ATCA学习指南.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流ATCA学习指南.精品文档.ATCA学习指南目 录第一部分 基础知识3第一章 模块化通信平台（MCP）3第二章 ATCA52.1 ATCA介绍52.2 ATCA技术亮点62.3 AMC11第三章 面向PCI Express架构的高级交换14第四章 电信级操作系统15第五章 服务可用性论坛中间件接口15第六章 高速互连串行总线16第七章 散热技术21第二部分 结构25第一章 Fabric接口26第二章 机箱29第三章 背板30第三部分 电源35第四部分 散热36第五部分 系统管理42第六部分 系统互连44第七部分 传输协议47第一章 高级交换互

2、连(ASI)47第二章 快速结构49第一部分 基础知识第一章 模块化通信平台（MCP）模块化通信平台拥有无可比拟的优势，MCP支持电信设备制造商（TEM）选择一流的商业化（COTS）产品，并把它们集成到平台解决方案之中。这一方法可缩短总体开发时间。电信设备制造商（TEM）可以将其资源投入到那些能让服务提供商脱颖而出并获得最大价值的领域，从而支持其以较低的成本构建网络基础设施推出新型服务。提供这些优势需要一个真正的标准化全行业解决方案架构，它应：1) 拥有从网络设备提供商到解决方案厂商的广泛行业支持；2) 提供具有出色互操作性和再利用性的模块化商业解决方案；3) 其设计完全以满足电信行业的需求为

3、立足点；4) 为硬件平台、互连、底板交换结构、平台管理、电信级操作系统和高可用性中间件带来开放工业标准的优势。图1 模块化通信平台的开放标准MCP模式基于主要的开放性全行业标准方案： 高级电信计算体系结构（AdvancedTCA）是一项开放的行业规范，设计用于满足下一代电信级通信设备的要求。AdvancedTCA代表了PICMG历史上最大型的规范方案。 PICMG针对ATCA所做的扩展工作包括高级夹层卡（AMC）标准。AMC显著提高了标准AdvancedTCA载板上夹层卡的密度。 基于PCI Express架构的高级交换（AS）是一项多点对等层交换互连技术，它通过封装所有通信协议可实现专有底板

4、结构的标准化，并同时提供出色的服务质量（QoS）和高可用性特性。高级交换（AS）得到了主要交换结构厂商的支持，是一项高级交换互连SIG（ASI-SIG）方案。 电信级Linux是一种基于2.4 Linux内核的开放源代码操作系统，所具备的增强特性可支持高可用性与可靠性的电信级要求。它由开放源代码开发实验室（OSDL）的电信级Linux工作组提供支持。 服务可用性论坛中间件接口支持推出基于标准商业化硬件平台、高可用性中间件和服务应用的电信级系统。服务可用性论坛是一个由领先通信与计算公司组成的联盟，致力于制定和推广开放标准接口规范。MCP为电信设备制造商（TEM）带来的一个主要优势就是跨多种网元与

5、应用的标准模块组件再利用。例如，电信设备制造商（TEM）可以将无线接入网的所有网员放置于由标准机箱、线卡和交换结构刀片构建的一款平台上。这种灵活的模块化架构可为整个价值链带来巨大优势。 电信设备制造商（TEM）可以采用MCP来充分获取批量生产的成本优势，并通过可跨多种网元使用的灵活构建模块来节省成本。Yankee集团在其侧重AdvancedTCA刀片的价值定位研究中表示，通过购买ATCA分组处理刀片，一家专门从事电信级解决方案的电信设备制造商（TEM）可以获得以下优势：1) 节省高达85%的硬件工程设计劳动力成本；2) 节省高达40%的产品开发总成本；3) 3至5个月即可推出硬件升级的快速上市

6、优势；4) 3至9个月即可开发出全新刀片式模块化通信平台的快速上市优势；5) 12至18个月即可开发出全新电信级边缘系统的快速上市优势；6) 更简单的成本结构；7) 产品设计的高度灵活性；8) 可预测的产品开发周期；9) 完善的开发工具套件。第二章 ATCA2.1 ATCA介绍ATCA也叫AdvancedTCA，是Advanced Telecom Computing Architecture的缩写。AdvancedTCA在核心标准中定义机械结构、散热管理、电源分配和系统管理。通过更大的新外形、显著提高的散热层（thermal envelope）和更高的性能，它将MCP概念推向了一个全新的高度。

