新興以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)建立扳辆。芯片廠商和設(shè)備供應(yīng)商如今必須設(shè)法在最新一代產(chǎn)品中支持這些接口標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)還要支持傳統(tǒng)的設(shè)備尽由。本文將介紹第二代雙介質(zhì)以太網(wǎng)物理芯片(PHY)如何滿足這種靈活性要求,同時(shí)還能保持系統(tǒng)BOM成本持續(xù)降低。

系統(tǒng)中的以太網(wǎng)PHY主要用于提供局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)奈锢磉B接雷镀。IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義了多種用于傳送分組數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)接口,但最常用的仍是通過(guò)5E類雙絞銅線以及單囊跋罚或雙模光纖傳輸?shù)慕涌凇Ｊ袌?chǎng)上最流行的以太網(wǎng)接口是10BAST-T銅介質(zhì)接口,其常見(jiàn)用于PC機(jī)兆剃、LAN交換機(jī)哺挺、服務(wù)器以及家庭寬帶設(shè)備,如同軸線纜調(diào)制解調(diào)器和DSL調(diào)制解調(diào)器。

隨著分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,業(yè)界又推出了幾種新興接口以滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬需求被核。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中,100BASE-TX銅介質(zhì)的使用僅次于10BASE-T,其可傳輸?shù)淖畲蠓纸M數(shù)據(jù)流量是10BASE-T的10倍暴姓。在跨距超過(guò)銅線所能達(dá)到的情況,還可以使用100BASE-FX光纖。2000年以后,由于銅介質(zhì)的1000BASE-T PHY和光纖介質(zhì)的1000BASE-X PHY的采用,以太網(wǎng)PHY芯片廠商成功進(jìn)入千兆以太網(wǎng)的領(lǐng)域勃提。盡管如此,現(xiàn)有的分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)只支持10BASE-T湿儡、100BASE-TX和/或100BASE-FX接口,并仍在今天的以太網(wǎng)中廣泛使用。

設(shè)備供應(yīng)商面臨的挑戰(zhàn)

制造分組數(shù)據(jù)處理設(shè)備的供應(yīng)商必須爭(zhēng)取設(shè)備能連接到各種新型的以太網(wǎng)介質(zhì)接口,同時(shí)還要保持與10BASE-T凹尺、100BASE-TX和100BASE-FX傳統(tǒng)產(chǎn)品的連通性处榔。為了向終端用戶提供足夠的靈活性,供應(yīng)商提出了利用現(xiàn)有以太網(wǎng)PHY技術(shù)的創(chuàng)新方法,比如一些設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)備供應(yīng)商可能會(huì)在一個(gè)底座中同時(shí)提供10/100/1000BASE-T銅介質(zhì)PHY和1000BASE-X光纖介質(zhì)PHY,而有些供應(yīng)商則生產(chǎn)模塊化的底座系統(tǒng)以允許終端用戶購(gòu)買各種與底座系統(tǒng)兼容的子模塊,然后根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)接口類型進(jìn)行更換和配置∨哨澹可是,由于這種方法要求供應(yīng)商和用戶必須應(yīng)付額外的硬件,增加了復(fù)雜性,同時(shí)也增加了產(chǎn)品定購(gòu)和用戶安裝方面的支持成本诬留。

銅介質(zhì)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

雖然1000BASE-T千兆以太網(wǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但10BASE-T和100BASE-TX銅介質(zhì)PHY仍是網(wǎng)絡(luò)硬件中最主流的兩種網(wǎng)絡(luò)接口。因此,千兆銅介質(zhì)PHY廠商開(kāi)發(fā)的芯片必須能夠支持三種銅線速度:10BASE-T贫母、100BASE-TX和1000BASE-T文兑。(見(jiàn)圖1)幸運(yùn)的是,IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)第28款定義的PHY到PHY鏈路自動(dòng)協(xié)商和并行檢測(cè)機(jī)制的使用已經(jīng)十分普及。自動(dòng)協(xié)商實(shí)際上就是主動(dòng)的介質(zhì)接口選擇,即兩個(gè)銅介質(zhì)的以太網(wǎng)PHY彼此通過(guò)線纜進(jìn)行通信,并確定兩個(gè)PHY間的最高速度及雙工設(shè)置腺劣。當(dāng)自動(dòng)協(xié)商失敗時(shí),符合第28款定義的PHY就會(huì)啟用并行檢測(cè)機(jī)制以嘗試鏈接沒(méi)有自動(dòng)協(xié)商功能的傳統(tǒng)10BASE-T或100BASE-TX PHY绿贞。

