（光学工程专业论文）计算机机群系统高速光互连路由结点及网络设计.pdf

摘要 摘要 光互连技术是以光的波粒二相性的各种现象实现信号传输和数据交换的理 论。光互连具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰( e m i ) 等特性，使其在高速专用数 据链路中耿得了广泛应用。光互连技术是实现高效互连网络的一个有效方法。 本文利用高性能数字交叉开关设计了8 8 光互连路由结点，吞吐量为 1 0 g b i t s ，通信延迟仅为2 3 5n s 。利用该节点组建星形高速光互连网络以及二级 光互连网络，采用电路级联技术对结点进行扩展，网络吞吐量可达1 5 t b i t s 。 本文完成的工作： i 将光互连技术应用于机群系统，结合时分复用技术，采用星型拓扑结构设 计了高速光互连网络。 i i 利用高性能数字交叉开关设计了高速路由结点。完成了路由结点原理设计 以及功能模块划分。根据设计原理完成了原理图及p c b 的制作。 i i i 完成路由结点逻辑控制模块f p g a 的内部逻辑功能设计，利用f p g a 实 现了数字交叉开关的逻辑控制。 完成了设计中采用主要器件和路由结点p c b 的测试工作。设计制作了器件 的测试扳，利用信号发生器和高频示波器并完成了测试板的调试工作，验 证了设计原理的可行性。在此基础上完成了路由结点p c b 的调试工作。 v在星型光互连网络基础上，采用混合型网络拓扑结构设计了二级光互连网 络。根据目前大规模数据交换需要，利用电路级联技术对网络进行了扩展， 分析了扩展后的网络性能。 工作中的创新点： 1 利用高性能数字交叉开关设计了路由结点，结合光互连技术设计了高速光互 连网络，实现了数据的高带宽、低延迟传输。 2 将f p g a 高度灵活的逻辑控制功能应用于路由结点的配置控制中，通过路由 表完成路由结点的动态配置。 3 设计了星型和环形结构相结合二级光互连网络。利用电路级联技术，对二级 光互连网络进行了扩展，可实现大规模数据交换。 关键词：机群系统；光互连；电磁干扰m i ) ： 时分复用；路由结点：通信 延迟；电路级联 垒! 墅型 a b s t r a c t o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u ei sak i n do ft h e o r yu s i n gp h o t o nw a v e p a r t i c l e d u a l i t yp h e n o m e n o nt oa c h i e v et h es i g n a lt r a n s m i s s i o na n dd a t ae x c h a n g e b yv i r t u e o f i t sh i 曲b a n d w i d t h ，l o wl o s sa n de l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e l e n c e ( e m i ) r e s i s t a n c e ，i t h a sb e e nw i d e l ya d o p t e di nh i 曲一p e r f o r m a n c es p e c i a ld a t al i n ka n dh a st h ep o t e n t i a l o f b e c o m i n ga n a t t r a c t i v ea l t e m a t i v et oe l e c t r i c a l i n t e r c o r m e c t i o n o p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u ei sah i 曲l ye f f i c i e n tm e t h o dt oa c h i e v eh i g h p e r f o r m a n c e i n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r k 。 i nt h i sp a p e r , a8 8r o u t i n gn o d eh a sb e e nd e s i g n e du s i n ga h i g h p e r f o r m a n c e d i g i t a lc r o s s - p o i n ts w i t c hw i t ht h et h r o u g h p u to f1 0 g b i t s t h ec o m m u n i c a t i o n l a t e n c yi so n l y2 3 5n s h i g h - s p e e do p t i c a li n t e r c o n n e c t i o ns t a rn e t w o r kc a l l _ b eb u i l t u pu s i n gt h i sn o d e a n dt h en o d ec a r l b ee x t e n d