从几年前PICMG 3.0的横空出世到近期VITA 46/48的如火如荼。预示着串行互连时代的到来。在PICMG 3.0中，PICMG推出了ATCA ，MicroTCA(AMC)，针对电信领域的协议。特别是ATCA，在各大电信运营商中已经得到广泛采用。在VITA41/VITA46/48 中, VITA标准组织也相应推出了VXS, VPX 等针对航空航天和国防的标准。归纳ATCA 和 VPX 的共同特点就是：“高速串行互连”。如图1所示，其给出了近30年来系统总线的发展趋势由并行到串行。

2 系统互连现状

传统上，系统互连分为系统内和系统间两种方式。系统内互连，一般使用系统总线。系统总线，通常采用并行方式，分为数据线，地址线，控制线等，如CPCI 总线和VME 总线。众所周知， VITA在80年代推出了VME总线， PICMG在90年代推出了PCI/CPCI总线。 VME 和PCI/CPCI就是目前市场上最为常用的系统（并行）总线；系统间互连，一般采用外部总线或现场总线。子系统间互连方式，采用现场总线方式。现场总线在不同的行业有不同的标准，例如，在航空航天领域1553B/429，工业控制领域 Profibus, Device Net，汽车领域中的CAN等……

在一些传统的大型分布式系统当中，并行总线和现场总线互相配合来完成大型分布式系统互连通常为最流行的设计方式。并行总线目前的带宽上限仅在1GB/s左右。

但是随着DSP和CPU处理能力的迅速提高，单系统的数据处理能力有了一个飞跃性的发展，用一个小型单系统完成以前大型分布式处理系统的处理任务已非难事，相应的系统间/内数据交互速率要求更是突飞猛进，由nx 100MB/s 至n x 10GB/s方向迅速逼近。再使用传统的并行总线或现场总线来完成系统互连，已经远非易事。从而，具有吞吐率更高、可靠性更强的HSSI悄然进入高速互连领域。

3 串行互连

3.1 并行总线技术的局限

众所周知，并行总线存在着带宽和时钟频率的限制。图2是并行总线工作示意。

图2 并行总线工作示意图

由于并行总线的工作基理，存在如下三点矛盾，

1），板卡和连接器空间与总线宽度

2），信号频率与相位抖动

3），总线共享负载数与总线可靠性

从互连要求来看，总线数据吞吐能力基本上是一个永恒的主题。要想解决并行总线的带宽和可靠性遇到的问题，有两个牵强的办法：1，增加总线宽度；2，提高总线时钟频率。但这两种方法都有其相应的负面影响。

1），增加总线宽度

增加总线宽度限制了总线最大可用的频率，因为总线越宽，随着频率的提高，交叉干扰越强烈。同一总线上的信号之间存在偏斜。同时总线更宽意味着器件上要有更多的引脚，电路板上有更多的走线，连接器上有更多的引脚，所有这些都会转化为更高的成本。

2），提高总线时钟频率

提高多支路式总线频率则限制了能在一个单一分段上所连接器件的数量。频率越高，能够驱动的负载数就越少。

简言之，设计基于高速并行总线系统的缺点是：更多的引脚数，更高的功耗，更难的电路板布线，更多的电路板层数和更强的同一端口走线之间的偏斜失配。此外，在并行总线下大量单端信号摆动会产生更强的交叉干扰和EMI问题。

