(完整版)BackplaneEthernet簡介

1、隨著電子通信技術(shù)的高速發(fā)展，目前的總線帶寬已經(jīng)發(fā)展到 10gbps/40gbps，正 在 100gbps 帶寬邁進。xaui/xlaui、interlaken、spi4.1/spi4.2、spi5/sfi5 等 高速總線雖然能滿足 10gbps/40gbps 帶寬的需求，但這些總線都是板內(nèi)總線，傳 輸距離非常有限，一般局限在 50cm 以內(nèi)。對于 atca 架構(gòu)的高性能計算平臺， 由于需要很長的背板走線，這些總線已不能滿足要求，為此，ieee 頒布了 802.3ap 標準，里面提出了 backplane ethernet 概念，提供 10gbase-kr, 40gbase-kr4 兩種總線方案

2、，最大傳輸距離可達 1m (40 inch)。backplane ethernet 結(jié)構(gòu)如下圖 所示。縮略語解釋：an=auto-negotiation,自協(xié)商gmii=gigabit media independent interface，吉比特媒體獨立接口 rmii=reduced media independent interface 簡化媒體獨立接口mdi=medium dependent interface，媒體相關(guān)接口pcs=physical coding sublayer，物理編碼子層fec=forward error correction，前向糾錯phy=physical la

3、yer device，物理層設(shè)備pma=physical medium attachment，物理媒體附屬層pmd=physical medium dependent，物理媒體相關(guān)層xgmii=10 gigabit media independent interface，10 吉比特媒體獨立接 口sgmii=serial gigabit media independent 是 phy 與 mac 之間的接口典型用法在連接背板的接口板上，通過 phy 芯片將 10gbase-kr/40gbase-kr4 轉(zhuǎn)換為 xfi 或 sfi 總線后接 sfp+或 xfp 光模塊，目前具備該轉(zhuǎn)換功能的 ph

4、y 芯片有：bcm8707(40gbase-kr4xaui)+bcm8747(xauisfi)bcm8754(xfisfi)+max3804 均衡器，放在接收端 bcm84064(40gbase-kr4xfi)pm5422(40gbase-kr4xfi)nlp3233用法示意圖如下所示(基于 atca 架構(gòu))光模塊的種類：gbic: gigabit interface converter，個頭比較大，直接焊接在 pcb 上， 支持速率為 1gbps，目前已經(jīng)被 sfp 替代。sfp：small form-factor pluggables，個頭很小，是 gbic 的替代產(chǎn)品，模 塊和插座分離，

5、支持熱插拔，使用非常方便，支持速率為 1gbps。sfp+：同 sfp 類型，只是支持的速率提高到 10gbps。xfp：xfp 也是 10gbps 光模塊，跟 sfp+相比，xfp 內(nèi)部多了 cdr(clock data recover)模塊，個頭比較大，sfp+個頭小，里面沒有 cdr 模塊，此部分功能一般 在 phy 器件中實現(xiàn)。sfi/xfi 差別：由上圖可知，有些 phy 器件支持 xfi 總線，有些支持 sfi 總線，這兩者有什 么差別的？與 xfi 相比，sfi 信號多了一個 fec 功能。多模光纖長距離傳輸時，由于光 色散作用，會增加數(shù)據(jù)誤碼，因此需要 fec 功能進行前向糾錯

6、。所以，如果接口 光模塊只做短距離傳輸?shù)脑?，直接?xfi 總線接光模塊即可。而對于需要長距離 傳輸?shù)墓饪?，必須?sfi 總線出光模塊。phy 模塊中各層的功能普通百兆/千兆/萬兆以太網(wǎng)的 phy 層模型中包含 pcs 子層、pma 子層、pmd 子層和 an 子層四個部分。1.pcs 子層的功能是編碼/解碼。在發(fā)送方向，pcs 子層將來自 mac 層的數(shù)據(jù)進行編碼，百兆/千兆以太網(wǎng)一 般使用 8b/10b 編碼，10gbase-kx4 使用的也是 8b/10b 編碼，10gbase-kr 使用的 是 64b/66b 編碼，40gbase-kr4 使用的是 40gbase-r 編碼。接收方向

