引言
    在過去兩年里，用于消除IC、電路板和系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的接口標準層出不窮，本文將考評通信應用標準部件的某些最流行的標準，并研究眾多新標準出現(xiàn)的原因，此外還探討設計者可如何解決互用性的難題。
    新興接口標準綜述
    如果查看一下典型通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以看出很多元件都需要相互進行通信。為滿足數(shù)據(jù)通道中各種元件的不同需求，因而出現(xiàn)了各種不同的接口標準。要了解各種接口的優(yōu)缺點，就需要查看元件本身及每個元件所發(fā)生的通信類型。這里將從光電接口開始，然后逐一介紹內(nèi)部元件，直至交換架構(gòu)（switch fabric）.
    a.與串并行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。串化器-解串器 （一般被稱作串并行轉(zhuǎn)換器） 就是用來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的。串并行轉(zhuǎn)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 / STM-16）、9.953Gb/s （OC-192 / STM-64） 或10.3Gb/s （10千兆以太網(wǎng)）條件下傳輸。
    b.串并行轉(zhuǎn)換器至成幀器接口
    在Sonet / SDH的世界中，光纖中的數(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。
    由于成幀器需要實現(xiàn)某些復雜的數(shù)字邏輯，因而決定了串并行轉(zhuǎn)換器與成幀器間所用的接口技術(shù)，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(zhuǎn)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 （Optical Internetworking Forum） 開發(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(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)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MAC和包含PHY及光器件的獨立模塊。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(guān)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(guān)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(nèi)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(quán)。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(guān)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 “l(fā)evel X”,其級別表明標稱數(shù)據(jù)速率。Level 2即指每個方向的數(shù)據(jù)速率為622Mb/s,Level 3為2.488Gb/s,level 4為9.953Gb/s,Level 5為39.8Gb/s.因此POS-PHY Level 4的標稱帶寬為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 （Sonet物理層上的包） 由PMC-Sierra和Saturn開發(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Utopia只適用于固定單元長度。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 Level 4已獲光網(wǎng)絡互聯(lián)論壇采納，作為SPI Level 4 Phase 1（一般縮寫為“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 class 1 I/O,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 4也已經(jīng)被光網(wǎng)絡互聯(lián)論壇采納，命名為SPI Level 4 Phase 2 （通常縮寫為“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311MHz.SPI-4.2的許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-4.2,每個信號對的數(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10G以太網(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 / SDH成幀器和網(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(gòu)間的接口
    網(wǎng)絡處理器與相關(guān)器件及交換架構(gòu)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(gòu)間的接口可用CSIXLevel1接口實現(xiàn)。該接口采用CSIXLev…
    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(gòu)間的接口可用CSIX Level 1接口實現(xiàn)。該接口采用CSIX Level 1包格式，包括為交換架構(gòu)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 Level 2規(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 1協(xié)議與CSIX Level 1電氣規(guī)范無關(guān)，無論NPU芯片組和交換架構(gòu)間的經(jīng)由背板的通信采用何種電氣標準，仍可使用CSIX Level 1協(xié)議。
    對于第二種接口，即NPU芯片組與交換架構(gòu)間需要在通過背板通信，仍然可以使用CSIX Level 1協(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(zhì)到達交換架構(gòu)，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(gòu)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(gòu)建的。實現(xiàn)PCI總線架構(gòu)的32位/ 33MHz及最近采用的64位/ 66MHz標準已經(jīng)用于通信系統(tǒng)中。最近64位/ 133MHz PCI-X更用于高端服務器。但是，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(gòu)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(mào)易聯(lián)合會支持的RapidIO是使用交換架構(gòu)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(gòu)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。Motorola已經(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16位的并行數(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。現(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(jié)合高級接口技術(shù)和最新推出的Axcelerator系列高速FPGA架構(gòu)。首款產(chǎn)品將具有速率高達3.125Gb/s的集成串并行轉(zhuǎn)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(quán)內(nèi)核，以便應用于要求苛刻的橋接產(chǎn)品。