理想的10-Gbit/sec接口標(biāo)準(zhǔn)簡化元件互連發(fā)布: 2010-10-22 23:47 | 作者: | 來源: | 字體: 小 中 大 隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶的增加和增值應(yīng)用對帶寬需求的不斷增長,互聯(lián)網(wǎng)通訊流量每年都以驚人的速度在發(fā)展。與此同時,對互聯(lián)網(wǎng)的核心也要提供更快的連接,并且原來僅為網(wǎng)絡(luò)核心部分提供的連接也開始向邊緣擴(kuò)展。 現(xiàn)在服務(wù)供應(yīng)商在為傳輸網(wǎng)提供OC-192 (10-Gbit/sec)連接,而設(shè)備供應(yīng)商正在為城域網(wǎng)(MAN)設(shè)計10-Gbit/sec的接口。在10-Gbit/sec數(shù)據(jù)速率下,10G以太網(wǎng)的出現(xiàn)給系統(tǒng)設(shè)計師們提供了除基于PoS和ATM的OC-192分組以外的另一種協(xié)議選擇。 新接口的要求: 在 10 Gbits/sec上大量不同協(xié)議的普及和數(shù)據(jù)率本身為系統(tǒng)設(shè)計帶來了一系列的挑戰(zhàn)。對系統(tǒng)設(shè)計師來說關(guān)鍵的是有一個滿足IP和光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求的標(biāo)準(zhǔn)的器件接口。 理想地說,這樣的接口必須能轉(zhuǎn)發(fā)PoS和ATM 信元, 以及10-G以太網(wǎng)幀。這個接口也必須能支持同時轉(zhuǎn)發(fā)多通道的OC-48 (2.5-Gbit/sec), OC-12 (622-Mbit/sec), 和 OC-3 (155-Mbit/sec)通道化的PoS和ATM接口、千兆以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng),以滿足多業(yè)務(wù)的話音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的新一代的路由器和交換機(jī)的需要。 10-Gbit/sec系統(tǒng)的設(shè)計者正面臨著更緊縮的功率預(yù)算和布線空間的不足。同時普遍都認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的接口是必需的,因為它可以降低系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)險,并且通過能夠重新使用不同線卡和系統(tǒng)間的結(jié)構(gòu),加快面市時間。 PL4系統(tǒng)接口 PL4接口使得S.D.G組織的接口規(guī)范的悠長歷史得以繼續(xù)發(fā)展下去,這個組織包括了超過30個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公司,為下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的互用性而工作并制定規(guī)范。該組織創(chuàng)立的PoS-PHY PL2的接口規(guī)范將以前ATM信元接口的包轉(zhuǎn)發(fā)能力提高到622Mbits/sec(該組織創(chuàng)立的PL2的接口規(guī)范為以前ATM的622Mbits/sec元件接口增加了分組-轉(zhuǎn)換功能)。而PoS-PHY PL3接口規(guī)范將分組交換能力提高到2.5Gbits/sec并被光互聯(lián)網(wǎng)論壇(OIF)組織定為系統(tǒng)分組接口(SPI)-3標(biāo)準(zhǔn)。 在2000年,OIF將SPI-4第一版定為標(biāo)準(zhǔn),即10Gbit/sec速率、基于64位分組的接口。為了減少管腳數(shù)目和降低功率,基于PL3設(shè)計的經(jīng)驗和系統(tǒng)專家的意見,Saturn組織提出了PL4,這是一個16位的10-Gbit/sec接口。接著PL4被OIF接納為SPI-4第2版標(biāo)準(zhǔn),并被ATM論壇接納為FBATM-4標(biāo)準(zhǔn)。 PL4提供了一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),特別是用來滿足10-Gbit/sec系統(tǒng)的設(shè)計需要。和早期的10-Gbit/sec接口相比,PL4在提高信號的完整性的同時降低了系統(tǒng)成本和功率。為此,PL4通過改進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)提高了工作速度,同時采用低電壓微擺幅(LVDS)輸入/輸出(I/O),以提高信號的完整性。 從一個高的層次上來說,PL4是一個基于LVDS I/O的16位接口,最低速率為622 Mbits/sec。PL4接口在流量控制上提供了帶內(nèi)控制和一個帶外狀態(tài)通道。