e du s i n gt h ec i r c u i t sc a s c a d i n g t e c h n o l o g y , w h i c hc a nr e a l i z e1 5 tb i f f sn e t w o r kt h r o u g h p u t t h e m a j o ra c h i e v e m e n t si nt h i st h e s i s ： iw i t ho p t i c a li n t e r c o r m e c t i o n t e c h n i q u ea n dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d m ) a p p l i e di nc l u s t e r s ，ah i g h - p e r f o r m a n c eo p t i c a li n t e r c o r m e c t i o ns t a rn e t w o r kh a s b e e nd e s i g n e d i iah i g hs p e e dr o u t i n gn o d eh a sb e e nd e s i g n e de m p l o y i n gah i g h p e r f o r m a n c e d i g i t a lc r o s s p o i n ts w i t c h a r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h er o u t i n gn o d ea n dd i v i s i o no f t h ef u n c t i o nm o d u l e sh a v eb e e na c c o m p l i s h e d m e a n w h i l e ，s c h e m a t i cc i r c u i t d i a g r a ma n dp r i n t e dc i r c u i tb o a r dd e s i g nh a v eb e e nc o m p l e t e d i i iw i t ht h ei n t e r n a l l o g i cd e s i g no ff i e l dp r o g r a r r m a a b l eg a t ea r r a y s ( f p g a ) a c c o m p l i s h e d ，t h el o g i ca r b i t r a t i o nm o d u l ep e r f o r m st h el o g i cc o n t r o l l i n gf u n c t i o n o f t h ed i g i t a la c r o s sp o i n ts w i t c h w i t l lt h es i g n a lg e n e r a t o ra n dt h eh i 曲一f r e q u e n c yo s c i l l o s c o p e ，t h em a j o ra d o p t e d c h i p sa n dp c bc i r c u i t sh a v eb e e nt e s t e d b a s e do nt h o s ef e a s i b i l i t ya n ds t a b i l i t y t e s t s ，t h ep c bc i r c u i t r yh a sb e e nd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y vb a s e do nt h es t a rt o p o l o g yn e t w o r k , at w o l a y e rs t a r - r i n gc o m b i n e dn e t w o r kh a s b e e nd e s i g n e d t om e e tt h en e e do fl a r g es c a l ed a t as w i t c h i n g ，c i r c u i t sc a s c a d i n g t e c h n i q u ei su s e dt oe x p a n dt h et w o l a y e ro p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r k a tl a s t , p e r f o r m a n c eo ft h et w o l a y e rn e t w o r k i sa n a l y z e d i i a b s t r a c t t h em a j o ri n n o v a t i o n so ft h i st h e s i sa r e ： 1 ar o u t i n gn o d eh a sb e e nd e s i g n e dw