7、正好相反， 將來自線路上的數(shù)據(jù)進行解碼后送給 mac 層。另外，在 pcs 子層的發(fā)送方向，還可完成碰撞檢測，即在數(shù)據(jù)傳輸和接收 同時發(fā)生時，需按標準規(guī)范和根據(jù)工作模式進行處理。在半雙工工作模式下，發(fā) 生碰撞時產(chǎn)生檢測信號（col: collision detection signal），而在全雙工工 作模式下，不產(chǎn)生 col。在接收方向，它能提供 crs 載波檢測信號（carrier sense signal）和碰撞 檢出信號（collision detection signal），用這兩個控制信號實現(xiàn)對 mii 接口 的控制與管理。為何要編碼？編碼的功能主要有四種：1).轉(zhuǎn)換密度保證數(shù)據(jù)流

8、中有足夠的信號轉(zhuǎn)換。使接收端鎖相環(huán) ( pll )能正常工作 , 避免接收端時鐘漂移或同步丟失而引起數(shù)據(jù)丟失。2).dc 補償在高速的數(shù)據(jù)傳輸線路中 ,一般采用差分信號 ,需要直流分量盡量小 , 有 dc 補償功能后 ,即鏈路中不會隨著時間推移而出現(xiàn) dc 偏移。3). 檢錯編碼采用冗余方式 ,將 x 位的數(shù)據(jù)和一些特殊字符按照特定的規(guī)則編碼 成 y 位的數(shù)據(jù)(xy) ,根據(jù)這些規(guī)則 ,能檢測出傳輸過程中發(fā)生錯誤的信息。 4). 特殊字符編碼中規(guī)定了一些特殊字符 ,可用作幀同步字符和其他的分隔符或控制字 符。2.pma 子層的功能是有：1). 鏈路監(jiān)測（link monitoring）；2).

9、 載波檢測（carrier dete-cting）；3). nrzi 編/譯碼（nrzi en-coding/decoding）；4). 發(fā)送時鐘合成（transmit clock synthesis）；5). 接收時鐘恢復（receive clock recovery）。pma 發(fā)送子層（pma transmit sublayer）從 pcs 子層接收串行比特流并且 將其變換為 nrzi 格式（10mbit/s 不用），然后將其送入物理介質(zhì)相關(guān)子層（pmd）。pma 使用數(shù)字鎖相環(huán)（pll）合成技術(shù)，從時鐘標準接口得到需要發(fā)送的時 鐘脈沖，并根據(jù)標準時鐘接口的安排，得到不同的發(fā)送時鐘值。在

10、pma 發(fā)送子層需進行 nrzi（non return to zero invertel）編碼，這是 一種兩電平的單極性（o 和 v）編碼。用兩電平之間的躍變表示數(shù)據(jù)“1”，無躍 變表示“0”。在這里 nrzi 編碼為將數(shù)據(jù)變換成 mlt-3 編碼作了準備。 pma 接收子層主要完成下面兩個功能：1). nrzi 譯碼（nrzi dcoding）（10mbit/s 不用）,即將從 pmd 子層接收的串行 bit 流進行 nrzi 譯碼，并將其變換成單極性的二進進 pcs 子層。2). 接收時鐘恢復（receive clo-ck recovery）,將接收時鐘恢復是由 pll 完成 的，此 pl

11、l 鎖定于從 pmd 子層接收據(jù) 串行數(shù)據(jù)流上。pll 自動同步于串行數(shù)據(jù) 流并從中提取時鐘，最后將恢復時鐘和 nrzi 譯碼后的數(shù)據(jù)流送到 pcs 子層。當 pma 接收子層沒有檢出任何接收信號時，pma 利用發(fā)送時鐘作為 pll 的參 考標準時鐘。在 100base-tx 信號情況下，恢復出 25mhz 的時鐘。而在 10base-t 信號時時鐘信號則是 2.5mhz。pma 接收子層的鏈路監(jiān)視功能（link moni-toring function）可以來監(jiān)視 接收時鐘 pll。若接收時鐘 pll 沒有捕獲鎖定的串行數(shù)據(jù)流，則產(chǎn)生一個差錯信 號。在一般情況下，pma 鏈路監(jiān)視功能塊連續(xù)統(tǒng)

