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ATCA架構中多網口后板的高效設計
來源:本站整理  作者:佚名  2013-01-20 18:30:30

  本文介紹了多網口后板(RTM)的普通設計方案,提出了優化解決方案,并從軟、硬件方面進行了比較,并且描述了新方案在卻載CPU負荷、防止“中斷風暴”等方面的創新性設計。

    先進的電信計算平臺ATCA(Advanced Telecom Com-puting Architecture)是國際工業計算機制造者聯合會PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturer's Group)標準歷史上最重大的革新。它的設計初衷是針對電信運營級應用,為下一代通信及數據網絡應用提供一個高性價比、模塊化、兼容性強、擴展性好的硬件構架,為新一代電信運營設備提供一個“可靠、可用、適用”的解決方案。

 

    ATCA不僅能因其總線的開放性而降低電信設備總體部署成本,而且最大限度地提升了不同廠商產品之間的兼容性。ATCA設備在降低網絡建設和維護成本的同時,還可以通過更換板卡快速支持新應用和新業務,靈活性更強。由于這些優點,ATCA架構不僅在電信運營領域得到了廣泛應用,也逐漸在儀器儀表、軍事和航空航天等領域受到關注。

 

1多網口后板的設計所面臨的問題

    符合ATCA標準的系統由一個或多個熱插拔線卡(即模塊)組成,這些線卡也稱為現場可替換單元FRU(FieldReplacable Unit)。在基于ATCA的網絡設備中,為了提供數量多且性能高的網絡接口,往往在前板安裝先進的網絡處理器NPU(Network Process Unit)或CPU,而在同槽位的后板(RTM)上布置多個網絡接口連接器(如RJ45或者SFP插槽),用于連接外部網線或光纖。

 

    RJ45接口最高支持1 000 Mb/s的以太網速率,接口電纜是銅電纜,不適應電信設備“光進銅退”的發展趨勢。而SFP(Small Form-factor Pluggable transceiver)插槽由于既能容納RJ45接口的電模塊(Copper SFP ),也能容納FiberJack接口的光模塊(Fiber SFP ),靈活性好,速率可達10 Gb/s,因此越來越得到設計師的青睞。但是如何管理這些SFP模塊,對設計師而言,在硬件和軟件方面,面臨如下問題:

 

    (1)硬件方面:因為ATCA標準規定,前板通往后板和背板的連接器分為3個區域:區域1、區域2和區域3。其中,區域1用于電源和管理信號,連接到背板;區域2負責前板之間的數據通路,也連接到后板;區域3用于前后板的連接,信號自定義,而前后板的連接無需經過背板,采用共面互連技術。區域3最多允許安放3個高速連接器,因為前后板之間的連接信號數量有限,所以在利用這些互聯信號時需要精打細算。互連信號越少,就越能節省昂貴的高速連接器,降低產品成本。按照SFP標準,每個SFP模塊都提供了一個符合I2C標準的管理接口,通過I℃接口,系統可以獲得模塊的型號、參數和工作狀態等信息。

 

    如果把每個模塊的I2C接口總線都連接到如圖1所示的前板,則會造成浪費。因為一個I2C接口需要占用2個互連引腳,I2C占用的互連引腳越多,留給其他模塊的互連引腳就越少,而實際上有相當多的互連引腳被用于傳輸以太網的收發信號,才能保證足夠的數據通路帶寬。

 

      另外,所有同類型SFP模塊的I2C接口的器件地址都是相同的,而I2C標準規定每條I2C總線上不能存在兩個相同的器件地址,所以當它們與CPU相連時,必須經過I2C復用器(因為處理器通常沒有足夠的I2C總線接口)。I2C復用器可以采用專用的芯片實現(如PHILIPS公司的PCA9548A,支持將一個I2C接口擴展為8個I℃接口),也可以用CPLD或者FPGA實現。

 

    (2)軟件方面:I2C是一種低速串行總線,頻率一般為100 kHz或400 kHz。以100 kHz為例,如果不考慮器件的響應時間,讀取一個字節大約耗費40個I2C時鐘周期(約0.4 ms)。因為處理器和I2C復用器之間只有一個I2C接口相連,處理器不得不通過逐個輪詢的方式去查詢各個SFP模塊的狀態變化,占用了大量的CPU資源;如果用中斷方式,SFP模塊標準中又沒有定義模塊的中斷引腳,硬件架構上不提供支持。所以,如何有效管理各個SFP模塊而又盡可能低地耗費CPU指令是軟硬件設計面對的一大難題。對以上問題,本文提出下面的優化解決方案。

 

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