控制信道聚合有助于网络采用光纤接口

由 winniewei 提交于周二, 29 六月 2021 - 09:26

作者：Diodes公司连接 ASIC 产品线的产品营销部门副理 Eric Lan
简介

所有产品应用项目都要求更大的带宽，这一点在电信和数据通讯基础设施中尤为明显。使用光纤是有效增加带宽的方法，却又需要在光纤缆线的每一端加入一个终止的收发器模块。这些收发器必须放在靠近设备中的 PCB 边缘，且需要用一个串行接口来控制每个收发器。随着信道数量的增加，控制通道的数量也在增加，这对电路板上需要用于支持这些通道的空间，产生累积性影响。

聚合这些串行控制通道，开发人员便能大幅减少所需的个别零组件数量和随后需要的电路板空间。这些信道聚合器还能提供额外的功能，本文将对此进行探讨。

光纤收发器遍布网络

在整个网络基础设施中使用光纤通讯网络的程度正在不断增加，一直延伸到边缘。光纤到户为消费者和企业提供了更高带宽的宽带服务，但是这种带宽需要一直支持到服务器或数据中心，以保证享有一定程度的服务水平。

除了带宽，从技术角度来看，光纤还有更多具备吸引力的原因。在很宽的频带内，光纤的衰减比起铜缆要小得多。光纤通常比铜线要轻上不少，且直径更小，代表营运商可以在一定的空间、尺寸或重量条件下支持更多的连接。在物理上，光纤也比电缆更安全，而在电气上也更安全。说不定最相关的是，光纤还能有效免除所有形式电磁能的影响性。

收发器是高速光纤通讯与网络其他部分之间的接口。它们包括用于传输和接收的光学组件，以脉冲雷射的形式将数字信息与光波进行互换。透过光发射器或光接收器，再加上排列透镜的方式来做到这一点。这里会再次出现像是电磁干扰等光纤原本可以很好避开的已知问题，因此在数字端使用差分信号是很常见的。

目前光纤与在铜线上运作的以太网络相互并存着，使用网络适配器、切换器和路由器来串连这些设备，并且将网络连接起来 (包括局域网络、城域网络和储存局域网络)。需要使用一个光收发器来终止每个通道，也需要控制每个收发器。光纤在网络容量方面有着显著优势，管理收发器一事却造成了 PCB 层面上的零组件数量不断增加。

聚合控制

看来更大的带宽始终是这个问题的答案，不过现实中，网络有着不同的速度，会聚集一些信道以提供最高的带宽。这么一来整个网络，甚至切换器或路由器内出现存在着多个收发器，每个收发器又都为了特定类型的连接进行优化，但这些都需要加以管理。

长期下来这项任务的规模会不断发展，通常管理一个不断增长的网络，最简单的办法就是为每个通道设置一个专门的控制路径。这或许有用，但在某些时候，用于管理收发器的 FPGA 或 ASIC 会受到接脚的限制，或者需要加大 PCB 的尺寸 (图 1)。

图 1：控制光纤模块的典型做法

无论从所需的实体空间，还是从所需的系统功率来看，显然加入更多的零组件来扩大网络接口都会造成问题。更为一劳永逸的办法是用一个能够控制多个模块的单一装置来取代多个中间设备 (I2C 解多任务器、LED 驱动器和电平转换器)(图 2)。

图 2：多光学模块聚合控制

Diodes Incorporated 的 PI7C1401 四埠扩展器就是其中一个例子。每个装置提供多达四个 I2C 或 SPI 接口的聚合，这样就能用一个 FPGA 或 ASIC 装置，通过一个 I2C/SPI 接口来寻址和控制至少四个光学模块，无需专门提供一个端口给每个模块 (图 3)。

图 3：PI7C1401 端口扩展器的功能区块图

使用这种装置的一个显著优点，便是其 1:4 解多任务能力，以链接方式使用多达 14 个 PI7C1401 装置且将其输入线连接在一起时，可以很容易地扩大到 1:56。自动寻址功能使得单一装置无需使用一个独特的地址。这么一来便立即增加容量，在空间允许的情况下，可以在现有设计中安装和控制额外的光学模块。主机装置 (常见的是 FPGA、微处理器或 ASIC) 通常会以高处理频率运作，装置会更有能力从单一接口管理多个相对低速的端口。在绝大多数的情况下，接脚数量会限制容量，而非处理速度，这直接支持了从单一接口以多任务方式控制多个端口的做法。

PI7C1401 还有第二个优点，不只提供单纯的解多任务功能，还提供了模块管理功能。这么一来便能把许多控制功能卸除到端口扩展器上，主机装置便无需执行繁杂的处理工作，而能专注在于其他活动上。这甚至可能减少 I/O 接脚数量或处理能力，以优化主机装置的成本。还能减少主机绕送层的拥堵情况。

用户可以视所使用的协议选择主机接口的速度；I2C 接口的工作频率可达 1MHz，当配置为 SPI 接口时，其工作频率可达 33MHz。PI7C1401 还具有 GPIO 接脚，可用于管理功能，由寄存器加以控制。各信道有两个专门用于驱动状态 LED 的输出；大多数 SFP+ 和 QSFP+ 模块将使用每个端口的黄色和绿色 LED 来指示链路状态 (链路接通、链路断开等)。内部电路使用配置寄存器进行控制，其中包括 LED 模式、ON 时间、OFF 时间及亮度控制寄存器。

包括 SFF-8472 和 SFF-8431 在内的部分低速接口规格定义了逻辑设备地址，PI7C1401 能够使用地址映像功能，使上游主机发出下游进行读或写的操作，称为直接存取。端口扩展器还能从下游模块执行预取读的操作。这些数据存在 PI7C1401 的芯片上 32 字节 FIFO 中。可以配置数据的大小和地址，并可安排或由中断触发预取操作。直接存取的优先级高于预取操作。

PI7C1401 的管理功能为端口扩展功能提供了有效且宝贵的补充，可以直接提高系统性能。

结论

光纤接口的优点，让网络拓扑结构的每一个点都逐渐开始采用光纤接口。需要有专用的控制通道来因应这种增加的情况，这可能会迅速消耗实体资源。使用端口扩展器可以解决利用现有资源加入更多控制通道的难题，也有效卸除了许多端口的管理工作。提高抽象层次，主机装置便能更为善加管理绕送层任务并大幅提高整体系统效率。

参考数据：DIA036/A/SC