測量工具幫助設計人員解決光纖開關的結構問題

數位通訊網路和元件對速度的不斷需求給系統結構帶來了新的要求，使得PCI數據匯流排逐漸接近其能力的極限，因此人們又開發出一些新的數據傳輸方案。本文將介紹RapidIO串列光纖開關結構及其特性，以及如何應用測量工具進行除錯。

最近幾十年來，匯流排寬度已由以前的4位元、8位元提高到現在的32位元、64位元或更高，與此同時CPU的速度成長得更快，而作為現代電腦、通訊和網路系統基礎的匯流排速度卻不能夠按比率提升。在純粹平行匯流排結構中，4位元匯流排一般不會有問題，但64位元匯流排可能就需要相當複雜的線路結構。

與此同時，寬平行匯流排中大量信號要做到同步也有一定的困難，尤其是那些信號隨時有可能受噪音和干擾影響；傳輸數據需要很高的電流，這使地線反彈和噪音問題更加突出；線路的長度和阻抗也難於控制，此外寬的數據匯流排還要佔用更多線路板空間。因此我們所面臨的挑戰就是要研究出一種新型可升級的有效高性能結構，使數位系統能夠擺脫困境，走向未來。

為了解決這一難題，設計人員在封包內連的基礎上開發出了一些完全不同的內部數據傳輸方案，如RapidIO、HyperTransport及高速PCI等，這些新技術依靠半導體材料技術發展如LVDS技術等縮小了晶片特性尺寸使速度加快，可望在未來市場上佔有一席之地。

串列匯流排與開關光纖結構

近年來平行匯流排寬度在不斷增加，而封包技術卻朝著相反的方向發展，如128位元平行連接可能變成8行字串列匯流排，當然線的數量雖然減少了但傳送的數據與平行匯流排同樣甚至還更多。串列傳輸技術是開關光纖結構的核心。

開關光纖結構技術已經成為一個專用的單向點到點連接概念，CPU的DataOut線總是作為輸出，用單獨的線藉由不同的管腳將數據傳到器件上。當兩個器件需要單獨通訊時，它們藉由之間的點到點連線來完成，如果有兩個以上器件要通訊，它們就連到一個公用開關上，這樣就不會在所有器件分時共享進行通訊的平行匯流排上出現線路丟失的情況。

通常字串列匯流排傳送的數據按照特定的協議或標準格式進行封包，封包方案中數據字不是作為連續的實體來傳送，相反，它的內容分佈在多個數據‘包’中，藉由串列連接來傳輸，然後在接收端再還原。藉由內建的查錯和糾錯功能，封包的數據更容易修改(位元組的長度根據系統命令可以動態修改)，而且更可靠。

開關光纖結構將點到點和串列連接組合成一個整合的光纖開關和連接，節點可以藉由多重冗餘通路連接，以確保可靠性，並支援簡單低成本升級需求。

設計與除錯

在下一代通訊系統中採用快速串列匯流排和開關光纖結構技術時，設計人員還面臨一些新的挑戰。對於很多工程師來說，字串列結構是一個新的東西，都不太熟悉，但為了使產品迅速投向市場，必須使用節串列結構來設計和驗證他們的新產品。很明顯，在觀測複雜的封包協議內部大量數據的時候，需要有一種可以簡化任務的設計、驗證和除錯工具。

使用封包數據傳輸也為除錯帶來新的課題，由於數據內容在多個數據包中分時傳送，那麼設計人員如何區分不同的執行周期呢？工程人員又怎樣判斷不同的位和上升?下降沿是否處於正確狀態呢？怎樣去觸發一個特定的事件或位元組呢？

下面將集中討論RapidIO這種新型很有前途的串列?開關光纖結構和它的特性，以及新設計和除錯解決方案。在RapidIO貿易協會推廣下，這項新技術不但發展迅速，同時也獲得了一定的市場認可。

