| 今天,多數(shù)計(jì)算機(jī)、嵌入式處理設(shè)備和通信設(shè)備都采用并行總線,最流行的總線形式包括PCI、VME及它們的擴(kuò)展。但隨著芯片性能增加,以及更大的帶寬需求,這些多路并行總線結(jié)構(gòu)遇到了令系統(tǒng)設(shè)計(jì)者頭疼的限制。
不斷增加的系統(tǒng)復(fù)雜性產(chǎn)生了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)（intra-system）通信帶寬的需求,這一度曾經(jīng)是系統(tǒng)與系統(tǒng)間通信的專利。針對(duì)后者開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)包括千兆位以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）和光纖通道（Fibre Channel）,主要用于如存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）和利用光纖連接的因特網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品之類的系統(tǒng)。新開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)10G Ethernet XAUI和InfiniBand擴(kuò)展了相應(yīng)的電氣和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以提供更高的帶寬。新標(biāo)準(zhǔn)的快速發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域不斷增強(qiáng)的數(shù)字統(tǒng)一趨勢(shì),對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員橋接這些標(biāo)準(zhǔn)和適應(yīng)不斷演化的標(biāo)準(zhǔn)提出了新的挑戰(zhàn)。具有新一代系統(tǒng)集成和靈活性的可編程解決方案,如來自Xilinx公司的平臺(tái)FPGA產(chǎn)品成為幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)高性能通信系統(tǒng),并適應(yīng)不斷變化的新興千兆位串行標(biāo)準(zhǔn)的理想解決方案。
對(duì)更大帶寬的需求
因特網(wǎng)的成功促進(jìn)了帶寬需求的持續(xù)增長(zhǎng)。多媒體應(yīng)用,如IP視頻傳輸（Video over IP）、電子郵件和移動(dòng)傳輸 ,推動(dòng)了通過有線或無線媒體快速有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和處理的需求。業(yè)界試圖通過生產(chǎn)更快的CPU來滿足這一要求。然而這一方法,似乎已陷入了死胡同,因?yàn)橛脩粢呀?jīng)不能再感受到與CPU性能直接成比例的巨大系統(tǒng)性能提升,如圖1所示。正如莫爾定律所表明的,處理器帶寬每18個(gè)月翻一番,但PC總線的性能卻要三年才能提高一倍。存在的巨大性能缺口無法僅僅通過繼續(xù)提高CPU速度來克服�，F(xiàn)在處理器速度已經(jīng)達(dá)到2GHz,并將很快達(dá)到10GHz,因此,需要一種新的系統(tǒng)互連技術(shù)來將CPU的性能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)性能。
新通信標(biāo)準(zhǔn)的激增
大體上,芯片至芯片、模塊至模塊、系統(tǒng)至系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸速度太慢。這導(dǎo)致新通信標(biāo)準(zhǔn)的迅速增長(zhǎng),開發(fā)這些標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)都是要解決I/O瓶頸挑戰(zhàn)。業(yè)界開發(fā)了一系列新的總線互連方案;其中一些的數(shù)據(jù)傳輸速度超過10G位每秒（Gb/s）。新推出的標(biāo)準(zhǔn)如RapidIO、10 Gigabit Ethernet Attachment Unit Interface (XAUI), HyperTransport, InfiniBand等的支持者包括Intel、 Cisco、 AMD、 Microsoft、 Compaq、 Dell、 HP、 Xilinx 和 Sun等公司。其他已在使用或正在向更高性能演化的標(biāo)準(zhǔn)包括POS-PHY Level (PL4)、 Ethernet 和不同的光學(xué)SONET 格式,如OC-192 和 OC-768。
 如圖2所示,這些新的或正在演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了所有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,包括芯片-芯片通信的主板、子系統(tǒng)間通信的背板,以及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)絡(luò)（SAN、LAN、和WAN）。
并行總線設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
目前廣泛使用的幾種通信標(biāo)準(zhǔn)都是基于并行總線的標(biāo)準(zhǔn)。并行標(biāo)準(zhǔn)可分成兩大類：
● 系統(tǒng)同步并行總線標(biāo)準(zhǔn)：“古老的”PCI總線系列,包括PCI-X 和 Compact PCI。
● 源同步并行總線標(biāo)準(zhǔn),例如,RapidIO、HyperTransport、SPI-4 / Flexbus 4、POS-PHY Level 3 和Level 4,以及其他類似標(biāo)準(zhǔn)。