i t hah i 曲一p e r f o r m a n c ed i 西a lc r o s s - p o i n t s w i t c h c o n s e q u e n t l y , ah i g hb a n d w i d t ha n dl o wl a t e n c yo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n n e t w o r kh a sb e e nr e a l i z e dw i t ht h eo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u e 2 t h ef l e x i b i l i 谚o ff p g al o g i cc o n t r o li sa d o p t e dt oa c h i e v et h ed y n a m i c c o n f i g u r a t i o no f t h er o u t i n gn o d e 3 b a s e do nc i r c u i t sc a s c a d i n gt e c h n i q u e ，t h et w o l a y e rn e t w o r kc a nb ee x p a n d e dt o m e e tt h er e q u i r e m e n t so fl a r g e - s c a l ed a t ac o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：c o m p u t e r c l u s t e r s ；o p t i c a li n t e r c o r m e c t i o n ；e l e c t r o 。m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( e m l ) ；t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d m ) ；r o u t i n gn o d e ；c o m m u n i c a t i o n l a t e n c y ；c i r c u i t sc a s c a d i n g u i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳乙f ( l 民签字日期：触。万年，月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孔r 民 导师签名： 靖殳为 签字日期：a 即5 年f 月2 日 签字日期：艘y 年月力日 第一章绪论 1 1 本论文的研究目的 第一章绪论 本文研究的目的是利用高性能数字交叉开关，采用时分复用技术设计能用 于高速光互连网络的路由结点；结合课题组已经完成的具有路由功能的网络接 口卡组建高带宽、低延迟的光互连网络。利用现场可编程逻辑门器件( f p g a ) 完成光互连网络中的逻辑控制功能。采用混合拓扑结构设计了二级光互连网络 根据大规模数据交换的需要，利用电路级联技术对网络进行扩展。 1 2 光互连技术概述 1 2 1 光互连与电互连 1 电互连 从第一个晶体管诞生至今，在计算机发展的几十年间，电互连一直占据着 统治地位。电互连是通过电子在导体或半导体中的传导作用来实现信号传递的， 电子信息处理系统的硬件基本单位是电互连构成的逻辑门，具有成本低、连接 简单等优点，在互连密度和传输带宽要求不太高的场合得到了广泛的应用。但 是，由于电子在传导过程中永远存在着r l c 分布参数，从而使电互连存在着严 重的串话、时钟歪斜、瓶颈阻塞、功耗急剧增加和封装尺寸庞大等缺点而无法 满足实际应用快速发展的要求 1 ，2 】： 带宽受限：每一段传导电信号的传输电介质都存在着分布的r l c 参数。 从等效电路的观点来看，这段传输导线相当于一个低通滤波器。当含高 频的信号通过时将发生信号严重失真。从而限制了实际有效通信带宽。 时钟歪斜：在一个电子系统中，信号都以“0 ”和“1 ”的数字形式流动。 若没有一个公共的时钟就不能使整个系统建立时间基准。然而系统时钟 从时钟源到各个相互协作的功能模块之间很难做到等距传输。即使路径 做到相等，阻抗也不一定相等。这个问题在高速信息处理系统的板级时 钟分布传输时尤其严重，时钟漂移超过某一个限制时，系统就不能正常 工作。 串话严重：传输介质在传输信号时，与邻近的电传输介质存在着电磁效 应现象。也就是说，它既是邻近电传输介质的“发射天线”，也是邻近电 传输介质的“接收天线”。他们相互串扰使噪声功率增大，系统信噪比急 第一章绪论 剧下降，从而将导致系统不能正常工作。 功耗高：功耗是集成电路芯片的一个重要参数。信号传输过程的能量耗 散主要由两部分构成：一部分是电传输介质上的能量耗散，它随着器件 间距离长短而变。另一部分是互连线两端口上阻抗的能量耗散。当互连 线路在l o m m 左右时，耗散能量可达5 0 0 p j 。在高频信号情况下，电互 连路由上所耗能会急剧增加，其辐射能量正比于频率的四次方。