以太網(wǎng)光纖網(wǎng)絡(luò)

除了銅介質(zhì)外,另一種媒質(zhì)是光纖。與銅介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)不同的是,光纖以太網(wǎng)絡(luò)在自協(xié)商或檢測(cè)和響應(yīng)不同的光纖鏈路帶寬速度方面還沒(méi)有已定義好的規(guī)范橘原。雖然IEEE802.3第37款定義了1000BASE-X的自動(dòng)協(xié)商功能,但這僅用于1000BASE-X的雙工發(fā)現(xiàn)和遠(yuǎn)程故障指示籍铁。自動(dòng)協(xié)商也沒(méi)有包含100BASE-FX的內(nèi)容。因此,設(shè)備供應(yīng)商通常將每個(gè)小型可插拔(SFP)端口固定為一種光纖速度,如僅為1000BASE-X或僅為100BASE-FX趾断。這意味著單個(gè)SFP插槽不能處理不同類型SFP拒名。當(dāng)需要支持多種光纖速度時(shí),通常是將不同的基于光纖的子模塊換插到底座的專用開(kāi)放式槽道來(lái)實(shí)現(xiàn)各種光纖速度模式吩愧。最近,開(kāi)發(fā)出了一個(gè)光纖介質(zhì)PHY可以同時(shí)支持1000BASE-X和100BASE-FX的系統(tǒng),但供應(yīng)商必須通過(guò)定制的MAC ASIC以硬件方式實(shí)現(xiàn),用戶必須人工改換軟件配置參數(shù)以使系統(tǒng)識(shí)別出光纖SFP在1000BASE-X和100BASE-FX之間的轉(zhuǎn)換。

圖1:10/100/1000BASE-T銅介質(zhì)PHY增显。

支持銅介質(zhì)的SFP端口

隨著1000BASE-X光纖產(chǎn)量的提高,一些供應(yīng)商開(kāi)始提供只支持SFP插槽(沒(méi)有銅介質(zhì)RJ45接口)的底座系統(tǒng)慎瓮。但這些供應(yīng)商及其用戶一直在尋求能夠在這些底座盒上提供銅介質(zhì)端口,而無(wú)需在PCB板上專門安裝整個(gè)銅介質(zhì)PHY和RJ45插孔。隨著時(shí)間的推移,10/100/1000BASE-T銅介質(zhì)SFP被成功開(kāi)發(fā)了出來(lái)伊丘。這些銅介質(zhì)SFP(也被稱為三速銅介質(zhì)SFP)可以插入原本僅為光纖設(shè)備設(shè)計(jì)的新型多端口底座,從而只需插入一個(gè)或多個(gè)這些SFP模塊就可支持10/100/1000BASE-T銅介質(zhì)的接入捧法。雖然這不是最具性價(jià)比的方法,因?yàn)樗筚?gòu)買這種SFP,并且減少了可用于光纖的SFP端口,但它確實(shí)有市場(chǎng)需求,像數(shù)據(jù)服務(wù)器或LAN交換機(jī)等銅介質(zhì)系統(tǒng)用這種方法就可以接入這種底座盒。

雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY

過(guò)去幾年,銅和光纖數(shù)據(jù)分組系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始趨于融合异瞭。另外,具有24-48個(gè)銅端口和2-4個(gè)光纖上行端口的系統(tǒng)在當(dāng)前的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)市場(chǎng)上發(fā)展得非常迅速裹五。為了適應(yīng)這一市場(chǎng)趨勢(shì),業(yè)界開(kāi)發(fā)出了雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY,以同時(shí)支持10/100/1000BASE-T銅介質(zhì)和1000BASE-X光纖(見(jiàn)圖2)。由于無(wú)需板上分立的1000BASE-X PHY,這種雙介質(zhì)PHY有助于減少芯片數(shù)量和材料成本睛宝。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,如果芯片廠商提供的銅介質(zhì)PHY和雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY具有管腳到管腳和軟件寄存器的兼容性,那么設(shè)備供應(yīng)商就可以使用相同的PCB和軟件,從而允許他們能輕松開(kāi)發(fā)出兩種庫(kù)存單位(SKU)來(lái)完善他們的產(chǎn)品捅县。第一個(gè)SKU只支持10/100/1000BASE-T,第二個(gè)SKU具有雙介質(zhì)PHY和組裝的SFP插槽以支持1000BASE-X光纖連接。雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY通常能夠自動(dòng)檢測(cè)連接的介質(zhì)類型,然后自動(dòng)在銅和光纖接口之間進(jìn)行切換昼薯。然而,第一代雙介質(zhì)PHY也存在一些缺點(diǎn)网访。

