(完整版)BackplaneEthernet簡(jiǎn)介

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

2、，最大傳輸距離可達(dá) 1m (40 inch)。backplane ethernet 結(jié)構(gòu)如下圖 所示?？s略語(yǔ)解釋?zhuān)篴n=auto-negotiation,自協(xié)商gmii=gigabit media independent interface，吉比特媒體獨(dú)立接口 rmii=reduced media independent interface 簡(jiǎn)化媒體獨(dú)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(cuò)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(dú)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(guò) phy 芯片將 10gbase-kr/40gbase-kr4 轉(zhuǎn)換為 xfi 或 sfi 總線(xiàn)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(lèi)：gbic: gigabit interface converter，個(gè)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(gè)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(lèi)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(gè)頭比較大，sfp+個(gè)頭小，里面沒(méi)有 cdr 模塊，此部分功能一般 在 phy 器件中實(shí)現(xiàn)。sfi/xfi 差別：由上圖可知，有些 phy 器件支持 xfi 總線(xiàn)，有些支持 sfi 總線(xiàn)，這兩者有什 么差別的？與 xfi 相比，sfi 信號(hào)多了一個(gè) fec 功能。多模光纖長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，由于光 色散作用，會(huì)增加數(shù)據(jù)誤碼，因此需要 fec 功能進(jìn)行前向糾錯(cuò)

6、。所以，如果接口 光模塊只做短距離傳輸?shù)脑?huà)，直接用 xfi 總線(xiàn)接光模塊即可。而對(duì)于需要長(zhǎng)距離 傳輸?shù)墓饪冢仨氂?sfi 總線(xiàn)出光模塊。phy 模塊中各層的功能普通百兆/千兆/萬(wàn)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(gè)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(lái)自 mac 層的數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)自線(xiàn)路上的數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)，即在數(shù)據(jù)傳輸和接收 同時(shí)發(fā)生時(shí)，需按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和根據(jù)工作模式進(jìn)行處理。在半雙工工作模式下，發(fā) 生碰撞時(shí)產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)（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(cè)信號(hào)（carrier sense signal）和碰撞 檢出信號(hào)（collision detection signal），用這兩個(gè)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì) 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(hào)轉(zhuǎn)換。使接收端鎖相環(huán) ( pll )能正常工作 , 避免接收端時(shí)鐘漂移或同步丟失而引起數(shù)據(jù)丟失。2).dc 補(bǔ)償在高速的數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路中 ,一般采用差分信號(hào) ,需要直流分量盡量小 , 有 dc 補(bǔ)償功能后 ,即鏈路中不會(huì)隨著時(shí)間推移而出現(xiàn) dc 偏移。3). 檢錯(cuò)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(cè)出傳輸過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)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(cè)（link monitoring）；2).

9、 載波檢測(cè)（carrier dete-cting）；3). nrzi 編/譯碼（nrzi en-coding/decoding）；4). 發(fā)送時(shí)鐘合成（transmit clock synthesis）；5). 接收時(shí)鐘恢復(fù)（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(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)接口得到需要發(fā)送的時(shí) 鐘脈沖，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘接口的安排，得到不同的發(fā)送時(shí)鐘值。在

10、pma 發(fā)送子層需進(jìn)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(wú)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(zhǔn)備。 pma 接收子層主要完成下面兩個(gè)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(jìn)行 nrzi 譯碼，并將其變換成單極性的二進(jìn)進(jìn) pcs 子層。2). 接收時(shí)鐘恢復(fù)（receive clo-ck recovery）,將接收時(shí)鐘恢復(fù)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(dòng)同步于串行數(shù)據(jù) 流并從中提取時(shí)鐘，最后將恢復(fù)時(shí)鐘和 nrzi 譯碼后的數(shù)據(jù)流送到 pcs 子層。當(dāng) pma 接收子層沒(méi)有檢出任何接收信號(hào)時(shí)，pma 利用發(fā)送時(shí)鐘作為 pll 的參 考標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。在 100base-tx 信號(hào)情況下，恢復(fù)出 25mhz 的時(shí)鐘。而在 10base-t 信號(hào)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)則是 2.5mhz。pma 接收子層的鏈路監(jiān)視功能（link moni-toring function）可以來(lái)監(jiān)視 接收時(shí)鐘 pll。若接收時(shí)鐘 pll 沒(méi)有捕獲鎖定的串行數(shù)據(jù)流，則產(chǎn)生一個(gè)差錯(cuò)信 號(hào)。在一般情況下，pma 鏈路監(jiān)視功能塊連續(xù)統(tǒng)