当用电 集成电路芯片来实现互连时，芯片内数目众多的互连线将占据芯片大部 分面积，芯片复杂度极高，功耗已成为一大难题【3 】。图1 1 为在插件之 间用电信号连接时电信号的衰减与反射的情况。 介 阻抗5 0 n 的带状线同轴电缆 图1 1 在插件之间用电信号连接时电信号的衰减与反射 1 1 0 能力受限：集成电路芯片i o 能力受限是指i o 端口数目受限。这里 有三个方面的原因：第一是功耗。驱动每个i 0 端口工作在一定的速度， 必定耗费比较大的功率，因此i 0 端口数目不能多，i o 端口的速率也不 能太高( 根本原因是带宽) 。第二是引线的互连模式，大多数集成电路芯 片的互连引线是在环绕芯片周长的二维平面上，因此它的互连引脚数目 受限。第三是集成电路芯片互连的物理实现工艺的限制。 对于电互连存在的这些缺陷，光互连将是解决这些问题的一个有效途径 4 。 2 光互连 自1 9 7 0 年光纤的损耗特性和半导体激光器性能取得突破性进展后，光子技 术已在电信和数据通信业务中取得了广泛应用。特别是随着处理器技术的飞速 发展，c p u 的工作频率越来越高，处理器之间的互连网络要求达到1g b y t e s s 的 带宽，传统的电互连技术遇到了前所未有的挑战。光互连( o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ) 第一章绪论 技术是以光子取代电子作为信息载体来实现功能单元之间的信息交换。它把以 超大规模集成电路v l s i 为代表的先进电子技术与光通信技术相结合，以消除电 子系统信息传输中遇到的诸如传输延迟、线路之间的串音、连线与安装上的空 间限制以及消耗功率极大等问题，旨在实现一种高速、大容量( 高速度，高密度) 柔性信息传输 5 】。1 9 8 4 年国际著名光学专家g w g o o d m a n 便提出了用光互连 网络来解决计算机中的通信“瓶颈”问题的思想【6 ，光互连技术在国际上受到 广泛的重视，逐步取得广泛的应用，如骨干网、光纤接入网、光纤局域网等。 近几年来，美国建立了多项有关光互连的研究计划，如：p o i n t 7 】、i i t n e y 8 、 o e t c 9 、p o l o 1 0 、o p t o b u s 等，有力地推动了光互连技术的发展。与电互 连相比，光互连具有高带宽、光波独立传输无串扰、互连密度高、传输距离长 等优点： 超高时空带宽积：光除了空分复用、时分复用、码分复用外，还用独特 的波分复用( w d m ) 方式。在不增加太多硬件投资的情况下，波分复 用可使系统容量以波长数目n 的倍数增加。 极低延迟：几百公里长光纤通道的延迟时间一般在m s 数量级，波导和 自由空间光的延迟几乎可以忽略。 通道等程：光传播不存在电传导中的电阻问题，只要等程，即可解决时 钟歪斜问题。实际上，许多光互连系统都处在透镜的物平面与像平面的 对应阵列之间，光学成像系统保证了这种等程性。 图1 - 2 光互连和电互连功耗比较 无干扰：光的传播遵循独立传播原理，上亿光束在传播过程中无论怎样 相交也不会相互干扰。 第一章绪论 低能耗：用光互连直接互连芯片表面能减少芯片上的耗散功率。光传递 信息的机理是量子阻抗变换，这种变换的光功耗极低，而且不随信号传 输速率的增加而增加。图1 2 为光互连和电互连功耗的比较。 i 0 能力强：光i 0 端口不仅速率高，而且可以制成很多端口。这是因 为，一方面光的时问带宽高，可实现大规模的面阵互连。另一方面光的 空间带宽高，传播时相互无串扰，又不受外部电磁波的辐射干扰，故可 实现高密度、大规模的互连。 此外，光互连在时滞( s k e w ) 、可重构、可光电隔离、电磁兼容e m c 1 1 1 等方面有电互连不可比拟的优越性。 1 2 2 光互连技术分类及实现方案 1 实现光互连的物理依据及其基本结构 光学信息通道的信息流量大。光子物理本性不具有静质量，可以在真空中 或介质中传播，并且很容易通过真空和介质的界面，无论是在光波导中还是自 由空间中，光信号都以该介质中的光速传播而与接受信号的元件数无关，传输 信息的速度高。即使考虑电一光、光一电转换及信道的限制，目前技术也可提 供几个g h z 的带宽而且光在传播过程中能量损耗很小，对计算机而言，损耗可 忽略不计。 光学固有的并行性。光子不像电子那样带有电荷，电子之间通过电磁场而 相互作用，导致电子信号容易相互干扰或受外界影响，当频率很高时更严重。 光子之间很难相互作用，光波可相互穿越，只要交叉角大于1 0 。左右，就不会 有明显的交叉耦合。光互连不受平面或准平面的限制，而且不仅可以芯片间进 行i 0 连接，还可以在芯片内进行i 0 连接。限制光互连密度主要有两个因素： 对自由空间而言是可分辨的光点尺寸，对波导而言是所要求的波导尺寸。 光互连的扇出数高。考虑电一光和光一电转换效率、传输长度、频带等因 素，可知光互连的扇出数比电互连大许多倍。并行处理的巨型机，即使有限的 扇出能力，也可以显著提高计算机的性能，即使广播是以较低的数据传输速率 进行，性能也会有很大改进。光互连的扇出数主要受到可以用于探测器的功率 限制。 光互连易实现重构。光互连并不一定需要实际的“硬”连接，可以把互连 图形信息写入到可重构的光互连部件，从而实现动态互连。 