隨著PCI逐漸失寵,重點(diǎn)已集中在源同步標(biāo)準(zhǔn)總線,此類總線采用多個(gè)低壓差分信號(hào)支持太位（Terabit）級(jí)總帶寬需求。在源同步設(shè)計(jì)中,時(shí)鐘和數(shù)據(jù)通過電路板上的不同線路傳輸,但要求它們要同時(shí)到達(dá)接收器。隨著設(shè)計(jì)速度的提高,對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說這成為一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員要管理與并行總線實(shí)施相關(guān)聯(lián)的通道與通道畸變、抖動(dòng)和信號(hào)占空比變形等問題,同時(shí)還要達(dá)到帶寬要求。
向千兆位串行I/O轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)
業(yè)界終于認(rèn)識(shí) 到源同步并行總線難于實(shí)施,從而正逐漸緩慢地轉(zhuǎn)向采用高速串行I/O,如圖3所示。高速串行標(biāo)準(zhǔn)利用嵌入式時(shí)鐘獲得數(shù)G位每秒的帶寬,而且最少用4個(gè)引腳就可做到。這在簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和降低總體系統(tǒng)成本方面帶來巨大的利益。當(dāng)電路板上的管腳數(shù)量降低時(shí),電路板的布線性能提高了、電路板空間利用效率更高,連接器的尺寸也變小了。這帶來了設(shè)計(jì)靈活性,并可節(jié)約總體系統(tǒng)成本。進(jìn)一步,串行I/O技術(shù)利用嵌入式時(shí)鐘方案來通過同一條信號(hào)線同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘和數(shù)據(jù),從而避免了與板級(jí)時(shí)鐘畸變相關(guān)的問題。在下表中列出了幾種新的基于千兆位串行I/O的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn),包括InfiniBand、第三代I/O (3GIO)、 RapidIO Serial、 Fibre Channel、 和 XAUI。我們下面逐個(gè)簡(jiǎn)要討論這些新的千兆位接口標(biāo)準(zhǔn)。
InfiniBand
InfiniBand 是第一批利用這些技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)之一,支持InfiniBand 的首款芯片現(xiàn)在已在提供。InfiniBand 主要針對(duì)需要長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)的廣域存儲(chǔ)和系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。InfiniBand 建立在現(xiàn)有的交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓拍钪?并將之應(yīng)用于處理器互連,從而創(chuàng)造出一個(gè)系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。它提供了一種交換式結(jié)構(gòu)拓?fù)?利用通道適配器、交換機(jī)和路由器為系統(tǒng)中的結(jié)點(diǎn)間提供大帶寬點(diǎn)到點(diǎn)連接。InfiniBand 接口可通過全速、自定時(shí)（Self-Clocking）的2、8、或24信號(hào)對(duì)差分接口工作在1X、4X和12X（2.5 Gb/s、10 Gb/s或30Gb/s）速度下。采用的鏈路編碼方案是8B/10B編碼,它提供了有限的編碼長(zhǎng)度（run length）,支持時(shí)鐘恢復(fù)和同步、字節(jié)同步、控制字以及直流（DC平衡）。
3GIO
3GIO利用波特率高達(dá)2.5Gb/s的完全串行的點(diǎn)到點(diǎn)連接來連接板上的芯片或同一箱體內(nèi)的多塊電路板。它可滿足多種細(xì)分市場(chǎng)的需求,如桌面、移動(dòng)、服務(wù)器、通信和嵌入式應(yīng)用。PCI-SIG和Arapahoe工作組的發(fā)起成員合作將3GIO定義為一種開放式結(jié)構(gòu)和PCI的擴(kuò)展,因此擴(kuò)展了PCI標(biāo)準(zhǔn)的生存期。3GIO標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)之一是其與PCI軟件模型的后向兼容性,從而允許現(xiàn)有操作系統(tǒng)無需任何改變即可啟動(dòng)。3GIO還保留了現(xiàn)有PCI驅(qū)動(dòng)器模型,并與PCI配置兼容。這使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可保護(hù)其PCI投資。此外,3GIO支持多種連接方案,包括芯片到芯片、板到板和集線站（docking stations）。3GIO還利用一種基于數(shù)據(jù)包的靈活協(xié)議來支持高級(jí)性能,如服務(wù)質(zhì)量（QoS）、電源管理、識(shí)別不同數(shù)據(jù)類型、熱插撥和熱交換、錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù),以及繞過PCI模式的一種機(jī)制。所有這些都是設(shè)計(jì)具有高級(jí)容錯(cuò)能力的通信和計(jì)算系統(tǒng)所需要的。
XAUI
隨著因特網(wǎng)增長(zhǎng)推動(dòng)了對(duì)更大帶寬的需求,就連以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也正在從其傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用定位發(fā)展到背板連接應(yīng)用。在10G以太網(wǎng)工作組的諸多創(chuàng)新中有一項(xiàng)就是新的芯片接口,XAUI（發(fā)音為“Zowie”）,這是對(duì)10G媒體獨(dú)立接口（XGMII）的一個(gè)擴(kuò)展。XGMII是一種74位寬的接口,提供兩組（發(fā)送和接收）32位數(shù)據(jù)通道、4位控制線和時(shí)鐘。XAUI將其減少到只用8條差分信號(hào),4條收發(fā)器信號(hào)和4條接收器信號(hào)。它在接口中利用一種8B/10B編碼方案實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)和保證數(shù)據(jù)完整性。XAUI的其他好處包括由于其自定時(shí)特性帶來的低EMI（電磁輻射干擾）、允許更長(zhǎng)距離芯片到芯片或背板實(shí)施的獨(dú)立抖動(dòng)預(yù)算,以及低功耗。