走近RapidIO

現在很多介面都需要一個專門的IC藉由PCI匯流排連接到處理器上，不過以後它們很快會合併到一個含有多個介面的晶片上，即I/O處理晶片。這樣做的好處是減少單獨I/O匯流排，但同時迫切需求更快更先進的技術來代替舊的匯流排結構。

RapidIO就是針對這種需求應運而生的一種技術，它是一種開放式通訊標準，在處理器、DSP器件、記憶體件和其它系統內部元件中傳遞數據和控制資訊。目前RapidIO標準定義了8行和16行兩種規格傳送封包的字符串數據。

在通訊光纖中，RapidIO有兩個方面用途，既可以用於頻寬較窄的數據與控制傳輸或者單獨用在頻寬較寬的控制應用，又可以用來作為板上晶片與晶片之間的聯繫中樞。對於強調產品延時、可靠性及低成本的嵌入式和即時應用非常理想，更為重要的是，這種技術在PCI的壽命周期內可以與PCI共存。

互連性能

RapidIO技術將徹底改變數位系統的‘機內互連’，將數據傳輸速率提高到10Gbps以上。設計人員在新的I/O晶片上可採用多個RapidIO埠，最大程度地利用光纖互連帶來的好處，不再需要購買單獨的專用開關晶片。

RapidIO各項性能都向前邁了一大步，比起現在的匯流排互連，它的總頻寬提高了系統的性能，其低延遲多重資訊優先級確保了重要傳輸能到達目的地。

RapidIO結構完全是可升級的，它支援多種系統拓樸結構，通訊頻寬可按附加器件數量成正比增加。在每個連接的數據傳輸通道中都有硬體錯誤診斷和糾正服務，因此它的可靠性是一致的。

此外，RapidIO同時也相容現在的互連方案，尤其是PCI匯流排，對軟體來說，它看起來像傳統的微處理器和外設的匯流排。RapidIO非常靈活，它有三個層，分別是邏輯、傳輸及實體層，設計人員可以單獨改動其中一層而不會影響到其它層。

測量挑戰

顯然，RapidIO和其它開關光纖技術將改變技術人員設計數位系統的習慣，而且也會影響工程人員驗證和除錯新設計的方法。他們將RapidIO埠設計到新產品中時要解決互換性問題，自然這也會引起人們的擔憂：是否需要採用新的未經驗證的工具和程式？學起來是不是很難？這樣一來工作量又不是要加重了嗎？

不過設計人員可以欣慰地看到，他們使用多年的數位設計工具可以藉由設定滿足RapidIO的需要。例如他們一直使用的太克TLA700系列模組邏輯分析儀可以獲得時鐘速率，而且現在這種儀器工作頻率達到8GHz。新的探測方案保留了快速、小振幅信號特性，確保能準確捕獲RapidIO數據。

同樣，對複雜封包RapidIO協議進行解碼的功能強大支援工具也已露出端倪，它可以提供即時可視處理。支援工具是有效驗證和除錯RapidIO元件的關鍵，它們可以獨自提供預先調好的觸發設置，而且還有易於使用的分析和顯示功能。從效果上看，這些支援工具將目前的高性能邏輯分析儀變成了RapidIO開發工具。

高速模擬測量是設計和驗證過程中必不可少的一部份，這些測量包括抖動測量、脈衝圖形測量等等，所有這些測試都在邏輯分析儀的測量範圍之外。這時即時示波器可以填補這一空白，有些示波器可以接到邏輯分析儀上，這樣可藉由分析儀來觸發，捕獲的信號也是與時間相關的波形，可在邏輯分析儀上顯示出來。

測量硬體

目前頂級邏輯分析儀和示波器都不需要改變基本模組結構就能夠適應RapidIO的要求，在這些分析儀中，有好幾種方法可以提供足夠的信道、觸發特性和靈活配置，一些重要的要求包括高解析度時序分析、根據數據信道進行靈活的通道分配，以及對數據和訊框通道的可程式極性設置。