7、ATCA标准的核心思想之一就是利用高速互联网络(Gbit网)替代系统级总线，ATCA的管理模块(CMM)和交换模块（Network switch）通过高速网络对各刀片进行管理和冗余备份。AdvancedTCA支持电信商和运营商所需要的交换结构架构： PICMG 3.1 AdvancedTCA以太网/光纤通道 PICMG 3.2 AdvancedTCA InfiniBand PICMG 3.3 AdvancedTCA StarFabric PICMG 3.4 AdvancedTCA PCI Express PICMG 3.5 AdvancedTCA RapidIO图2 可重新配置的Advance

8、dTCA构建模块可用于设计多种网元提高平台集成度是下一代网络的主要要求。AdvancedTCA支持多种背板配置，基本接口采用双星BASE-T千兆位以太网，可选交换接口采用全网格、星状和双星结构拓扑，每节点速度高达20Gbps。19英寸机箱中多达14个插槽以及ETSI 600毫米机箱中多达16个插槽。可重复使用构建模块的提供，包括刀片和夹层卡，使设计人员能够在各种不同外形和配置中实施可重新配置的标准支架。无论是哪个厂商提供的平台，各网元都可以使用同一机箱外形。此外，每个网元中的刀片还可以在其它网元中执行相同的功能。例如，无线节点控制器（RNC）中的控制和信令机架与GPRS服务支持节点（SGSN）

9、所使用的硬件相同。升级AdvancedTCA刀片最为有效的一种方法就是充分利用标准夹层模块。这些模块包括处理器夹层卡（PMC）或高级夹层卡（AMC）。AdvancedTCA PMC和AMC模块（许多厂商均提供）通过支持电信设备制造商（TEM）充分利用商业化（COTS）计算与I/O引擎和外包T1/E1协议引擎，帮助其显著缩短了上市时间。AdvancedTCA刀片的大外形为实现最高性能的处理器提供了充足的架构扩展空间。MicroTCA可被视为ATCA和AMC的重新包装的通讯应用架构。它为所有小尺寸、低功耗、价格敏感的应用带来了福音，并全面支持AMC标准板卡。MicroTCA将在内部通过高速备板连接

10、一定数量的AMC。它支持所有AMC规格包括半高-单宽、半高-双宽、全高-单宽、全高-双宽。MicroTCA将提供的备板拓扑包括星型、双星型和网状。同时将稳定性从5个9提高到6个9。总带宽将支持1G到50Gbit/s的范围。更为优越的特性是它具有与AdvancedTCA的双星拓扑完全兼容的能力。2.2 ATCA技术亮点2.2.1 背板灵活性背板拓扑决定着刀片在背板内部的连接方式。AdvancedTCA可提供更多交换接口（fabric interface）选择，支持各种不同网元与AdvancedTCA的灵活集成。AdvancedTCA还支持到背板的基本接口（Base interface）和交换接口

11、（Fabric interface），提供了出色的灵活性。这使TEM能够采用工业标准接口提供更高的每端口带宽，从而使其设计满足新用户需求并符合新的使用要求。 AdvancedTCA支持多种不同的拓扑： 星状拓扑（star topology）可带来简单、经济高效的设计。 在电信基础设施中，网格拓扑（mesh topology）可提供最高带宽、路由灵活性和可靠性。 双星状拓扑（dual-star topology），内含两组星状接口，用于提供系统冗余、或处理不同类型流量或工作负载。 两组双星拓扑可在一个机箱中容纳4个交换机，并在主板间提高更高带宽。2.2.2 结构灵活性随着无线和有线服务需求不断增

12、长，电信行业逐渐意识到应该避免专有或半开放刀片式框架成为发展障碍，因为它们严重限制了选择范围。AdvancedTCA支持多种结构和接口，可为下一代网元提供出色的可扩充性和扩展空间。数据流量接口为设计人员提供了广泛的特定应用选择，包括支持PCI Express架构的高级交换（AS）。多点对等交换接口技术通过封装任意通信协议，实现了专有背板结构的标准化，并且扩展了服务质量（QoS）和高可用性等特性。AdvancedTCA支持工业标准全双工接口，其中包括： 使用XAUI的10G以太网； 使用1000BASE-BX的4x 1Gbps端口； 使用1000BASE-BX的2x 1Gbps端口和2x 2Gb

13、ps光纤通道； 4x PCI Express/高级交换； 4x InfiniBand架构； 2x光纤通道。此外，AdvancedTCA还可在工业标准智能平台管理接口（IPMI）的基础上提供机箱级管理，这可使用智能平台管理总线（IPMB）在辐射拓扑或总线拓扑内实施。更新端口互连可提供包含10个差分对（differential pairs）的专用接口。该渠道可提供刀片间通信，支持故障切换和集群等应用。这种其它架构所不具备的能力，进一步扩展了AdvancedTCA可以支持的应用范围。 主板间带宽是所有平台的核心：带宽越高，系统的性能越好。Advanced TCA可在刀片间提供极高的带宽。 每端口1