圖2:第一代雙介質(zhì)PHY。

第一代雙介質(zhì)PHY的局限性

首先,雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY只能支持一個(gè)活動(dòng)的介質(zhì)連接接口,要么是銅端口,要么是光纖端口彪珠。這就要求開(kāi)發(fā)新的LED方案和方法,因?yàn)楫?dāng)銅線和光纖被同時(shí)插入同一雙介質(zhì)PHY端口時(shí),系統(tǒng)必須能指示哪個(gè)端口是活動(dòng)的质法。例如,一些第一代雙介質(zhì)PHY提供完全可編程的LED,從而允許電路板設(shè)計(jì)師在系統(tǒng)的機(jī)箱面板上提供最佳的介質(zhì)指示方案。這些PHY還可以包含寄存器狀態(tài)位或中斷引腳以指示雙介質(zhì)PHY從一個(gè)介質(zhì)接口切換到另一個(gè)接口浸船。

與IEEE802.3第28款中定義的10BASE-T妄迁、100BASE-TX和1000BASE-T銅介質(zhì)端口中的自動(dòng)協(xié)商不同,沒(méi)有通用規(guī)范為10/100/1000BASE-T銅介質(zhì)和1000BASE-X光纖介質(zhì)之間的連接提供選擇。因此每個(gè)以太網(wǎng)PHY廠商必須建立檢測(cè)機(jī)制,以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)介質(zhì)選擇功能,同時(shí)保持與現(xiàn)已部署的傳統(tǒng)以太網(wǎng)產(chǎn)品的互操作性李命。這種檢測(cè)機(jī)制必須連續(xù)監(jiān)視光纖和銅介質(zhì)接口,即使其中一個(gè)接口已經(jīng)被激活登淘。它必須能夠檢測(cè)來(lái)自光纖接口的能量,同時(shí)也能查看經(jīng)由雙絞線插入到活動(dòng)的銅鏈路對(duì)端的脈沖。只要有一種狀態(tài)被檢測(cè)到,自動(dòng)介質(zhì)選擇功能就能將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到正確的介質(zhì)接口上,并允許它開(kāi)始與線纜另一端的鏈接封字。

在介質(zhì)端口選好后,如果鏈路斷開(kāi)就必須啟動(dòng)相同的檢測(cè)功能,然后將系統(tǒng)返回到雙介質(zhì)檢測(cè)模式黔州。在銅和光纖同時(shí)插入的情況下,應(yīng)該有一個(gè)輔助決策以確定哪個(gè)介質(zhì)可獲得鏈接優(yōu)先權(quán)。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)兩種介質(zhì)同時(shí)插入時(shí)光纖是優(yōu)先的阔籽。大多數(shù)這種雙介質(zhì)PHY允許用戶通過(guò)軟件寄存器控制以強(qiáng)制選擇介質(zhì)接口類型流妻。

在SFP互操作性方面,第一代雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY的最大限制是沒(méi)有100BASE-FX光纖和10/100/1000BASE-T銅介質(zhì)SFP的連接支持。這就不可避免產(chǎn)生新的問(wèn)題,即那些用第一代雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY做設(shè)計(jì)的設(shè)備供應(yīng)商要么阻止其不支持的插入到現(xiàn)有SFP插槽的介質(zhì)速度,要么額外制造可換插的底座子卡以支持100BASE-FX和10/100/1000BASE-T銅介質(zhì)SFP模式笆制。解決這種特殊限制的最佳方法是讓以太網(wǎng)PHY能夠支持所有這些通用介質(zhì)接口模式,包括:10BASE-T绅这、100BASE-TX、100BASE-FX在辆、1000BASE-T证薇、1000BASE-X和三速銅介質(zhì)SFP。

第二代雙介質(zhì)PHY及其優(yōu)點(diǎn)