图1 3 表示了光互连的基本结构。为了使误码率降低，一般将输入电信号变 第一章绪论 低能耗：用光互连直接互连芯片表面能减少芯片上的耗散功率。光传递 信息的机理是量子阻抗变换，这种变换的光功耗极低，而且不随信号传 输速率的增加而增加。图1 2 为光互连和电互连功耗的比较。 i o 能力强：光i o 端口不仅速率高，而且可以制成很多端口。这是因 为，一方面光的时间带宽高，可实现大规模的面阵互连。爿一方面光的 空阳j 带宽高，传播时相互无串扰，又不受外部电磁波的辐射干扰，故可 实现高密度、大规模的互连。 此外，光互连在时滞( s k e w ) 、可重构、可光电隔离、电磁兼窖e m c 1 1 1 等方面有电互连不可比拟的优越性。 1 2 2 光互连技术分类及实现方案 1 实现光互连的物理依据及其基本结构 光学信息通道的信息流量大。光子物理本性不具有静质量，可以在真空中 或介质中传播，并且很容易通过真空和介质的界面，无论是在光波导中还是自 由空问中，光信号都以该介质中的光速传播而与接受信号的元件数无关，传输 信息的速度高。即使考虑电一光、光一电转换及信道的限制，目前技术也可提 供儿个o i - i z 的带宽而且光在传播过程中能量损耗很小，对计算机而言，损耗可 忽略不计。 光学固有的并行性。光子不像电子那样带有电荷，电子之间通过电磁场而 相互作用，导致电子信号容易相互干扰或受外界影响，当频率很高时更严重。 光子之间很难相互作用，光波可相互穿越，只要交叉角大于1 0 。左右，就不会 有明显的交叉耦合。光互连不受平面或准平面的限制，而且不仅可以芯片间进 行u o 连接，还可以在芯片内进行i o 连接。限制光互连密度主要有两个因素： 对自由空间而言是可分辨的光点尺寸，对波导而言是所要求的波导尺寸。 光互连的扇出数高。考虑电一光和光一电转换效率、传输长度、频带等囚 素，可知光互连的扇出数比电互连大许多倍。并行处理的巨型机，即使有限的 扇出能力，也可以显著提高计算机的性能，即使广播是以较低的数据传输速率 进行，性能也会有很大改进。光互连的扇出数主要受到可以用于探测器的功率 限制。 光互连易实现重构。光互连并不一定需要实际的“硬”连接，可以把互连 图形信息写入到可重构的光互连部件，从而实现动态互连。 图1 - 3 表示了光互连的基本结构。为了使误码率降低，一般将输入电信号变 图1 3 表示了光互连的基本结构。为了使误码率降低，一般将输入电信号变 第一章绪论 换成特殊的符号或者用多路器( m u x ) 提高速率，输入到激光驱动器。在光信号 的速率低时( 立p ) j 罗 讳辩 ) 嘤霉1 2 光互连的分类 二二二二 二二二二 多模光纤 单模光纤 光波导 自由空间光束 一 _ _ _ (7 - 审 (z - 宰 侈放 识 (_ z - 窜 侈器 别 线 一 路 (z 寥 一 f_7 c o l 或者a , c g 时 删_ 6 8 6 j 竽( d b k i n ) ( 3 1 2 ) 卢= 竽( 舭) ( 3 1 3 ) n 描述的是信号沿着线路传输一个单位长度时，电压幅度衰退减小的幅度。 b 代表的是信号沿着线路传输一个单位长度时，相角滞后的程度。 | = | = f - t - 故 z c = j 焉= 藤= i z 。l e j 吼 1 z 。1 = ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) d ：1 c o l g - o ) c r a r c t a n 眈2 r g + ( 0 2 l c ( 3 - 1 6 ) l z d 和伊。的数值均随频率的增高而下降。 无损耗传输线是一种理想的传输线，此时r = 0 和g = 0 时，( 3 - 5 ) 和( 3 6 ) 式为 ，( s ) = s , z - d ( 3 1 7 ) 厅 z c ( 沪、昙2 r c ( 3 - 1 8 ) 实际上，这种传输线是不存在的。但是传输线的电参数具有r c o l 和 g 时电容呈现感性，f 时，电容呈现容性。由于制造 材料的不同，各种电容的参数也不同，一般来说电解电容和胆电容对低 频噪声的滤波效果比较好，瓷片电容、度石电容等队高频噪声的滤波效 果比较好。对器件滤波，随着集成电路工艺的进步，i c 自己本身能较好 的抑制低频噪声，而对高频噪声比较敏感，所以一般采用小电容来进行 电源滤波。 在设计中，滤波分为两部分，电源滤波和器件的滤波。对于电源，由于整 个p c b 上的噪声都加到它的上边，不仅包括了低频噪声，还有大量的高频噪声。 为了有效的滤出这些噪声，采用了一个大电容( 1 0 l af 的电解电容) 和一个小电容 ( o 1 或o 0 11 tf 的贴片电容) 并联来滤波，以提高滤波的范围。 ( 3 1 数字电源和模拟电源分开。高频器件一般对数字噪声非常敏感，所以两 者要分开，在电源的入口处接在一起。若信号要跨越模拟和数字两部分 的话。可以在信号跨越处放置一条回路以减小环路面积。在实际的设计 中，通常把电源通过两个u h 的电感引出分别作为模拟电压和数字电 压，同时在电源的地端用一个零欧姆的电阻分别引出作为模拟地和数字 地。 在路由结点p c b 设计中，时钟芯片同时采用5 伏数字电源和模拟电源。数 字电源和模拟电源通过4 7 ph 的电感隔离，以降低电源噪声。 ( 4 ) 注意p c b 上的通孔。通孔使得电源层上需要刻蚀开口以留出空削给通 孔通过。如果电源层开1 ：3 过大，势必影响信号回路，信号被迫绕开，回 路面积增大，噪声增加。同时，如果一些信号线都集中在丌口附近，共 用这段回路，公共阻抗将引发串扰。 设计中通孔为3 0m i l ( 0 7 6 2 m m ) ，焊盘直径为5 0m i ( 1 2 7 m m ) l 或6 0 m i l ( 1 5 2 4 m m ) ，绘制p c b 时在合适角度放置焊盘，降低通孔对板子的影响。同 时仔细考虑元件布局，首先考虑高频信号线的走向及分布，尽量保证圆滑布线， 第三章高速路由结点设计与实现 将其与模拟信号部分合理地分开，使相互间的信号耦合减少至最少。 2 地线的噪声干扰 地线的噪声干扰一是由于系统各部分地线的不平衡，在地线之间出现电位 差。二是由于存在接地电阻，这些都回引起接地干扰。地线上的干扰不仅会引 起电路的误操作，还会造成传导和辐射。通常用以下措施抑制地线噪声干扰： 一、高速的数字电路必须为所有的回路信号提供低阻抗的通路。在设计地线 的时，应尽可能多地布置一些与地线平行的走线。在p c b 中采用一层地 线会有效减少地线回路的感应。 二、分考虑“分地”问题。所谓分地是指根据不同的电源电压、数字和模 拟、高速和低速、大电流和小电流来分别设置地线，其目的是为了防止 共地线阻抗耦合干扰，原则上是不相容的电路回路不要公共部分。在多 层板中，可将中间的某一层或某几层整个作为一个接地面，电路中的任 何接地点可直接接至此地面，这样大减少了接地电阻，并起到了屏蔽作 用。 三、布线成地线网格。p c b 中布底线时不应该追求宽底线，应追求多地线网 格。因为地线网格提供了大量的平行地线，并联后的线电感很小，能有 效减小地线的电感，从而减小地线的阻抗。 设计中采用了单独的地层，并利用4 7 uh 的电感将数字地和模拟地分开， 有效地降低了地线的噪声干扰。 3 高频器件本身辐射的电磁干扰 在高速p c b 中，当电路中含有高频时钟处理器芯片或者系统总线工作周期 特别快时，就会产生3 倍于时钟频率的干扰噪声向外辐射，影响p c b 的其他电 路。频率越高，越容易发射出去而成为噪声源，其产生的噪声就越大，电磁干 扰就越强，因此在p c b 设计时，选用频率较低的集成芯片可以有效地降低噪声， 提高电路系统的抗干扰能力。 在路由结点设计过程中，尽量选用低频率芯片，使用能满足系统要求的最 低频率的芯片。o n i c 最大速率1 0 5 6g b i t s ，选用光电器件( h f c t 5 3 0 5 ) 能j 最大 接收和发送速率都可达1 2 5g b i t s ，解复用芯片( 1 0 3 4 ) 司- 以选择的最大速率为 1 1 2g b i t s ，选用的数字交叉开关单通道最大速率为1 4g b i t s ，这些高频器件的 最大工作速率都选择在最接近o n i c 最大工作速率，以尽可能降低高频器件本身 辐射的电磁干扰。 第三章高速路由结点设计与实现 4 信号传输线的串扰和反射 由于传输信号的高频特性，各传输线路的特性阻抗的不同或与负载阻抗不 匹配，所传输的信号在终端或i 临界部位会发生发射，使传输信号发生或产生振 荡。另外，传输线的走向、宽度以及线间间距的不合理设计还会造成线间的信 号叠加和附加延时，这些都可能造成传输线之间的串扰。有两种类型的串扰：容 性串扰和感性串扰。前者是因为线间的寄生电容使的噪声源上的噪声通过电流 的注入耦合到噪声接收线上，而后者可以被想象成信号在一个不希望有的寄生 变压器初次级间的耦合。这两种串扰对信号的影响是平行布线长度的函数。容 性串扰在平行线间的影响要小一些，两条长的平行布线之间会有相互的电容效 应，当其中一条线上的电压发生变化时，在另一布线上就会产生容性串扰，还 会出现一个小的正脉冲，如同是电压变化而诱发的。容性串扰在平行线间的影 响要小一些，而感性串扰的大小取决于两个环路的靠近程度和环路面积的大小， 以及受影响负载的阻抗，它比容性串扰要严重的多。当一条直线的磁场在相邻 信号线上感应出信号时，就会发生感性串扰。在逻辑系统中，当信号处于开关 或非静态状态时，流过布线的电流产生感性串扰就很大。抑制信号传输线间串 扰的方法一般有以下几种： ( 一) 布置元器件时，所有的连接器最好都放在印刷电路板的一侧，避免从两侧引 出电缆： ( 二) 如高速i c 芯片与连接器之间没有直接的信号交换时，高速i c 芯片与应远离 连接器； 输入输0 o ) 放在靠近连接器处，i o 信号不要在印刷板上传输过长的距离， 以免耦合上干扰信号； 尽量缩短高速信号线的长度； 当布线间隔在2 0 m i l 咀上时串扰会明显降低 4 0 ，设计中将平行信号线问的 间隔控制在2 0 m i l ；同时严格控制高频差分信号的布线长度，设计中高频差分信 号的布线长度不超过7 c m 。利用这种方法来降低串扰对信号的干扰。 另外在高速电路的设计中，由于阻抗不匹配会造成信号在传输线上的来回 反射。为了降低信号的反射可以在负载上并联附加阻抗来降低输入阻抗，以便 在负载处或源处于布线阻抗相i ! i l i 。设计中主要采用对不同信号线采用不同的 线宽和长度来实现阻抗匹配，如时钟信号线线宽采用3 0m i l ，信号线宽为1 0m i l 或1 3m i l 。