14、Gbps的基础接口带宽可为未来的控制面板应用提供充足的扩展空间； AdvancedTCA支持广泛的配置选择，包括支持每端口2Gbps、4Gbps、8Gbps和10Gbps有效负荷的系统，以满足下一代接口的带宽要求。表3 AdvancedTCA技术优势概览2.2.3 最大限度提高平台密度由于密度决定着单位空间内可提供的冗余能力，因此它是核心网元中的关键因素。密度除了受散热、电源和冷却等因素的影响之外，还取决于每个机箱的刀片数量及每格的机箱数量。AdvancedTCA每个全尺寸机箱容纳14个刀片和2个交换机，外形相对较大，可提供更出色的散热能力，并支持大量插卡。同时因消除了可能阻塞气流的线缆，可实

15、现前后部顺畅的输入/输出（如图4所示）。8U高达型刀片外形支持高性能硬件模块和高I/O密度，PICMG 3.09规范还为设计人员定义了后部转换模块（RTM）支持后部I/O布线。-48V DC和120/240V AC供电，支持中央办公室和网络数据中心应用。当今多数厂商都已提供全新10U机箱，并在平台密度上实现了里程碑式的发展。该配置在标准19英寸机箱中带有两个交换机的双星背板配置中可容纳24枚处理器，标准19英寸机架每格带可安装多达4个机箱。根据每刀片200瓦或更低功率的AdvancedTCA规范规定，这种高密度配置支持每个机架容纳多达96枚处理器。即使应用不要求使用机箱/架，10U解决方案所提

16、供的额外机架空间仍可以实现一个、两个或三个机箱的高密度，同时也会在框架中为外部存储或布线等其它必要操作留出充足的空间。10U架构的灵活性是许多服务提供商所渴望的，也是许多应用的要求。图4 AdvancedTCA的前后部I/O能力排除了布线障碍，可实现更卓越的上下气流畅通性2.2.4 出色的可扩充性TEM可轻松在机箱中添加刀片，以支持更多流量和新服务。同时AdvancedTCA的多协议灵活性还使其能够应用于多个网络。例如，经过初步部署的网元可以满足现有小尺寸、低成本的4插槽AdvancedTCA支架的要求。为了支持更多用户，可将机箱升级到14插槽或16插槽，并可重复使用在原4插槽系统中采用的同一

17、AdvancedTCA刀片和支架管理模块。2.2.5 夹层AdvancedTCA刀片专为在工业标准夹层基础上采用全新处理器、内存、I/O和管理处理器模块以进行轻松升级而设计。外形包括PCI夹层卡（PMC）和新兴高级夹层卡（AMC）模块。AMC的优势包括IPMI可管理性命令支持，比PMC更大的散热能力，以及热插拔能力。AdvancedTCA载板支持带有4个PMC插槽和8个AMC热插拨插槽的两种夹层。2.2.6 可管理性具备系统模块自我发现功能的工业标准智能平台管理接口（IPMI）提供了AdvancedTCA管理基础。通过ShMC（机框管理控制器），系统管理子系统可以对机箱内的单板、电源、风扇、温

18、度传感器等现场置换单元（Field Replaceable Units，FRUs）进行智能调节和管理，而管理子系统的实体承载采用双IPMB总线，可以确保一条总线失效的情况下系统管理的仍可以稳定进行。AdvancedTCA增加专门针对电信应用的时钟总线（Clock Bus）、更新总线（Update Bus）和测试总线（Test bus）。专门的时钟总线可以满足电信级应用对时钟的需求；更新总线可以为高可靠的冗余背板（HA redundant Board）提供物理同步时钟；测试总线则可以为注入DLSLAM之类的特殊需求提供电信测试总线。开放标准针对互操作性进行了详细定义，即支持多家厂商提供的机箱和鼓

19、风机、计算刀片、交换机和管理解决方案进行无缝互操作。这些解决方案不仅基于标准，而且还通过了AdvancedTCA互操作性研讨会（AIW）每年两次的全面互操作性测试。 AdvancedTCA规范通过增添冗余、故障切换、以及AdvancedTCA机箱管理模块间的主要管理信息同步等能力，已得到了进一步加强，足以支持电信应用。2.2.7 可靠性AdvancedTCA规范支持完全冗余吞吐率（电源、背板、管理和刀片），确保无单点故障；抗震；热插拔刀片，易于维护；高流量垂直冷却可确保高性能硬件的运行温度适宜，从而最大限度延长组建使用寿命。确保实现最短的平均故障恢复时间（MTTR）和最长的平均故障间隔时间（M