為了便于描述,圖3給出了第二代雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY的內(nèi)部框圖匆篓。

圖3:具有六個(gè)以太網(wǎng)接口的Vitesse VSC8658雙介質(zhì)以太網(wǎng)PHY猬肖。

第二代雙介質(zhì)PHY能夠支持以太網(wǎng)拓?fù)渲械牧N通用以太網(wǎng)接口,克服了前述第一代雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY的限制余窖。這種PHY允許設(shè)備供應(yīng)商給每個(gè)雙介質(zhì)端口配備單個(gè)RJ45銅插孔和一個(gè)SFP插槽,BOM上的器件數(shù)量與使用第一代雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY時(shí)一樣多。這樣的集成避免使用不同的底座模塊,并允許設(shè)備供應(yīng)商在原本僅支持1000BASE-X SFP的光纖SFP插槽可以支持100BASE-FX函以、1000BASE-X和三速銅介質(zhì)模塊罐葫。

一些千兆以太網(wǎng)芯片廠商采用額外措施以降低客戶的系統(tǒng)物料(BOM)成本,他們?cè)诖?并串轉(zhuǎn)換器(SerDes)MAC和光纖介質(zhì)接口上集成了銅介質(zhì)側(cè)電阻和交流耦合電容。

如果第一代和第二代雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY也是管腳和寄存器兼容的,供應(yīng)商就可以通過(guò)采用相同的系統(tǒng)硬件和供應(yīng)不同的軟件封裝來(lái)啟動(dòng)或取消雙介質(zhì)模式等功能,甚至取消對(duì)100BASE-FX和銅SFP的支持,來(lái)提供額外的SKU编撵。在支持1000BASE-X和銅介質(zhì)SFP的基礎(chǔ)上,為支持雙介質(zhì)千兆以太網(wǎng)PHY的系統(tǒng)添加100BASE-FX支持而進(jìn)行的軟件修改是很少的。

接口檢測(cè)和連接

像第一代雙介質(zhì)PHY一樣,第二代雙介質(zhì)PHY也必須能夠通過(guò)軟件寄存器映射功能和/或信號(hào)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同接口模式間的切換晒茁。它可以利用第一代PHY所用的方案,但它必須具備其他方法來(lái)區(qū)分1000BASE-X易仍、100BASE-FX以及銅介質(zhì)SFP〗萼遥總之,必須有一種方法用來(lái)檢測(cè)到底是何種類型的SFP模塊被插到SFP端口∶嗫現(xiàn)有兩種方法可以達(dá)到這一目的。

一種方法是分析被加在SFP插槽的波形的頻率鳍彪。然而,這種檢測(cè)方法有局限性,因?yàn)?00BASE-FX SFP的工作頻率比1000BASE-X SFP的低,但銅介質(zhì)SFP卻和1000BASE-X SFP工作在相同的頻率和電壓水平璃璧。當(dāng)檢測(cè)到該波形頻率時(shí),可以通過(guò)分析字節(jié)數(shù)據(jù)流來(lái)判斷到底是1000Mbps、100Mbps還是10Mbps刊愚。

另外一種檢測(cè)何種SFP模塊被插入SFP插槽的方法是在SFP模塊插入時(shí)監(jiān)視SFP的串行管理接口踊跟。這樣,通過(guò)讀取SFP的標(biāo)識(shí)符,管理系統(tǒng)可以將PHY設(shè)置成正確的接口種類以匹配SFP。如果沒(méi)有執(zhí)行SFP檢測(cè),將導(dǎo)致PHY和SFP之間的速率失配,LED指示也將失效鸥诽。第二代雙介質(zhì)PHY必須滿足所有這些要求,以便向設(shè)備供應(yīng)商提供足夠的靈活性,并將它在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)商玫。

即使市場(chǎng)已對(duì)新興以太網(wǎng)介質(zhì)接口的有需求,但芯片廠商和設(shè)備供應(yīng)商必須在支持新的接口標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)考慮支持傳統(tǒng)的設(shè)備。因此,使用第二代雙介質(zhì)以太網(wǎng)PHY這樣的器件是實(shí)現(xiàn)靈活性的同時(shí)仍能降低系統(tǒng)BOM成本的最好方法牡借。

作者:Jason Rock

高級(jí)應(yīng)用工程師

Vitesse半導(dǎo)體公司

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