附录1 为路由结点p c b 图，图3 1 3 为制作完成的路由结点电路板。 第三章高速路由结点设计与实现 图3 1 3 路由结点p c b 图 第三章高速路由结点设计与实现 本章小结 在本章中，主要论述了以下问题： 1 针对路由结点所要完成的功能和光互连网络接口卡的特点，对路由结点进行 了整体设计及功能模块的划分，包括：光电和电光转换模块、1 ：2 驱动模块、 解复用模块、逻辑仲裁模块、时钟模块以及交叉开关五部分。 2 逐一介绍了各个模块的功能及相应器件的选取情况，详细介绍了器件的性 能，并分析了是否能完成设计功能。重点介绍了仲裁逻辑、时钟以及交叉开 关这三个重要模块。同时简单介绍了其它的辅助器件。 3 电路设计基础和传输线理论的介绍。简单介绍了e c l 电路和t t l 电路基础， 理论推导了传输线阻抗计算公式，给出阻抗匹配的定义，强调了阻抗匹配在 电路设计中的重要性，最后给出了解决阻抗匹配的方法。 4 路由结点p c b 设计。从常见的电磁干扰入手，介绍了电源的噪声干扰、地线 的噪声干扰、高频器件本身辐射的电磁干扰和信号传输线的串扰以及反射。 根据电磁兼容原则，给出了抑制或降低影响的措施。根据设计中的具体情况 采取了相应的应对措施。 第四章f p g a 的内部逻辑实现 第四章f p g a 的内部逻辑实现 本章主要讨论逻辑控制模块内部逻辑功能实现。简单介绍了f p g a 的软件 开发环境和流程，主要讨论路由结点核心控制芯片f p g a 内部逻辑功能的设计 和功能模块的划分。根据实现f p g a 内部逻辑需要，介绍了网络通信协议。对 f p g a 的内部整体结构体系和各个功能模块进行了描述，并给出了各模块的仿真 时序图。 4 1e d a 和f p g a 的开发环境 4 1 1e d a 概述 1e d a 技术的发展背景 e d a 是电子设计自动化( e l e c t r o m cd e s i g na u t o m a t i o n ) 缩写，是9 0 年代初从 c a d ( 计算机辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、c a t ( 计算机辅助测试) 和 c a e ( 计算机辅助工程) 的概念发展而来的。e d a 技术是以计算机为工作平台，融 合先进的微电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果根据硬件描述语言 h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化 简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和 编程下载等工作，直至实现既定的电子线路系统功能。e d a 技术是一门综合性 学科，它打破了软件和硬件间的壁垒，代表了电子设计技术和应用技术的发展 方向。e d a 技术主要能对电子系统进行三方面的辅助设计工作，即i c 设计、电 子电路设计和p c b 设计。 电子系统的设计，根据计算机辅助设计技术介入的程度，一般可以分为三 个阶段：人工设计阶段、计算机辅助设计阶段( c a d ) 。人工设计方法是从方案的 提出到验证和修改均由人工完成，其验证需要搭建实际电路来实现。此法花费 大、效率低、制造周期长，而且目前很多的产品实际上已无法由人工来完成。 从2 0 世纪7 0 年代出现了c a d 技术，人们开始使用计算机来进行i c 版图设计 和p c b 布局布线，并发展为可以进行电路功能设计和结构设计，增加了原理图 输入、逻辑仿真、电路性能分析和自动布局布线等功能。应该说c a d 技术取得 了巨大的成功。但由于各种软件千差万别，功能比较单一，自动化和智能化程 度还不高，并没有把人从繁琐的设计工作中解放出来。2 0 世纪9 0 年代伴随着 t o p d o w nd e s i g n ( 自顶向下设计方法) 的提出【5 0 和d s p ( 数字信号处理) 技术 第四章f p g a 的内部逻辑实现 的发展，逻辑综合工具和d s p 设计工具应用得普及，电子系统设计进入e d a 阶 段。随着电子和计算机的发展，电子产品的设计、测试及制造等各个环节，都 已经与计算机系统紧密联系。现代电子产品在性能提高、集成度和精密度不断 增加的同时，产品更新换代的周期越来越短，这就要求从产品的设计开始，到 制造及测试等各个阶段必须提高效率，降低成本。它是c a d 技术发展的必然产 物，是现代电子设计技术的核心。 2 e d a 技术基本特征 e d a 是在c a d 基础上发展起来的计算机辅助设计系统，是以大规模可编程 逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统设计的主要表达方式，以计算机 软硬件开发系统为设计工具，自动完成数字集成电子电路设计的一门新技术。 早期的c a d 相比，e d a 具有如下的基本特征： ( 1 ) 硬件电路的软件设计方式。设计输入可以是原理图、波形、v h d l 语言， 下载配置前的整个过程几乎不涉及任何硬件，而硬件设计的修改工作也 如同修改软件程序一样快捷方便，即通过软件设计方式的测试，实现对 特定功能硬件电路的设计。 ( 2 ) 自动进行产品直面设计。e d a 技术根据设计输入文件( h d l 或电路原理 图) ，自动地进行逻辑编译、化简、综合、仿真、优化、布局、布线、适 配以及下载编程以生成目标系统，即将电子产品从电路功能仿真、性能 分析、优化设计到结果测试的全过程在计算机上自动处理完成。 f 3 1 集成化程度更高，可构建片上系统：e d a 设计方法又称为基于芯片的设 计方法，随着大规模集成芯片的发展，已能进行更加复杂的数字电路的 芯片化设计和专用集成电路a s i c 设计。 f 4 1 目标系统可现场编程，在线升级。 f 5 1 开发周期短，设计成本低，设计灵活性高。 3 硬件描述语言 硬件描述语言( h d l ) 是种用于进行电子系统硬件设计的计算机高级语言， 它采用软件的设计方法来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式。 硬件描述语言可以在三个层次上进行电路描述，其层次由高到低分为行为 级、r t l 级和门电路级。常用硬件描述语言有v h d l 、v e r i l o g 和a b e l 语言。 v h d l 语言是一种高级描述语言，适用于行为级和r t l 级的描述；v e r i l o g 语言 和a b e l 语言属于一种较低级的描述语言，适用于r t l 级和门电路级的描述。 第四章f p g a 的内部逻辑实现 v h d l 的英文全称是v e r y h i 吐s p e e di n t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，产生于1 9 8 2 年，1 9 8 7 年被i e e e 和美国国防部确认为标 准硬件描述语言，1 9 9 3 年i e e e 对v h d l 进行了重新修订 5 1 。现在v h d l 和 v e r i l o g 作为i e e e 的工业标准硬件描述语言，已得到众多e d a 公司的支持，在 电子工程领域，它们己成为事实上的通用硬件描述语言，承担几乎全部的数字 系统的设计任务。 设计中采用v h d l 作为硬件描述语言，应用v h d l 进行电子系统设计有 以下优点： ( 1 ) 与其它硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力，强大的行 为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电 子系统的重要保证。 ( 2 ) v h d l 具有丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就 能检查设计系统的功能可行性，并可以随时对系统进行仿真。 ( 3 ) v h d l 语句的行为描述能力和程序结构，决定了它具有支持大规模设计 的分解和对已有设计的再利用功能。 ( 4 ) 用v h d l 完成的设计，可以利用e d a 工具进行逻辑综合和优化，并可 根据不同的目标芯片自动把v h d l 描述设计转变成门级网表，这种设计 方式极大地减少了电路设计的时间及可能发生的错误，从而降低了开发 成本。 ( 5 ) v h d l 对设计的描述具有相对独立性，可以在设计者不懂硬件结构的情 况下，也不必管最终设计的目标器件是什么，而进行独立的设计。 ( 6 ) 由于v h d l 具有类属描述语句和子程序调用等功能，所以对于己完成的 设计，可以在不改变源程序的情况下，只需改变类属参量或函数，就能 很容易地改变设计的规模和结构。 4 1 2e d a 工程设计流程和f p g a 的软件开发环境 在设计方法上，e d a 技术为数字电子电路设计领域带来了根本性的变革， 将传统的“电路设计硬件搭试调试焊接”模式转变为在计算机上自动完成。电 子设计的全过程分为物理级、电路级和系统级3 个设计层次，涉及的电子系统 从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专 用集成电路构造的电子系统。e d a 技术采用系统级的设计方法，其设计流程如 图4 1 所示。 f 1 1 源程序的编辑：利用文本编辑器或图形编辑器，将设计用文本方式或图 第四章f p g a 的内部逻辑实现 形方式表达出来。常用的源程序输入方式有原理图输入、h d l 文本输入 和状态图输入。 ( 2 ) 逻辑综合和优化：逻辑综合的功能是将软件描述与给定硬件结构联系起 来，也就是h d l 、原理图或状态图的描述，针对给定硬件结构组件进行 编译、优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更底层的电路描述文 件。 ( 3 ) 目标器件的布线适配：适配器的功能是将逻辑综合后产生的网表文件配 置到指定的目标器件中，并产生最终的下载文件，如j e d e c 格式的文件。 ( 4 ) 目标器件的编程下载：如果编译、综合、布线适配和行为仿真、功能 仿真、时序仿真等过程都没有发现问题，也就是说满足原设计的要求， 这时就可以通过编程器或下载电缆将布线，适配器产生的配置下载文件 载人目标芯片p p g a