20、TBF）。一些专有架构要求背板使用有源组件，这可能会导致高昂的现场维修费用。在AdvancedTCA架构中，背板上没有有源组件。此外，所有组件均具备现场热插拨能力，而且该架构还在各层提供了冗余功能。 为了支持电源管理，AdvancedTCA规范要求详尽描述将以标准格式存储到热插拨支架现场更换单元（FRU）设备中的机箱输入功率、电压馈电和其它变量，以降低由于背板故障而导致数据丢失的可能性。AdvancedTCA规范支持冗余支架FRU，从而使一台设备出现故障不会影响到整个机箱。2.2.8 可维护性AdvancedTCA的设计旨在支持在前部对所有重要组件进行维护，包括风扇、交换结构模块、管理模块和F

21、RU等。多数ATCA机箱厂商在认识到这一普遍的行业实践后，都相继实施了前部可维护的风扇设备。AdvancedTCA机箱设计有模块化、冗余/热插拨风扇托架，可消除机箱中风扇发生单点故障的可能性。 AdvancedTCA提供了两种机制来帮助防止刀片、主板和其它机箱级组件被意外插入错误的插槽或与其各自的接口相偏离。第一种保护机制被称为电子键控（E-keying）。电子键控可以将存储在机箱数据模块（CDM）支架FRU设备中的机箱配置数据，与来自主板IPMI控制器的数据进行比较。当主板被插入支架后，其IPMI控制器开始加电，对主板进行识别并确定是否需要对主板加电。此外，AdvancedTCA还指定了四种

22、机械定位针（alignment pins），以确保主板插入一致，以防出现针位置偏移。2.2.9 中间件灵活性管理中间件提供了多种服务，以帮助监视和管理系统组件，进而最大限度地提高服务可用性。AdvancedTCA支持多个工业标准接口，包括SA论坛硬件平台接口（HPI），该接口可与多种不同COTS中间件解决方案相集成。TEM可在其高可用性中间件上使用HPI，以缩短硬件修改和升级的开发与测试时间。2.2.10 TDM支持虽然向IP网络的移植正在如火如荼地展开，但是还有大量现有的电信基础设施设备依然采用时分双工（TDM）机箱间同步时钟控制，因此需要采用下一代通信架构来满足这一要求。 Advanced

23、TCA能够灵活地支持传统网元和下一代网元。ATCA规范全面支持TDM同步时钟，因此厂商可以采用模块化方式来实施它们。AdvancedTCA要求所有具有冗余功能的背板必须支持三种同步时钟信号对，但厂商在使用时可以自由选择。2.3 AMCAMC模块采用交换结构，像PCI Express、串行RapidIO和其他产品一样支持数据传输，以太网则作为控制总线。AMC模块的另一个主要优点是热插拔性能。在系统运行期间，这些AMC模块可以被从载板（机前侧）上插入或者拔出。载板本身是具有热插拔特性的，在更换AMC时，它可以保持插入状态。从尺寸上来说，最小规格的系统（73.4 x 173 mm）最多容纳8个AMC

24、模块。AMC另一主要的优势是可以应用更多功能强大的部件，这是因为AMC规范允许更高的功耗。规格单宽或双宽 全高；单宽或双宽 半高尺寸73.4mm181.5mm(173可用)，板后高度最高2.6mm连接器屏蔽的不同部件（20个双接口）内部连接1千兆以太网，光纤通道，PCI-Express，IBX，XAUI，10千兆以太网带宽1至 N10 Gbits/s管理IPMI热插拔有电源25W（单宽，半高）；50W（单宽，全高）；60W（双宽，全高）2.3.1 系统管理ATCA系统支持与热插拔相关的多种结构协议。这意味着，热插拔过程需要被密切监控。举例来说，假定ATCA系统用来支持PCI Express结构