狀態(tài)通道的實現(xiàn)是通過一個2位寬的狀態(tài)總線,以有利的形式提供了每通道接收器的狀態(tài)。帶內(nèi)控制指示通道地址、包頭和包尾以及檢驗位。 數(shù)據(jù)和狀態(tài)通道伴隨有時鐘信號,當(dāng)數(shù)據(jù)通道利用時鐘信號的上升沿和下降沿定時的時候使用源同步時鐘,而數(shù)據(jù)通道是基于雙數(shù)率的設(shè)計。PL4接口協(xié)議包括了訓(xùn)練標(biāo)頭,使得動態(tài)調(diào)整機(jī)制的設(shè)計成為可能。 未知協(xié)議的接口 現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須支持不同的端口類型,包括多協(xié)議和不同的通道化程度,需要大量不同的物理層設(shè)備,對系統(tǒng)供應(yīng)商來說怎樣面對緊張的面市時間和資源壓力開發(fā)出一系列的線路卡是一個挑戰(zhàn)。 對一個完整的產(chǎn)品系列來說,使用基于通常的多協(xié)議接口的架下物理層設(shè)備可以減少設(shè)計資源和開發(fā)時間。同時由于支持多協(xié)議的匯聚設(shè)備的出現(xiàn),一種支持不同協(xié)議同時傳輸?shù)慕涌诰惋@得很重要。通過強(qiáng)大的行業(yè)支持推廣這種標(biāo)準(zhǔn)接口,系統(tǒng)投資商可以找到大量的商用PHY設(shè)備來保護(hù)他們的ASIC投資。 PL4通過使用簡單的控制協(xié)議使接口操作從實際的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中分離出來以支持多協(xié)議的同時轉(zhuǎn)發(fā)。PL4使用帶內(nèi)控制字(有效載荷,空閑,訓(xùn)練控制字)插入到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中。每個PL4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)前面都會插入一個指示端口地址的控制字、一個包起始指示和一個基于DIP-4的錯誤控制碼。 空閑控制字在沒有包數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時經(jīng)過PL4轉(zhuǎn)發(fā)。跟在一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)后的有效載荷或空閑的控制字也指示了前面轉(zhuǎn)發(fā)的包狀態(tài)終止(EOP)。訓(xùn)練控制字通過接口周期性地轉(zhuǎn)發(fā),使接收器和接收到的數(shù)據(jù)保持一致。 功效接口 新的數(shù)據(jù)速率繼續(xù)擴(kuò)展著設(shè)備箱功率密度的限制。同時載波設(shè)備的空間正在隨著設(shè)備功率消耗安置得更緊湊而變得更局促。 因此,設(shè)備供應(yīng)商也越來越清醒地認(rèn)識了他們設(shè)計的每個器件的功耗。 器件的接口占用了設(shè)備內(nèi)很大部分的功率。通過使用LVDS的邏輯I/O和作為一個更窄更快的接口,PL4比其他如SPI-4 1版 和Utopia 4功耗更小。較窄接口的另一個好處是由于需要較少的連線減少了布局的空間占用。 靈活的即插即用功能 10Gbit/sec接口的芯片至芯片的間距取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)。當(dāng)PHY設(shè)備和鏈路層設(shè)備在同一塊卡上時,這種接口可能只需要越過印刷電路板幾英寸。但是隨著所需線路卡數(shù)目的增加,很多箱結(jié)構(gòu)采用了這樣一種方法:PHY所需的電路和PHY獨立的更高層的包處理設(shè)備分開,放在單獨的一塊卡上。 在有些情況下,背板結(jié)構(gòu)可能需要系統(tǒng)接口支持更長的距離,達(dá)到數(shù)十英寸和二個以上的連接器。這時接口信號的完整性就變得極為重要了。 供應(yīng)商亦面臨著去尋找更有效的方法研制出用戶需要的多種線路卡。對單個和每一個線路卡進(jìn)行接口設(shè)計和布局優(yōu)化的成本不再有效,F(xiàn)在的系統(tǒng)接口必須是有效和真正即插即用的,并能控制連線長度的不同,因而不需再在板的復(fù)雜設(shè)計上付出很大代價。 為了支持應(yīng)用的延伸(如底板和連接器),PL4規(guī)范考慮到了先進(jìn)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。這種接收機(jī)使用接口通過動態(tài)逐行解除接收數(shù)據(jù)來得到訓(xùn)練標(biāo)頭,從而通過兩個連接器實現(xiàn)跨越一米以上的印制電路板跡線材料的接口能力。當(dāng)使用PL4動態(tài)定標(biāo)時,PL4也可以是真正的即插即用接口而使布局更為有效。 有效的多通道操作 現(xiàn)在的10-Gbit/sec接口需要支持大量的數(shù)據(jù),如10G以太網(wǎng)或OC-192C PoS,以及較低速率信號的集合通道如STS-1 (51Mbits/sec) 通道化的OC-192。