实现灵活的以太网物理芯片

新兴以太网接口标准已经建立。芯片厂商和设备供应商如今必须设法在最新一代产品中支持这些接口标准,同时还要支持传统的设备。本文将介绍第二代双介质以太网物理芯片(PHY)如何满足这种灵活性要求,同时还能保持系统BOM成本持续降低。

系统中的以太网PHY主要用于提供局域网和广域网之间的数据分组传输的物理连接。IEEE802.3标准定义了多种用于传送分组数据的以太网接口,但最常用的仍是通过5E类双绞铜线以及单模或双模光纤传输的接口。市场上最流行的以太网接口是10BAST-T铜介质接口,其常见用于PC机、LAN交换机、服务器以及家庭宽带设备,如同轴线缆调制解调器和DSL调制解调器。

随着分组数据网络的发展,业界又推出了几种新兴接口以满足不断增长的带宽需求。在现有网络中,100BASE-TX铜介质的使用仅次于10BASE-T,其可传输的最大分组数据流量是10BASE-T的10倍。在跨距超过铜线所能达到的情况,还可以使用100BASE-FX光纤。2000年以后,由于铜介质的1000BASE-T PHY和光纤介质的1000BASE-X PHY的采用,以太网PHY芯片厂商成功进入千兆以太网的领域。尽管如此,现有的分组数据系统只支持10BASE-T、100BASE-TX和/或100BASE-FX接口,并仍在今天的以太网中广泛使用。

设备供应商面临的挑战

制造分组数据处理设备的供应商必须争取设备能连接到各种新型的以太网介质接口,同时还要保持与10BASE-T、100BASE-TX和100BASE-FX传统产品的连通性。为了向终端用户提供足够的灵活性,供应商提出了利用现有以太网PHY技术的创新方法,比如一些设计系统的设备供应商可能会在一个底座中同时提供10/100/1000BASE-T铜介质PHY和1000BASE-X光纤介质PHY,而有些供应商则生产模块化的底座系统以允许终端用户购买各种与底座系统兼容的子模块,然后根据不同网络接口类型进行更换和配置。可是,由于这种方法要求供应商和用户必须应付额外的硬件,增加了复杂性,同时也增加了产品定购和用户安装方面的支持成本。

铜介质以太网网络

虽然1000BASE-T千兆以太网应用越来越广泛,但10BASE-T和100BASE-TX铜介质PHY仍是网络硬件中最主流的两种网络接口。因此,千兆铜介质PHY厂商开发的芯片必须能够支持三种铜线速度:10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T。(见图1)幸运的是,IEEE802.3标准第28款定义的PHY到PHY链路自动协商和并行检测机制的使用已经十分普及。自动协商实际上就是主动的介质接口选择,即两个铜介质的以太网PHY彼此通过线缆进行通信,并确定两个PHY间的最高速度及双工设置。当自动协商失败时,符合第28款定义的PHY就会启用并行检测机制以尝试链接没有自动协商功能的传统10BASE-T或100BASE-TX PHY。

以太网光纤网络

除了铜介质外,另一种媒质是光纤。与铜介质网络不同的是,光纤以太网络在自协商或检测和响应不同的光纤链路带宽速度方面还没有已定义好的规范。虽然IEEE802.3第37款定义了1000BASE-X的自动协商功能,但这仅用于1000BASE-X的双工发现和远程故障指示。自动协商也没有包含100BASE-FX的内容。因此,设备供应商通常将每个小型可插拔(SFP)端口固定为一种光纤速度,如仅为1000BASE-X或仅为100BASE-FX。这意味着单个SFP插槽不能处理不同类型SFP。当需要支持多种光纤速度时,通常是将不同的基于光纤的子模块换插到底座的专用开放式槽道来实现各种光纤速度模式。最近,开发出了一个光纤介质PHY可以同时支持1000BASE-X和100BASE-FX的系统,但供应商必须通过定制的MAC ASIC以硬件方式实现,用户必须人工改换软件配置参数以使系统识别出光纤SFP在1000BASE-X和100BASE-FX之间的转换。

图1:10/100/1000BASE-T铜介质PHY。

支持铜介质的SFP端口

随着1000BASE-X光纤产量的提高,一些供应商开始提供只支持SFP插槽(没有铜介质RJ45接口)的底座系统。但这些供应商及其用户一直在寻求能够在这些底座盒上提供铜介质端口,而无需在PCB板上专门安装整个铜介质PHY和RJ45插孔。随着时间的推移,10/100/1000BASE-T铜介质SFP被成功开发了出来。这些铜介质SFP(也被称为三速铜介质SFP)可以插入原本仅为光纤设备设计的新型多端口底座,从而只需插入一个或多个这些SFP模块就可支持10/100/1000BASE-T铜介质的接入。虽然这不是最具性价比的方法,因为它要求购买这种SFP,并且减少了可用于光纤的SFP端口,但它确实有市场需求,像数据服务器或LAN交换机等铜介质系统用这种方法就可以接入这种底座盒。

双介质千兆以太网PHY

过去几年,铜和光纤数据分组系统已经开始趋于融合。另外,具有24-48个铜端口和2-4个光纤上行端口的系统在当前的数据网络系统市场上发展得非常迅速。为了适应这一市场趋势,业界开发出了双介质千兆以太网PHY,以同时支持10/100/1000BASE-T铜介质和1000BASE-X光纤(见图2)。由于无需板上分立的1000BASE-X PHY,这种双介质PHY有助于减少芯片数量和材料成本。另外一个优点是,如果芯片厂商提供的铜介质PHY和双介质千兆以太网PHY具有管脚到管脚和软件寄存器的兼容性,那么设备供应商就可以使用相同的PCB和软件,从而允许他们能轻松开发出两种库存单位(SKU)来完善他们的产品。第一个SKU只支持10/100/1000BASE-T,第二个SKU具有双介质PHY和组装的SFP插槽以支持1000BASE-X光纤连接。双介质千兆以太网PHY通常能够自动检测连接的介质类型,然后自动在铜和光纤接口之间进行切换。然而,第一代双介质PHY也存在一些缺点。