25、，一个基于RapidIO的AMC模块插在载卡上。此时，其对功率的要求可能超过载卡功耗分配（200W）而导致系统崩溃。这是有害的，无论如何需要阻止其发生。因此，我们需要保持系统最大的灵活性。基于这个原因，ATCA-AMC系统结构包括一个基于智能平台管理接口（IPMI）的完全自主管理基本架构。这意味着，对AMC模块和载卡的执行，使用一个管理结构使配置数据的内部交换变得非常简单。这个载卡，借助架构管理器，首先需要检验的是AMC卡在系统中是否可被接受。也就是说，载卡需要获得如下的信息：功耗分配、要求的通讯协议和其它参数。下图是ATCA系统管理基本架构的图示。图5 ATCA系统管理基本架构以下是在插入过

26、程中所涉及到的AMC热插拔主要步骤：1) 载卡通过一个输入信号检测到一个AMC模块将要被插入。此时，模块的功能还不清楚，因此只有模块管理控制器是加电的（确保#信号）。2) 模块激活位于前面板上的蓝色LED，并读取已经分配的地址。之后，MMC给载卡IPMI控制器（IPMC）发送一个IPMI信息，表明热插拔已经发生。3) 热插拔交换一旦被激活，模块就发送一条信息给载卡，信息是模块热插拔处理关闭。4) 反过来，载卡向模块发送信息设置模块LED状态命令，蓝色模块LED开始闪亮。操作员被告知插入的模块可能被系统配置。5) 载卡等待从架构管理控制器上获得指令，是否实施配置。6) 载卡接到配置模块的指令后，

27、征询模块有关其功耗需求和其它参数（E-Keying）。这条信息被局部存储器（FRU）上MMC读取，并被发送到载卡IPMC上。从载卡IPMC上被发送到架构管理器上。7) 只有架构管理器已经确认并批准模块的功耗要求之后，载卡才能够继续配置。如果功耗要求不在载卡系统功耗预算之内，架构管理器拒绝此模块，配置过程终止。8) 载卡IPMC翻译模块的E-Keying数据并对模块和载卡的传输协议是否兼容进行核实。这确保PCI Express和PCI Express相配，而不是和串行快速IO或任何其它协议相配。9) 当已经建立模块与载卡的兼容，IPMC发送一条信息到MMC，信息名称为设置模块LED状态命令。之后

28、，模块关闭模块LED，载卡将有效载荷功耗应用于此模块。模块就已经集成到系统并能执行其功能。2.3.2 功耗与制冷和PMC相比，AMC规范允许更高功耗分配。尽管如此，人们必须非常小心的配置处理器AMC，因为新的处理器、芯片、内存甚至是板载电源会快速消耗电源功率。制冷很快就会成为问题。ATCA系统的热管理和AMC模块是最为重要的。SBS采取可焊接存储策略，而不是采用插入式存储模块。插入式存储模块需要一个连接器，连接器放置在气流通道的中间，给空气流通造成了障碍。这导致气流碰撞并产生空气垫。连接器后面的部件得不到很好地冷却。另一方面，可焊接的部件对震荡和振动是不敏感的，模块的MTBF较高。Telum

29、ASLP10就具有很高的可靠性。第三章 面向PCI Express架构的高级交换高级交换是一项新兴的技术，可实现刀片到刀片（blade-to-blade）通信的标准化。它是一种多点、对等交换互连技术，能够支持任何协议、多种数据传输机制，利用拥塞管理提供可扩展服务质量（QoS），并可提供电信级高可用性特性。高级交换是唯一基于标准的光纤技术，支持基于数据包和单元的流量传输，包括PCI Express、以太网、IP、光纤通道、ATM、SONET/SDH、TDM等。通过众多光纤技术选择，如高级交换、万兆以太网、InfiniBand架构、PCI Express架构和StarFabric等，ATCA平台能

30、够为大量应用提供带宽可扩展性支持。由于高级交换采用了与PCI Express架构相同的物理和数据链路层，因此它能够充分利用强大的PCI Express开发商社区的优势，并获得领先交换光纤厂商的支持。高级交换的优势包括： 支持采用标准和用户定义协议接口的多协议封装，使设计人员能够简化设备设计并避免成本高昂的协议转换。 支持来自大型PCI Express价值链的重新利用和规模经济效应。 无需协议或电气修改便可提供多条带有多种链路尺寸的可扩展串行通道。 支持增强型服务质量（QoS）机制从简到繁扩展，包括拥塞管理、外出安排（egress scheduling）、多个虚拟通道和多个流量类别。 通过完全冗

