【導讀】所有產品應用項目都要求更大的帶寬，這一點在電信和數據通訊基礎設施中尤為明顯。使用光纖是有效增加帶寬的方法，卻又需要在光纖纜線的每一端加入一個終止的收發器模塊。這些收發器必須放在靠近設備中的 PCB 邊緣，且需要用一個串行接口來控制每個收發器。隨著信道數量的增加，控制通道的數量也在增加，這對電路板上需要用于支持這些通道的空間，產生累積性影響。
簡介
所有產品應用項目都要求更大的帶寬，這一點在電信和數據通訊基礎設施中尤為明顯。使用光纖是有效增加帶寬的方法，卻又需要在光纖纜線的每一端加入一個終止的收發器模塊。這些收發器必須放在靠近設備中的 PCB 邊緣，且需要用一個串行接口來控制每個收發器。隨著信道數量的增加，控制通道的數量也在增加，這對電路板上需要用于支持這些通道的空間，產生累積性影響。
聚合這些串行控制通道，開發人員便能大幅減少所需的個別零組件數量和隨后需要的電路板空間。這些信道聚合器還能提供額外的功能，本文將對此進行探討。
光纖收發器遍布網絡
在整個網絡基礎設施中使用光纖通訊網絡的程度正在不斷增加，一直延伸到邊緣。光纖到戶為消費者和企業提供了更高帶寬的寬帶服務，但是這種帶寬需要一直支持到服務器或數據中心，以保證享有一定程度的服務水平。
除了帶寬，從技術角度來看，光纖還有更多具備吸引力的原因。在很寬的頻帶內，光纖的衰減比起銅纜要小得多。光纖通常比銅線要輕上不少，且直徑更小，代表營運商可以在一定的空間、尺寸或重量條件下支持更多的連接。在物理上，光纖也比電纜更安全，而在電氣上也更安全。說不定最相關的是，光纖還能有效免除所有形式電磁能的影響性。
收發器是高速光纖通訊與網絡其他部分之間的接口。它們包括用于傳輸和接收的光學組件，以脈沖雷射的形式將數字信息與光波進行互換。透過光發射器或光接收器，再加上排列透鏡的方式來做到這一點。這里會再次出現像是電磁干擾等光纖原本可以很好避開的已知問題，因此在數字端使用差分信號是很常見的。
目前光纖與在銅線上運作的以太網絡相互并存著，使用網絡適配器、切換器和路由器來串連這些設備，并且將網絡連接起來 (包括局域網絡、城域網絡和儲存局域網絡)。需要使用一個光收發器來終止每個通道，也需要控制每個收發器。光纖在網絡容量方面有著顯著優勢，管理收發器一事卻造成了 PCB 層面上的零組件數量不斷增加。
聚合控制
看來更大的帶寬始終是這個問題的答案，不過現實中，網絡有著不同的速度，會聚集一些信道以提供最高的帶寬。這么一來整個網絡，甚至切換器或路由器內出現存在著多個收發器，每個收發器又都為了特定類型的連接進行優化，但這些都需要加以管理。
長期下來這項任務的規模會不斷發展，通常管理一個不斷增長的網絡，最簡單的辦法就是為每個通道設置一個專門的控制路徑。這或許有用，但在某些時候，用于管理收發器的 FPGA 或 ASIC 會受到接腳的限制，或者需要加大 PCB 的尺寸 (圖 1)。
圖 1：控制光纖模塊的典型做法
無論從所需的實體空間，還是從所需的系統功率來看，顯然加入更多的零組件來擴大網絡接口都會造成問題。更為一勞永逸的辦法是用一個能夠控制多個模塊的單一裝置來取代多個中間設備 (I2C 解多任務器、LED 驅動器和電平轉換器)(圖 2)。
圖 2：多光學模塊聚合控制
Diodes Incorporated 的 PI7C1401 四埠擴展器就是其中一個例子。每個裝置提供多達四個 I2C 或 SPI 接口的聚合，這樣就能用一個 FPGA 或 ASIC 裝置，通過一個 I2C/SPI 接口來尋址和控制至少四個光學模塊，無需專門提供一個端口給每個模塊 (圖 3)。
圖 3：PI7C1401 端口擴展器的功能區塊圖
使用這種裝置的一個顯著優點，便是其 1:4 解多任務能力，以鏈接方式使用多達 14 個 PI7C1401 裝置且將其輸入線連接在一起時，可以很容易地擴大到 1:56。自動尋址功能使得單一裝置無需使用一個獨特的地址。這么一來便立即增加容量，在空間允許的情況下，可以在現有設計中安裝和控制額外的光學模塊。主機裝置 (常見的是 FPGA、微處理器或 ASIC) 通常會以高處理頻率運作，裝置會更有能力從單一接口管理多個相對低速的端口。在絕大多數的情況下，接腳數量會限制容量，而非處理速度，這直接支持了從單一接口以多任務方式控制多個端口的做法。
PI7C1401 還有第二個優點，不只提供單純的解多任務功能，還提供了模塊管理功能。這么一來便能把許多控制功能卸除到端口擴展器上，主機裝置便無需執行繁雜的處理工作，而能專注在于其他活動上。這甚至可能減少 I/O 接腳數量或處理能力，以優化主機裝置的成本。還能減少主機繞送層的擁堵情況。
用戶可以視所使用的協議選擇主機接口的速度；I2C 接口的工作頻率可達 1MHz，當配置為 SPI 接口時，其工作頻率可達 33MHz。PI7C1401 還具有 GPIO 接腳，可用于管理功能，由寄存器加以控制。各信道有兩個專門用于驅動狀態 LED 的輸出；大多數 SFP+ 和 QSFP+ 模塊將使用每個端口的黃色和綠色 LED 來指示鏈路狀態 (鏈路接通、鏈路斷開等)。內部電路使用配置寄存器進行控制，其中包括 LED 模式、ON 時間、OFF 時間及亮度控制寄存器。
包括 SFF-8472 和 SFF-8431 在內的部分低速接口規格定義了邏輯設備地址，PI7C1401 能夠使用地址映像功能，使上游主機發出下游進行讀或寫的操作，稱為直接存取。端口擴展器還能從下游模塊執行預取讀的操作。這些數據存在 PI7C1401 的芯片上 32 字節 FIFO 中。可以配置數據的大小和地址，并可安排或由中斷觸發預取操作。直接存取的優先級高于預取操作。
PI7C1401 的管理功能為端口擴展功能提供了有效且寶貴的補充，可以直接提高系統性能。
結論
光纖接口的優點，讓網絡拓撲結構的每一個點都逐漸開始采用光纖接口。需要有專用的控制通道來因應這種增加的情況，這可能會迅速消耗實體資源。使用端口擴展器可以解決利用現有資源加入更多控制通道的難題，也有效卸除了許多端口的管理工作。提高抽象層次，主機裝置便能更為善加管理繞送層任務并大幅提高整體系統效率。
參考數據：DIA036/A/SC
（來源：Diodes作者：Eric Lan，連接 ASIC 產品線的產品營銷部門副理 ）
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