Fibre Channel
光纖通道（Fibre Channel）是高度可擴(kuò)展的千兆位互連技術(shù),允許在工作站、主機(jī)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和其他外設(shè)間利用小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（SCSI）和因特網(wǎng)協(xié)議（IP）進(jìn)行并發(fā)通信。光纖通道標(biāo)準(zhǔn)是ANSI標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)系列,它包含可提高所需要的連接能力以及協(xié)議復(fù)用能力的網(wǎng)絡(luò)特性。它支持簡(jiǎn)單性、可重復(fù)性能、以及有保證的傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)通道特性,這也是與以太網(wǎng)相比的重大差別。它可提供從266Mb/s到超過4Gb/s的性能,支持的傳輸距離長(zhǎng)達(dá)10公里。光纖通道已被主要的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和存儲(chǔ)制造商接納為企業(yè)存儲(chǔ)的下一代接口技術(shù)。它消除了SCSI所具有的可靠性、可擴(kuò)展性、距離和帶寬等問題。此外,業(yè)界領(lǐng)先的RAID制造商也采用它做為標(biāo)準(zhǔn)磁盤接口。
RapidIO Serial
RapidIO標(biāo)準(zhǔn)的制定者也定義了一個(gè)利用數(shù)Gb/s串行連接在芯片與芯片間和系統(tǒng)內(nèi)的不同電路板間傳輸數(shù)據(jù)的串行標(biāo)準(zhǔn)（RapidIO 1x/4x LP-Serial）。
開發(fā)RapidIO Serial 主要是為了滿足系統(tǒng)內(nèi)器件間對(duì)串行通用存儲(chǔ)器映射互連的需求,它允許比最初的RapidIO規(guī)范傳輸更長(zhǎng)的距離。它還允許用戶聯(lián)合4條鏈路來獲得更大的帶寬。RapidIO Serial利用每方向上的單向差分信號(hào)支持器件間的全雙工操作。與XAUI、光纖通道、10G以太網(wǎng)和InfiniBand規(guī)范類似,RapidIO Serial也利用差分電流驅(qū)動(dòng)器和8B/10B編碼方案。RapidIO Serial對(duì)于那些需要較少的引腳,同時(shí)又不需要最初的寬并行鏈路RapidIO 8/16 LP規(guī)范所提供的高性能的應(yīng)用非常理想。RapidIO Serial應(yīng)用的例子包括系統(tǒng)控制平面、處理器接口或背板應(yīng)用。
解決接口挑戰(zhàn)
新一代串行互連標(biāo)準(zhǔn),如InfiniBand、RapidIO Serial、 XAUI、 Fibre Channel 和 3GIO都在試圖解決I/O瓶頸問題,但要決定到底哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能夠勝出非常困難。很可能的情況會(huì)是它們會(huì)同時(shí)應(yīng)用在諸如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、移動(dòng)和存儲(chǔ)設(shè)備等應(yīng)用中。FPGA內(nèi)在的靈活性和可編程能力有助于早期的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用者快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng),同時(shí)可保證跟上標(biāo)準(zhǔn)的演化,從而獲得上市時(shí)間優(yōu)勢(shì)。
通過最近推出的高性能平臺(tái)FPGA系列中的最新成員,新的Virtex-II Pro FPGA集成了RocketIO 技術(shù),從而可高效地實(shí)施基于所有這些新千兆位串行接口標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。RocketIO收發(fā)器支持每通道高達(dá)3.125Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,并且可利用通道捆綁方法擴(kuò)展?jié)M足新應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求。例如, 4 個(gè)RocketIO收發(fā)器可以捆綁在一起支持XAUI 數(shù)據(jù)速率。收發(fā)器模塊集成有20:1 SERDES功能,并內(nèi)置有許多串行接口標(biāo)準(zhǔn)需要的8B/10B編碼器和解碼器。而且,Xilinx提供預(yù)工程化的有強(qiáng)大支持的IP核心,允許設(shè)計(jì)人員用比以前少得多的時(shí)間創(chuàng)建功能更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)。再結(jié)合其他高性能系統(tǒng)功能,如嵌入式處理器RocketIO收發(fā)器,使得Virtex-II Pro成為實(shí)施未來串行接口應(yīng)用的理想連接平臺(tái)。
更多信息可聯(lián)系：Abhijit.Athavale@xilinx.com或?yàn)g覽公司網(wǎng)站：www.xilinx.com/cn。
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