31、余、故障识别与隔离、安全性和基于硬件的可靠传输来提供电信级高可用性。 部署多种本地数据传输能力，包括通过加载/存储或队列移动模式的基于套接字（sockets）的通信。第四章 电信级操作系统电信级要求极为强大可靠的操作系统，来提供电信级网络设备所需的高级管理能力。随着网络融合的深入，真正的多媒体电信服务不久将会变为现实。这将带动对更多容量和优化架构的需求，以便使这些服务能够带来持久的利润。模块化通信平台提供了多种电信级操作系统选择，它们在提供开放软件环境优势的同时，满足了这些严格的要求。对于选择Linux的开发商而言，电信级Linux（CGL）无疑是AdvancedTCA平台的首选操作系统。CG

32、L的优势在于，它是由众多从事AdvancedTCA开发与规范制定的同类公司和开发商开发而成，从而确保了紧密集成与支持。这十分重要，因为调整和“强化”电信级操作系统需要对平台的规范和要求有一个深入的了解。为满足运营商的要求，电信级Linux支持多个技术领域： 高性能和高可扩展性，操作系统平台可支持数百万用户；典型处理：每节点每秒可进行几百到几千次处理； 可靠性，防止任何单点故障的硬件装置；至少需要达到5个“9” 高可用性，支持在线-待机/在线-在线集群；冗余网络和存储； 在线更新和升级，最大限度缩短停机时间的升级机制；第五章 服务可用性论坛中间件接口现在的用户希望在他们需要时能够不间断地提供新服

33、务。为满足这一需求，通信设备需要在满足上市时间和成本限制的同时，集成最高水平的可用性和可靠性。服务可用性论坛的成员均为业内领先的通信和计算公司，他们致力于共同开发和推广高可用性及管理软件接口规范，从而支持使用商业化（COTS）硬件平台、中间件和服务应用提供具有高可用性的电信级系统。服务可用性论坛促进并帮助业界采用这些规范。基于开放标准的服务可用性高可用性中间件API为创建开放编程环境而设计，该环境可用来简化升级和提供增强的厂商互操作性。为实现这些目标，服务可用性论坛向电信行业推出了标准的API规范。使用管理中间件的目的在于为监视与管理平台组件提供服务，以期达到100%的服务可用性目标。反过来，

34、这还需要一个能提供最大范围管理中间件产品选择的强大开发商群体，为开发商提供匹配可管理性与特定系统服务需求的自由性。服务可用性中间件得到了AdvancedTCA的有效补充，AdvancedTCA能支持多种标准机箱管理接口，包括CLI、SNMP、HTTP、RPC、HPI和RMCP（局域网上的IPMI），并能轻松地集成不同厂商的商业化（COTS）中间件解决方案。这种高水平的接口标准化和灵活性可避免TEM从头开发应用，而且也无需将应用移植到每个新硬件平台。第六章 高速互连串行总线在板到板连接中，两块板是通过一个背板连接的。在这种情况下，高速串行连接在三个分段上路由。第一分段是在称为入口板的源上，第二分

35、段是在背板上，第三分段是在目的地或出口板上。连接入口板和出口板到背板的两个背板连接器，是这个多分段走线的一部分。板与板互连的典型走线长度在20-40英寸之间，在每个入口和出口板上有5-6英寸的走线，背板走线有10-28英寸。XAUI是最流行的背板串行接口标准，而PCI Express、SPI-5和串行RapidIO是面向芯片到与芯片及板到板应用的三种前景看好的高速串行接口。 在机架到机架连接中，在几米和几公里之间的两个或两个以上机架通过光纤或铜轴线缆系在一起。以太网和Infiniband是针对机架到机架连接的最流行标准。6.1 SERDESSERDES是英文SERializer(串行器)/DE

36、Serializer(解串器)的简称。它是一种时分多路复用(TDM)、点对点的通信技术，即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体(光缆或铜线)，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数目，从而大大降低通信成本。SERDES技术最早应用于广域网(WAN)通信。国际上存在两种广域网标准：一种是SONET，主要通行于北美；另一种是SDH，主要通行于欧洲。这两种广域网标准制订了不同层次的传输速率。目前万兆(OC-192)广域网已在欧美开始实行，中国大陆已升级到2.5千兆(OC-48)水平。SE

37、RDES技术支持的广域网构成了国际互联网络的骨干网。SERDES技术同样应用于局域网(LAN)通信。因为SERDES技术主要用来实现ISO模型的物理层，SERDES通常被称之为物理层(PHY)器件。以太网是世界上最流行的局域网，其数据传输速率不断演变。IEEE在2002年通过的万兆以太网标准，把局域网传输速率提高到了广域网的水平，并特意制订了提供局域网和广域网无缝联接的串行WAN PHY。与此同时，SERDES技术也广泛应用于不断升级的存储区域网(SAN)，例如光纤信道。基于SERDES的高速串行接口采用以下措施突破了传统并行I/O接口的数据传输瓶颈：一是采用差分信号传输代替单端信号传输，从而