12、計與其連接的鏈路狀態(tài)。若沒有 檢出接收信號或者 pll 誤幀，則宣告接收通道差錯。3.pmd 子層的主要功能有：數(shù)據(jù)流擾碼/解憂、多躍變沿編譯碼功能及對接 收信號進行直流恢復和自血壓計勻衡。擾碼器（scrambler）將普通的 nrzi bit 流利用鍵控、模 2 加的方法產(chǎn)生一 個被擾碼的數(shù)據(jù)流。如百兆以太網(wǎng)的 mlt-3 數(shù)據(jù)流。解擾器（descrambler）的作用是將被擾碼的數(shù)據(jù)進行解擾，恢復成原 nrzi 數(shù)據(jù)信號。直流恢復（dc restoration）。在 100base-tx 數(shù)據(jù)流的擾碼和 mlt-3 的編 碼中，可能存在一定長度的連“0”或連“1”序列，使得數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生直流

13、分量， 變壓器的隔直也會引起信號“基線”的漂移，即“基線”信號從其正常額定直流 值移動或漂移，而不利于接收機對于噪聲的抑制特性，因此需要恢復信號原直流 分量。自適應均衡器（adaptive equalizer）。當數(shù)據(jù)在電纜中傳輸時，由于色散 特性，將會導致信號失真和碼間干擾（isi:inter symbol interference），因 此在接收機中必需采取措施將進來的失真和碼間干擾信號恢復成原信號。自動均衡的方法之一是監(jiān)視接收信號的能量，用以確定傳輸介質(zhì)的長度，并 據(jù)此調(diào)整均衡器的性能。因為，接收信號的幅度與傳輸?shù)睦|長是成正比的，所以 若信號電平降低，則會增加均衡的總量，而便于補償信號在

14、線路中的損失。 4.an 子層的功能自動協(xié)商子層（an:auto-negotiation sublayer）通常有以下功能： 1).確定在鏈路段介質(zhì)或纜連接的另一端設(shè)備所具有的能力；2). 宣布遠端鏈路設(shè)備中上述能力；3). 與鏈路遠端設(shè)備交換彼此表征技術(shù)能力的數(shù)據(jù)參數(shù)，并且與遠端鏈路設(shè) 備建立協(xié)議，自動選擇共有的最高性能工作模式。包括工作速率 （10/100/1000mbit/s）、傳輸介質(zhì)和半/全雙工模式。與 1000base-kx 和 10gbase-kx4 的 phy 層模型不同，10gbase-kr 和 40gbase-kr4 的 phy 層模型中除掉傳統(tǒng)的 pcs 子層、pma 子

15、層、pmd 子層和 an 子 層外，還多了一個 fec 子層。fec 即“前向糾錯”的意思。糾錯編碼的基本實現(xiàn)方法是在發(fā)送端將被傳輸?shù)男畔⒏缴弦恍┍O(jiān)督碼元，這 些多余的碼元與信息碼元之間以某種確定的規(guī)則相互關(guān)聯(lián)(約柬)。接收端按照既 定的規(guī)則校驗信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸發(fā)生差錯，則信息碼元 與監(jiān)督碼元的關(guān)系就受到破壞，從而接收端可以發(fā)現(xiàn)錯誤乃至糾正錯誤。利用信 道編碼進行差錯控制的系統(tǒng)基本上有三種：襝錯重發(fā)(arq)、前向糾錯(fec)和混 合糾錯(hec)。arq(automatic repeat request)系統(tǒng)的基本思想就是利用檢錯碼，在接 收端一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯，便反饋回去相應的信號，要求重發(fā)，這種系統(tǒng)的效率低， 實時性差。fec 系統(tǒng)的基本思想是利用糾錯碼，在接收端發(fā)現(xiàn)錯誤時，根據(jù)接收 到的碼和編碼規(guī)則，自動糾正傳輸中的錯誤，這種系統(tǒng)的實時性好，但是隨著糾 錯能力的提高，編譯碼設(shè)備相對復雜。hec 系統(tǒng)是結(jié)合前向糾錯和 arq 系統(tǒng)的優(yōu) 點，在糾錯能力范圍內(nèi)，自動糾正錯誤，超出糾錯范圍則要求發(fā)送端重新發(fā)送， 它是一種折衷的方案，實時性不是很好。fec 在現(xiàn)代通信工程中得到了廣泛的運用。itu-t 在許多標準采用了