)的情況下，接腳數(shù)量會(huì)限制容量，而非處理速度，這直接支持了從單一接口以多任務(wù)方式控制多個(gè)端口的做法。

 

PI7C1401 還有第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)，不只提供單純的解多任務(wù)功能，還提供了模塊管理功能。這么一來便能把許多控制功能卸除到端口擴(kuò)展器上，主機(jī)裝置便無需執(zhí)行繁雜的處理工作，而能專注在于其他活動(dòng)上。這甚至可能減少 I/O 接腳數(shù)量或處理能力，以優(yōu)化主機(jī)裝置的成本。還能減少主機(jī)繞送層的擁堵情況。

 

用戶可以視所使用的協(xié)議選擇主機(jī)接口的速度；I2C 接口的工作頻率可達(dá) 1MHz，當(dāng)配置為 SPI 接口時(shí)，其工作頻率可達(dá) 33MHz。PI7C1401 還具有 GPIO 接腳，可用于管理功能，由寄存器加以控制。各信道有兩個(gè)專門用于驅(qū)動(dòng)狀態(tài) LED 的輸出；大多數(shù) SFP+ 和 QSFP+ 模塊將使用每個(gè)端口的黃色和綠色 LED 來指示鏈路狀態(tài) (鏈路接通、鏈路斷開等)。內(nèi)部電路使用配置寄存器進(jìn)行控制，其中包括 LED 模式、ON 時(shí)間、OFF 時(shí)間及亮度控制寄存器。

 

包括 SFF-8472 和 SFF-8431 在內(nèi)的部分低速接口規(guī)格定義了邏輯設(shè)備地址，PI7C1401 能夠使用地址映像功能，使上游主機(jī)發(fā)出下游進(jìn)行讀或?qū)懙牟僮?，稱為直接存取。端口擴(kuò)展器還能從下游模塊執(zhí)行預(yù)取讀的操作。這些數(shù)據(jù)存在 PI7C1401 的芯片上 32 字節(jié) FIFO 中?？梢耘渲脭?shù)據(jù)的大小和地址，并可安排或由中斷觸發(fā)預(yù)取操作。直接存取的優(yōu)先級(jí)高于預(yù)取操作。

 

PI7C1401 的管理功能為端口擴(kuò)展功能提供了有效且寶貴的補(bǔ)充，可以直接提高系統(tǒng)性能。

 

結(jié)論

 

光纖接口的優(yōu)點(diǎn)，讓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的每一個(gè)點(diǎn)都逐漸開始采用光纖接口。需要有專用的控制通道來因應(yīng)這種增加的情況，這可能會(huì)迅速消耗實(shí)體資源。使用端口擴(kuò)展器可以解決利用現(xiàn)有資源加入更多控制通道的難題，也有效卸除了許多端口的管理工作。提高抽象層次，主機(jī)裝置便能更為善加管理繞送層任務(wù)并大幅提高整體系統(tǒng)效率。

 

參考數(shù)據(jù)：DIA036/A/SC

 

（來源：Diodes作者：Eric Lan，連接 ASIC 產(chǎn)品線的產(chǎn)品營銷部門副理 ）