38、增强了抗噪声、抗干扰能力；二是采用时钟和数据恢复技术代替同时传输数据和时钟，从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题。图6 SERDES收发机一个典型SERDES收发机由发送通道和接收通道组成(见图6)：编码器、串行器、发送器以及时钟产生电路组成发送通道；解码器、解串器、接收器以及时钟恢复电路组成接收通道。顾名思义，编码器和解码器完成编码和解码功能，其中8B/10B、64B/66B和不规则编码(scrambling)是最常用的编码方案。串行器和解串器负责从并行到串行和从串行到并行的转换。串行器需要时钟产生电路，时钟发生电路通常由锁相环(PLL)来实现。解串器需要时钟和数据恢复电路(CDR)

39、，时钟恢复电路通常也由锁相环来实现，但有多种实现形式如相位插植、过剩抽样等。发送器和接收器完成差分信号的发送和接收，其中LVDS和CML是最常用的两种差分信号标准。另外还有一些辅助电路也是必不可少的，例如环路(loopback)测试、内置误码率测试等等。通信标准制订了严格的性能指标以确保系统的可靠性和互用性。SERDES芯片的主要性能指标包括抖动产生、抖动容忍、抖动转移以及系统误码率(BER)等。抖动产生取决于时钟发生电路特别是压控振荡器(VCO)的相位噪声；抖动容忍取决于时钟恢复电路容忍抖动的能力，而抖动转移是在用作中继器时必须满足的指标，同时取决于时钟发生和时钟恢复电路的性能。系统误码率(

40、通常要求低于10-12)由时钟抖动性能、发送器信号幅度、接收器灵敏度以及链路信道特性共同决定。对于普通FR4印刷电路板而言，趋肤效应和介质损耗导致的码间(intersymbol)干扰是限制背板传输速率和距离的最主要因素。因此，信号均衡甚至自适应均衡技术正在成为SERDES芯片的核心技术。信号均衡技术可以在发送端实现，称之为预加重(pre-emphasis)，也可以在接收端实现，例如判决反馈均衡。目前采用先进的均衡技术可以实现40英寸(1米)距离的10G背板传输。SERDES芯片的设计需要模拟和数字两方面即混合信号的设计经验。例如锁相环的设计，其中压控振荡器属于模拟电路，而检相器和分频器属于数字

41、电路。SERDES芯片普遍采用低成本、低功耗的CMOS工艺，但CMOS工艺往往达不到高速混合信号的速度要求。因此设计人员必须采用特殊的高频宽带电路设计技术，例如螺旋电感可以用来提高电路速度和带宽。另外，模拟和数字电路共存于同一硅片上，容易产生电源同步噪声(SSN)和地反弹以及信号串扰。因此保持信号的完整性是混合信号设计人员面临的一项挑战。与此同时，芯片封装和印刷电路板的设计与仿真也是SERDES设计不可或缺的一环。当前SERDES设计逐渐IP(知识产权)化，即SERDES收发器作为商业化IP模块而嵌入到需要高速I/O接口的大规模集成电路中。SERDES技术的应用从光纤通信发展到计算机通用I/O

42、接口，其传输媒体也由光纤发展到铜线或背板。InfiniBand是一种采用电缆或背板作为传输媒体的高速串行接口，主要用于数据中心服务器和存储设备之间的通信。RapidIO是一种面向嵌入式系统的总线结构，有并行和串行两种规范，主要用于嵌入系统的处理器总线，局部I/O总线及背板。光互联论坛(OIF)制订了多种光纤通信芯片之间的接口标准，其中公共电气接口(CEI)把背板通信速率提高到6G和11G的水平。作为计算机接口技术从并行向串行的标志性转变，PCI Express将会取代PCI和PCI-X而成为外围设备(网络、存储和视频)的通用高速接口标准。在此转变过程中，提供向下兼容的 “桥接器件”会率先推向市

43、场，随后是完全基于PCI Express的外围设备板卡。与此同时，PCI Express的应用也向通信领域拓展，基于PCI Express架构的“先进交换”就是面向通信而提出的。6.2 高速、高密度夹层连接器6.2.1 背板连接器市场上目前已有的高速背板连接器如ERmet ZD连接器，其设计主要解决信号带宽、信号损失及电缆处理等方面的挑战。电信、数据通信市场的蓬勃发展是高速连接器，尤其是背板、板对板和I/O产品走向高速的推动因素。为了满足高速应用的需求，需要对接地、端子栅极及屏蔽的时候进行特别设计，其中最大的挑战是接地系统。高频接地可以通过连接器的接地板和信号端子的特殊放置定位来控制。而与高速