综合以上考虑，并行总线的扩展空间已非常有限。

3.2 HSSI – 高速串行互连特点

HSSI(高速串行互连)技术特性：

1) 通过一对差分信号线实现点到点的连接

2) LVDS 信号（350mv），高时钟容错-数据信号时钟编码

3) 全双工，发送和接收可以并行进行

4) 编码方式采用8b/10b编码

5) SERDES – 串行化和解串

a. 并行数据串行化，并通过串行链路传输
b. 接收穿行数据，并转换为并行数据
c. 对于软件完全透明。

6) HSSI 速度，就当前的技术1.0625, 2, 2.125, 2.5, 3.125，6Gbps 已成为现实， 10Gbps 或更高速度也在测试与研究之中

7) 支持高级的点到点交换协议

点到点串行互连如图3所示。对比并行总线局限及串行连接的特点，使用串行互连是解决当前并行总线面临难题的捷径。

图 3, 串并串转换

3.3 几种常见HSSI标准

典型的HSSI技术有以下几种：

1）Gigabit 以太网，最早的背板交换方式。

2）Serial Rapid IO（sRIO），已嵌入到PowerPC处理器。

RapidIO行业协会成立于2000年，其宗旨是为嵌入式系统开发可靠的、高性能、基于包交换的互连技术。串行RapidIO是物理层采用串行差分模拟信号传输的RapidIO标准。SRIO 1.x 标准支持的信号速率为1.25GHz、2.5GHz、3.125GHz；RapidIO 2.0标准将支持5GHz和6.25GHz。

3），PCI Express，充分得到桌面系统的推动。

PCI Express标准可理解为一种先进的串行打包的有丰富特性的PCI，而PCI互连标准自1992年发布以来已广为传播。PCI Express互连的基础是虚信道。它以4线方式（每个方向2根差分线）提供2.5Gbits/秒的LVDS连接。所有的信号都在带宽内，包括用工业标准的8B/10B编码方式提供的时钟。可使用的带宽是每方向每虚信道2Gbps。个别通道可合并成X2、X4、X8、X16和X32速以提供额外的带宽，最大双向带宽为128Gbps。

4），Infiniband，主要应用于数据存储。

InfiniBand规范由Future I/O和NGIO规范发展而来，最早在2000年10月发布。它是为了满足不断增长的可扩展的、标准化的企业级机箱之间连接的需要。这个标准采用与PCI Express相似的物理层，基本连接是一个2.5Gbps的两个双向LVDS连接，使用嵌入式时钟。这种连接可合成X4和X12速高带宽。图4是典型串行互连覆盖范围，不同的技术针对的主要市场有所不同。

图 4，串行互联应用

从上图可见，HSSI技术几乎涵盖了从芯片到系统的所有互连领域。而且串行技术还在不断发展。例如PLX， Tundra都不断推出速度更快、性能更好的串行互连产品。

4 PICMG 3.0，VITA 46充分采用HSSI技术

市场上最通用的工业总线协会（PICMG和VITA）, 这两个协会可以称为当今世界背板技术发展的旗帜。它们的最新标准PICMG3.x 和VITA46.x /48.x 都不约而同的采用了串行互连技术。而板级生产商也迅速推出了基于HSSI 的高速背板交互产品，如 Mercury， Emerson等。从以下的两种规范结构，可以看到HSSI技术在新的互连标准中的核心地位。

PICMG3.x 规范如图5所示：

图5 PICMG3.x规范

VITA46.x 规范如图6所示：

图 6 VITA46.x规范

两种规范及相关子规范都是基于各种不同串行互连技术。从PICMG2.16,PICMG 3.0到VITA 31.1, VITA41, VITA46, VITA48，分别针对不同的串行技术推出相应的子规范。随着串行技术的不断升级和扩展，系统互连技术也会不停改变和更新。

基于PCI-e 串行互连的VPX系统示意方案，如图7所示,其是3U VPX产品。其中用16通道的PCIe实现节点间数据交互。 4个负载分别使用4通道通过PCIe交换机实现互连。

图 7 示例， PCIe背板互连

5 HSSI代表着系统互连的未来

PICMG 和 VITA 的技术发展方向将会统一，交点就是串行互连。串行互连技术不仅适用于板间，系统间，同样也适用于板内，芯片间。现在是一个高度集成和高速度的时代，单个系统可以集成上百颗CPU内核；一块板卡包含十几颗处理器（或DSP)已经很常见。强大的数据处理能力，促使系统互连技术必须向更高、更快的方向发展。

6 结束语

串行互连将与并行总线未来的很长一段时间内共同存在，但串行互连将在高速数据处理领域处于主导地位；而并行总线本身的时序性也决定它在控制领域中的延续。

文章分类： VME/VXS