為了滿足這種需要,設(shè)定PL4可支持256路邏輯通道,這對從OC-192至STS-1和100,或組成總的10Gbit/s數(shù)據(jù)率的更快的以太網(wǎng)通道都是足夠的。必須注意到,在多通道的PL4實現(xiàn)中,通道可以有不同的帶寬——在狀態(tài)通道中的發(fā)送返回隊列因此也能獲利。 為保證在通道間的正確操作,避免數(shù)據(jù)行頭堵塞,數(shù)據(jù)被分成段,并且以脈沖形式從接口上傳送。規(guī)格要求這些脈沖必須是16字節(jié)的倍數(shù)。但既然整個的數(shù)據(jù)包本身不需要是16byte的倍數(shù),最后一個完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)不需遵從這個規(guī)則。為了維持帶寬順利地通過多通道,并保證接收器先進(jìn)先出的有效性,從不同通道的轉(zhuǎn)發(fā)可以交叉進(jìn)行。 根據(jù)現(xiàn)有的IC技術(shù),可能很難實現(xiàn)在單個的鏈路層設(shè)備上同時傳輸和接收10-Gbit/sec數(shù)據(jù)流的包處理功能。因此,系統(tǒng)接口支持單獨的(單向的)鏈路層設(shè)備來傳輸和接收數(shù)據(jù)流是非常重要的。通過傳送從數(shù)據(jù)通道上返回的帶外 FIFO狀態(tài)信息,PL4發(fā)射和接收接口形成分離,并且可互相獨立操作,因此支持單向操作。 廣泛的行業(yè)應(yīng)用 除非被廣泛地采用,否則標(biāo)準(zhǔn)接口是不可能達(dá)到他們的目標(biāo)的。早期的10-Gbit/sec 接口因為ATM論壇和OIF產(chǎn)生分歧而引起一些混亂。OIF為了考慮到早期的半導(dǎo)體技術(shù)選擇了HSTL[PS1]I/O (SPI-4 第一版),而ATM論壇則為了更高的信號完整性而選擇了LVDS(Utopia 4)。 但是通過選擇一個32位的數(shù)據(jù)通路,Utopia 4不足以減少設(shè)備費用和功率或提供一個簡單的機(jī)制來支持單向的鏈路層應(yīng)用。作為下一代的接口,PL4給OIF和ATM論壇之間提供了一個很好的結(jié)盟機(jī)會,并且分別被兩個標(biāo)準(zhǔn)組織采納為SPI-4 Phase2 和 FBATM-4。 PL4規(guī)范規(guī)定了622MHZ為最小的工作頻率來匹配OC-192c PoS數(shù)據(jù)流的有效載荷和加在PL4協(xié)議上的開銷。為了支持網(wǎng)絡(luò)的多種應(yīng)用,PL4標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定最大的工作頻率。 使用現(xiàn)有的技術(shù),LVDS信令可以超過800MHZ。但是700MHZ為PHY到16通道的鏈路層接口提供的凈空已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了需要?沙^10Gbit/sec 的能力為 PL4作為較高層設(shè)備間如網(wǎng)絡(luò)處理器,通信管理器和交換器的接口鋪平了道路。 PL4作為一個常用10Gbit/sec系統(tǒng)接口的確定,對許多標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品如PHY設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)處理器、通訊管理器以及為用戶系統(tǒng)設(shè)計的可編程邏輯電路和ASIC核心都是一個鼓勵,并顯著地減少了面市前的時間。PL4結(jié)構(gòu)的可伸縮性使它可以延伸到更高的數(shù)據(jù)率和網(wǎng)絡(luò)處理應(yīng)用上。 全速前進(jìn) PL4在10-Gbit/sec上的成功設(shè)計在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用。PL4具有16位寬度,在今天的10-Gbit/sec系統(tǒng)接口上是最具管腳功效的。接口同時為簡化布局設(shè)計和改善驅(qū)動間距提供了良好的信號完整性。 PL4的可伸縮性使它成為在10-Gbit/sec的速率上較高層的設(shè)備如PHY設(shè)備接口的選擇。PL4在主要元器件供應(yīng)商,可編程邏輯電路供應(yīng)商,核心設(shè)備供應(yīng)商和不斷增長的ASIC供應(yīng)商的支持下將繼續(xù)在行業(yè)上聚集更大的動力。 基于這些, S.D.G組織已在計劃為40-Gbit/sec速率的接口應(yīng)用設(shè)計PL5(PL4的升級版本)標(biāo)準(zhǔn)的草案。OIF已于今年1月將PL5接受為SPI-5標(biāo)準(zhǔn)。PL4( 將來則是PL5)為設(shè)計者在設(shè)備配置和顯著地減少設(shè)計時間和風(fēng)險上提供了廣泛的架下智能特性。
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