44、、高密度连接器同样流行的是微小型连接器，尤其是在消费及通信类应用中。在新的数字系统中，数据转换及传输的速率往往都在几个千兆比特。因此电路设计师必须把连接器作为整个传输线的一部分考虑进去，包括阻抗、传播延迟、时滞和串扰等因素。背板则是互连系统众多组分的核心。提升系统传输速度到千兆比特的解决方案就是夹层连接器和电缆背板互连。因此，设计工程师在初始设计阶段就必须考虑到背板和夹层连接器。在高速系统中，单端信号被差分信号取代，意味着信号通过一对专用线路的电压差来表达。因此，每个差分信号需要两条不同的电线，但是噪音隔离性能（防串扰和EMI）更好，并且工作电压更低。为了更好地控制阻抗、降低串扰并提高差分信号

45、间的耦合作用，高速连接器都演变成完全屏蔽而且像对称电缆那样运行。差分信号对必须同时达到传输目的地，因此传导线的长度设计必须尽可能减少信号对长度的差异和信号时滞。镀通孔的电容式信号噪音产生及反射的一个主要来源，所以表面贴或通孔回流的端接方式能提供更好的信号完整性。ERmet ZD連接器有以下構型：4對型(每片極板上4對信號)共40對差分信號，3對型(每片極板上3對信號)共30對差分信號及2對型(每片極板上2對信號)共20對差分信號。按照IEC 61076-101標準，ERmet ZD的尺寸可與2mm HM ERmet配搭。舉例說，他們的長度都是25mm。取決於模組的寬度，有可能將ERmet ZD

46、 2對型和ERmet A、B、AB和C型組合成3HP寬的模組，或是將ERmet ZD 4對型和ERmet D、E、DE和F型組合成5 HP寬的模組應用在PCB上，而不損失任何空間。ZD 3對型則可以使用4 HP寬的模組。如此眾多的構型，使得不同的用戶可以各取所需。其中4對型被ATCA選用。母連接器上堅實的預定位導向彌補了公差並確保可靠的插入。L型遮罩片則給信號端子提供了額外的保護，眾多的優化設計及高效率的遮罩，使得ERmet ZD系統對串音和反射有極強的免疫能力。6.2.2 夹层连接器新型夹层连接器的设计要求首先就是高速、高密度，以达到10Gbps的速度。其次要能够同时传输单端和差分信号，因此

47、对夹层连接器的端子要特别设计。为了节省电路板空间，超薄的设计及紧凑的线路图也必不可少。MicroSpeed是一款满足夹层板应用带宽增加的新型高密度平行板间连接器。模块化设计的MicroSPeed连接器系统由两排信号针组成，并有两片外布的屏蔽片。此连接器提供5毫米间距的板对板连接，能节省电路板空间。其应用领域包括现代电信、数据传输系统以及测量、医疗等行业。此外，表面贴端接方式可以实现全自动的装配和回流焊接。MicroSpeed连接器的纵向间距是1.0毫米，横向间距则为1.5毫米（出于阻抗考虑）。差分信号对可以水平排布或竖直排布。在竖直排布时，信号对的竖直构型（从纵向到横向）、信号和屏蔽端子对达到

48、最佳串扰性能。测量结果显示在100ps的上升时间。串扰小于2%-反射率小于5%（板厚1.6毫米）-眼图非常理想（FR4板材，100毫米长传输线）。不仅如此，MicroSpeed连接器达到了100%的共面性（公差+/-0.05毫米）。ERNI端子系统的杰出公差使得在一块板上排布多个夹层连接器成为可能，且不会带来插把或端子的问题。差分信号的阻抗是100欧姆，单端信号则为50欧姆。尽管信号端接方式采用了表面贴，接地端的端接用户则可以选择使用表面贴或是通孔回流。接地端子也提供了应力消除。连接器模块的长度是27毫米包括50个信号端子和两块屏蔽板。当模块相连接时几乎不浪费任何空间。这样的设计可以在6步上下加入更多针数。ERNI的MicroStac供电源连接器是很好组合。MicroSpeed公母连接器均采用卷轴包装（500个/卷）用于全自动装配，其他一些设计上的特征包括可快速识别的黑色LCP绝缘体、预装配取放垫等。同时也为高速连接设计工程师准备了SPIC