簡(jiǎn)介

 

所有產(chǎn)品應用項目都要求更大的帶寬，這一點(diǎn)在電信和數據通訊基礎設施中尤為明顯。使用光纖是有效增加帶寬的方法，卻又需要在光纖纜線(xiàn)的每一端加入一個(gè)終止的收發(fā)器模塊。這些收發(fā)器必須放在靠近設備中的 PCB 邊緣，且需要用一個(gè)串行接口來(lái)控制每個(gè)收發(fā)器。隨著(zhù)信道數量的增加，控制通道的數量也在增加，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(kāi)發(fā)人員便能大幅減少所需的個(gè)別零組件數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 )基礎設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(hù)為消費者和企業(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)器或數據中心，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(lái)看，光纖還有更多具備吸引力的原因。在很寬的頻帶內，光纖的衰減比起銅纜要小得多。光纖通常比銅線(xiàn)要輕上不少，且直徑更小，代表營(yíng)運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(shuō)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字信息與光波進(jìn)行互換。透過(guò)光發(fā)射器或光接收器，再加上排列透鏡的方式來(lái)做到這一點(diǎn)。這里會(huì )再次出現像是電磁干擾等光纖原本可以很好避開(kāi)的已知問(wèn)題，因此在數字端使用差分信號是很常見(jiàn)的。

 

目前光纖與在銅線(xiàn)上運作的以太網(wǎng)絡(luò )相互并存著(zhù)，使用網(wǎng)絡(luò )適配器、切換器和路由器來(lái)串連這些設備，并且將網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái) (包括局域網(wǎng)絡(luò )、城域網(wǎng)絡(luò )和儲存局域網(wǎng)絡(luò ))。需要使用一個(gè)光收發(fā)器來(lái)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(zhù)顯著(zhù)優(yōu)勢，管理收發(fā)器一事卻造成了 PCB 層面上的零組件數量不斷增加。

 

聚合控制

 

看來(lái)更大的帶寬始終是這個(gè)問(wèn)題的答案，不過(guò)現實(shí)中，網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)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(lái)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，甚至切換器或路由器內出現存在著(zhù)多個(gè)收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器又都為了特定類(lèi)型的連接進(jìn)行優(yōu)化，但這些都需要加以管理。

 

長(cháng)期下來(lái)這項任務(wù)的規模會(huì )不斷發(fā)展，通常管理一個(gè)不斷增長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )，最簡(jiǎn)單的辦法就是為每個(gè)通道設置一個(gè)專(zhuān)門(mén)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(wú)論從所需的實(shí)體空間，還是從所需的系統功率來(lái)看，顯然加入更多的零組件來(lái)擴大網(wǎng)絡(luò )接口都會(huì )造成問(wèn)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(lái)取代多個(gè)中間設備 (I2C 解多任務(wù)器、LED 驅動(dòng)器和電平轉換器)(圖 2)。

 

圖 2：多光學(xué)模塊聚合控制

 

Diodes Incorporated 的 PI7C1401 四埠擴展器就是其中一個(gè)例子。每個(gè)裝置提供多達四個(gè) I2C 或 SPI 接口的聚合，這樣就能用一個(gè) FPGA 或 ASIC 裝置，通過(guò)一個(gè) I2C/SPI 接口來(lái)尋址和控制至少四個(gè)光學(xué)模塊，無(wú)需專(zhuān)門(mén)提供一個(gè)端口給每個(gè)模塊 (圖 3)。

 

圖 3：PI7C1401 端口擴展器的功能區塊圖

 

使用這種裝置的一個(gè)顯著(zhù)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 14 個(gè) PI7C1401 裝置且將其輸入線(xiàn)連接在一起時(shí)，可以很容易地擴大到 1:56。自動(dòng)尋址功能使得單一裝置無(wú)需使用一個(gè)獨特的地址。這么一來(lái)便立即增加容量，在空間允許的情況下，可以在現有設計中安裝和控制額外的光學(xué)模塊。主機裝置 (常見(jiàn)的是 FPGA、微處理器或 ASIC) 通常會(huì )以高處理頻率運作，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。在絕大多數的情況下，接腳數量會(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(lái)便能把許多控制功能卸除到端口擴展器上，主機裝置便無(wú)需執行繁雜的處理工作，而能專(zhuān)注在于其他活動(dòng)上。這甚至可能減少 I/O 接腳數量或處理能力，以?xún)?yōu)化主機裝置的成本。還能減少主機繞送層的擁堵情況。

 

用戶(hù)可以視所使用的協(xié)議選擇主機接口的速度；I2C 接口的工作頻率可達 1MHz，當配置為 SPI 接口時(shí)，其工作頻率可達 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(zhuān)門(mén)用于驅動(dòng)狀態(tài) LED 的輸出；大多數 SFP+ 和 QSFP+ 模塊將使用每個(gè)端口的黃色和綠色 LED 來(lái)指示鏈路狀態(tài) (鏈路接通、鏈路斷開(kāi)等)。內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 在內的部分低速接口規格定義了邏輯設備地址，PI7C1401 能夠使用地址映像功能，使上游主機發(fā)出下游進(jìn)行讀或寫(xiě)的操作，稱(chēng)為直接存取。端口擴展器還能從下游模塊執行預取讀的操作。這些數據存在 PI7C1401 的芯片上 32 字節 FIFO 中?？梢耘渲脭祿拇笮『偷刂?，并可安排或由中斷觸發(fā)預取操作。直接存取的優(yōu)先級高于預取操作。

 

PI7C1401 的管理功能為端口擴展功能提供了有效且寶貴的補充，可以直接提高系統性能。

 

結論

 

光纖接口的優(yōu)點(diǎn)，讓網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的每一個(gè)點(diǎn)都逐漸開(kāi)始采用光纖接口。需要有專(zhuān)用的控制通道來(lái)因應這種增加的情況，這可能會(huì )迅速消耗實(shí)體資源。使用端口擴展器可以解決利用現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效率。

 

參考數據：DIA036/A/SC

 

（來(lái)源：Diodes作者：Eric Lan，連接 ASIC 產(chǎn)品線(xiàn)的產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)副理 ）