12、計(jì)與其連接的鏈路狀態(tài)。若沒(méi)有 檢出接收信號(hào)或者 pll 誤幀，則宣告接收通道差錯(cuò)。3.pmd 子層的主要功能有：數(shù)據(jù)流擾碼/解憂(yōu)、多躍變沿編譯碼功能及對(duì)接 收信號(hào)進(jìn)行直流恢復(fù)和自血壓計(jì)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(gè)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(jìn)行解擾，恢復(fù)成原 nrzi 數(shù)據(jù)信號(hào)。直流恢復(fù)（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(zhǎng)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(huì)引起信號(hào)“基線(xiàn)”的漂移，即“基線(xiàn)”信號(hào)從其正常額定直流 值移動(dòng)或漂移，而不利于接收機(jī)對(duì)于噪聲的抑制特性，因此需要恢復(fù)信號(hào)原直流 分量。自適應(yīng)均衡器（adaptive equalizer）。當(dāng)數(shù)據(jù)在電纜中傳輸時(shí)，由于色散 特性，將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真和碼間干擾（isi:inter symbol interference），因 此在接收機(jī)中必需采取措施將進(jìn)來(lái)的失真和碼間干擾信號(hào)恢復(fù)成原信號(hào)。自動(dòng)均衡的方法之一是監(jiān)視接收信號(hào)的能量，用以確定傳輸介質(zhì)的長(zhǎng)度，并 據(jù)此調(diào)整均衡器的性能。因?yàn)?，接收信?hào)的幅度與傳輸?shù)睦|長(zhǎng)是成正比的，所以 若信號(hào)電平降低，則會(huì)增加均衡的總量，而便于補(bǔ)償信號(hào)在

14、線(xiàn)路中的損失。 4.an 子層的功能自動(dòng)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(yuǎn)端鏈路設(shè)備中上述能力；3). 與鏈路遠(yuǎn)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(yuǎn)端鏈路設(shè) 備建立協(xié)議，自動(dòng)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(gè) fec 子層。fec 即“前向糾錯(cuò)”的意思。糾錯(cuò)編碼的基本實(shí)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(yàn)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(cuò)，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(cuò)誤乃至糾正錯(cuò)誤。利用信 道編碼進(jìn)行差錯(cuò)控制的系統(tǒng)基本上有三種：襝錯(cuò)重發(fā)(arq)、前向糾錯(cuò)(fec)和混 合糾錯(cuò)(hec)。arq(automatic repeat request)系統(tǒng)的基本思想就是利用檢錯(cuò)碼，在接 收端一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，便反饋回去相應(yīng)的信號(hào)，要求重發(fā)，這種系統(tǒng)的效率低， 實(shí)時(shí)性差。fec 系統(tǒng)的基本思想是利用糾錯(cuò)碼，在接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，根據(jù)接收 到的碼和編碼規(guī)則，自動(dòng)糾正傳輸中的錯(cuò)誤，這種系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好，但是隨著糾 錯(cuò)能力的提高，編譯碼設(shè)備相對(duì)復(fù)雜。hec 系統(tǒng)是結(jié)合前向糾錯(cuò)和 arq 系統(tǒng)的優(yōu) 點(diǎn)，在糾錯(cuò)能力范圍內(nèi)，自動(dòng)糾正錯(cuò)誤，超出糾錯(cuò)范圍則要求發(fā)送端重新發(fā)送， 它是一種折衷的方案，實(shí)時(shí)性不是很好。fec 在現(xiàn)代通信工程中得到了廣泛的運(yùn)用。itu-t 在許多標(biāo)準(zhǔn)采用了