图2:第一代双介质PHY。

第一代双介质PHY的局限性

首先,双介质千兆以太网PHY只能支持一个活动的介质连接接口,要么是铜端口,要么是光纤端口。这就要求开发新的LED方案和方法,因为当铜线和光纤被同时插入同一双介质PHY端口时,系统必须能指示哪个端口是活动的。例如,一些第一代双介质PHY提供完全可编程的LED,从而允许电路板设计师在系统的机箱面板上提供最佳的介质指示方案。这些PHY还可以包含寄存器状态位或中断引脚以指示双介质PHY从一个介质接口切换到另一个接口。

与IEEE802.3第28款中定义的10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T铜介质端口中的自动协商不同,没有通用规范为10/100/1000BASE-T铜介质和1000BASE-X光纤介质之间的连接提供选择。因此每个以太网PHY厂商必须建立检测机制,以便实现自动介质选择功能,同时保持与现已部署的传统以太网产品的互操作性。这种检测机制必须连续监视光纤和铜介质接口,即使其中一个接口已经被激活。它必须能够检测来自光纤接口的能量,同时也能查看经由双绞线插入到活动的铜链路对端的脉冲。只要有一种状态被检测到,自动介质选择功能就能将控制权转移到正确的介质接口上,并允许它开始与线缆另一端的链接。

在介质端口选好后,如果链路断开就必须启动相同的检测功能,然后将系统返回到双介质检测模式。在铜和光纤同时插入的情况下,应该有一个辅助决策以确定哪个介质可获得链接优先权。一般来说,当两种介质同时插入时光纤是优先的。大多数这种双介质PHY允许用户通过软件寄存器控制以强制选择介质接口类型。

在SFP互操作性方面,第一代双介质千兆以太网PHY的最大限制是没有100BASE-FX光纤和10/100/1000BASE-T铜介质SFP的连接支持。这就不可避免产生新的问题,即那些用第一代双介质千兆以太网PHY做设计的设备供应商要么阻止其不支持的插入到现有SFP插槽的介质速度,要么额外制造可换插的底座子卡以支持100BASE-FX和10/100/1000BASE-T铜介质SFP模式。解决这种特殊限制的最佳方法是让以太网PHY能够支持所有这些通用介质接口模式,包括:10BASE-T、100BASE-TX、100BASE-FX、1000BASE-T、1000BASE-X和三速铜介质SFP。

第二代双介质PHY及其优点

为了便于描述,图3给出了第二代双介质千兆以太网PHY的内部框图。

图3:具有六个以太网接口的Vitesse VSC8658双介质以太网PHY。

第二代双介质PHY能够支持以太网拓扑中的六种通用以太网接口,克服了前述第一代双介质千兆以太网PHY的限制。这种PHY允许设备供应商给每个双介质端口配备单个RJ45铜插孔和一个SFP插槽,BOM上的器件数量与使用第一代双介质千兆以太网PHY时一样多。这样的集成避免使用不同的底座模块,并允许设备供应商在原本仅支持1000BASE-X SFP的光纤SFP插槽可以支持100BASE-FX、1000BASE-X和三速铜介质模块。

一些千兆以太网芯片厂商采用额外措施以降低客户的系统物料(BOM)成本,他们在串并/并串转换器(SerDes)MAC和光纤介质接口上集成了铜介质侧电阻和交流耦合电容。

如果第一代和第二代双介质千兆以太网PHY也是管脚和寄存器兼容的,供应商就可以通过采用相同的系统硬件和供应不同的软件封装来启动或取消双介质模式等功能,甚至取消对100BASE-FX和铜SFP的支持,来提供额外的SKU。在支持1000BASE-X和铜介质SFP的基础上,为支持双介质千兆以太网PHY的系统添加100BASE-FX支持而进行的软件修改是很少的。

接口检测和连接

像第一代双介质PHY一样,第二代双介质PHY也必须能够通过软件寄存器映射功能和/或信号检测来实现系统在不同接口模式间的切换。它可以利用第一代PHY所用的方案,但它必须具备其他方法来区分1000BASE-X、100BASE-FX以及铜介质SFP。总之,必须有一种方法用来检测到底是何种类型的SFP模块被插到SFP端口。现有两种方法可以达到这一目的。

一种方法是分析被加在SFP插槽的波形的频率。然而,这种检测方法有局限性,因为100BASE-FX SFP的工作频率比1000BASE-X SFP的低,但铜介质SFP却和1000BASE-X SFP工作在相同的频率和电压水平。当检测到该波形频率时,可以通过分析字节数据流来判断到底是1000Mbps、100Mbps还是10Mbps。

另外一种检测何种SFP模块被插入SFP插槽的方法是在SFP模块插入时监视SFP的串行管理接口。这样,通过读取SFP的标识符,管理系统可以将PHY设置成正确的接口种类以匹配SFP。如果没有执行SFP检测,将导致PHY和SFP之间的速率失配,LED指示也将失效。第二代双介质PHY必须满足所有这些要求,以便向设备供应商提供足够的灵活性,并将它在系统中实现。

即使市场已对新兴以太网介质接口的有需求,但芯片厂商和设备供应商必须在支持新的接口标准的同时考虑支持传统的设备。因此,使用第二代双介质以太网PHY这样的器件是实现灵活性的同时仍能降低系统BOM成本的最好方法。

作者:Jason Rock

高级应用工程师

Vitesse半导体公司

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