在準備RapidIO測試?除錯方案時，有幾個關鍵的性能特徵特別要注意：

1. 探測工具。RapidIO使用的是快速小振幅LVDS技術，需要頻寬比較寬的探頭以便使信號進入邏輯分析儀或示波器時保留原樣。在高密度低功率RapidIO電路中，探頭的電容和物理尺寸都很重要，目前微型無轉接器邏輯分析儀的差分探頭的電容只有0.7pf，可以解決如此苛刻的測試難題(圖1)。

此外探頭心臟部份的SiGe半導體技術提供了很短的電子連接長度，也能減小探頭對測試信號的影響。

2. 儲存深度。採集封包數據時，可能要在相對少的SUT管腳上採集大量數據，而RapidIO的數據傳輸率使再大的記憶體也會很快填滿。目前已有邏輯分析儀內存高達64M，可以提供足夠的容量來儲存複雜事件，而且還可在事件前後再加一段時間。

3. 數位?模擬測量的結合。由於匯流排愈來愈複雜，我們不得不考慮模擬信號特徵、符合標準的程度、協議細節和系統級結果，最好的解決方法是將邏輯分析儀、示波器和探測能力結合在一起。有了具備這些特徵的工具再加上適當的支援軟體，分析RapidIO匯流排的工作就和工程人員們用慣了的程式一樣：觸發、捕獲、分析。

設置觸發器和捕獲封包數據每次數據採集都要從一個觸發事件開始，但是像RapidIO這種新的封包互連技術對設計人員來說是一個挑戰，它具有多級封包類型、符號、數據域和信號交換。要弄清楚這些類型，工程人員必須仔細鑽研RapidIO規範，這樣才能找到資訊頭分辨出每個數據包，然後再給邏輯分析儀的觸發器定義標題和資訊包內容。這是一項單調乏味的工作，敲入的每個鍵都要正確，不然的話會產生一些新的錯誤。

幸運的是好的RapidIO支援軟體可以大大簡化這一關鍵工作。圖2是一種新型RapidIO支援工具的觸發設置頁面，這?用戶可以從多種封包類型中進行選擇，為傳輸和接收匯流排迅速輸入封包內容細節，同時還可規定根據處理進行觸發，包括數據包和接收控制符。

分解和顯示

一旦獲得了所需要的RapidIO數據，就要開始分解和分析的工作，這?支援工具包是解釋封包指令意義的唯一有效方法。軟體工具所顯示的內容由三部份組成：資訊包?控制符號摘要、資訊包?控制符號域詳細解碼及原始數據。

通常設計人員都想更深入地了解板上處理器與RapidIO有關的傳輸和接收端情況，並同步顯示出這些埠的數據。為了適應這一要求，全功能分解器可以提供控制符號解碼和實體層每個域顯示功能，也可對資訊包進行解碼並將實體層、傳輸層和邏輯協議層各個域顯示出來，以及對傳輸和接收數據埠同時解碼。

圖3顯示了採集數據的顏色代碼，包括傳輸和接收的細節。在資訊包?控制字摘要中，資訊包的控制符號用顏色來區別，同時還可以區分出資訊包請求和反應時資訊交換和執行的狀態。圖3中藍色背景上的黑色文字表示控制符號開始，綠色背景上的黑色文字表示資訊包開始和延伸部份，藍色文字表示邏輯層的域，紅色文字表示傳輸層，綠色文字代表實體層。

根據邏輯分析儀配置和數據採集模組的不同，分解器除了將資訊包與接收控制符聯繫起來外，還可將請求和反應資訊包聯繫起來。此外，分解器允許使用人員將控制符號排除在協議解碼器之外，當去除了嵌入在有用數據中的符號後，資訊包的內容會更加清楚。

本文結論

RapidIO這種光纖開關結構幾乎是每一個數位系統設計人員未來的方向，雖然這些新技術剛開始掌握起來會有一定的困難，但好的工具可以在信號採集、解碼和分析信號流方面提供很大幫助。藉由選擇具有適當硬體性能和支援套裝軟體的儀器，工程人員可以早日發現設計上的問題，滿足未來對高性能通訊系統的需求。

作者：Marc Clement

太克公司

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