介绍标准串行交换技术分析PCI Express与先进交换标准特性

随着网络系统逐渐变得更为复杂和智能化，最终产品从系统硬件到其软件都在追求与众不同。这个趋势正在推动工业向着标准的硬件协议和互连方向发展。本文将讨论影响这些通信协议与互连的基础，详细介绍串行交换市场的通信协议——PCI Express和先进交换（advanced Switching）互连。

背板互连的特性

背板是一个位于机架内的互连装置，它可能有或没有智能，不过通常上面可以有各种插卡和电路板插在插槽上。被动式的背板电路可能需要使用电阻，一个智能的或主动的背板可能还有处理器或一些控制驱动器电路。过去，背板互连一直是附加的物理端口（插头、插座）或无线端口（发射器、接收器）装置。在大部分情况下，背板上会为交换卡保留1到2个插槽，作为背板的基础架构和逻辑层。

通常，19英寸机架中的背板通信协议要求在板之间使用阻燃绝缘材料（FR4）的带有2个连接器的大约40英寸长的布线，以及一个2～40Gbps的集成线卡。在这样的速度下，串行传输是唯一可行的方法，另外需要一个解码机制来解决封包和单元传输与带内调节。重要的是，系统的集成能力将决定背板线的数量和每条线所需的数据传输速度。背板“逻辑上”会包含一条交换光纤供各层级的互连，这里的系统能力就是线卡速度的总和，并与交换光纤的效率直接相关，交换光纤的效率是由第一层端口的数量和速度决定的。另外，还需考虑数据的完整性、由热引发的发送器位错误率（bit-error-rate）的回弹、错误监测与恢复等问题。

当选择背板互连协议时，必须谨慎地考虑系统的设计标准。整个数据传输服务的挑战是如何解决在一个处理系统中不同元件的共享与移动问题，也就是背板互连与其他元件必须互相搭配。在多重处理的情况下，数据必须在应用、任务或寄存器间尽其可能地无缝转移。此外，网络流量最好以数据流的形式传输。在高效运算区域（或类似的处理系统），还必须考虑CPU域中间或CPU与所存取的远端元件的抽象化程度。如果需要直接的寄存器存取，就需要一个完成这个存取传输的基于信息或网络的协议，但是这会增加负载量。有了网络数据的传输，数据传输的特性就能与直接应用在上面的通信协议一致。

网络服务质量（QoS）是背板互连的重要特性。QoS的主要内涵是在完全拥塞情况下对最高优先权级别的流量延迟和信号抖动的满足。

网络架构

接近网络核心的交换机或路由器架构通常需要更高的线路速度，还需要更多的冗余单元和更强的分布处理功能。为了提高性能与QoS，交换机和路由器的背板互连技术长期以来一直使用特殊的通信协议，最常见的数据流传输是封包唤醒（packet-aware）和基于单元（cell-based）的算法。不过，诸如先进交换等开放互连标准出现后，不但提供了同样的功能，更带来了标准化芯片的好处。

总之，系统内处理功能的紧密耦合是决定采用什么样的背板互连解决方案的关键，如先进交换适用于中度耦合（medium-coupled）的多重域，数据可在同一应用内的处理程序间进行传输，域的独立性与扩充能力是必需的。而PCI Express则是另一种通信协议，可用于中度耦合的应用，并不需要域的独立性。

标准串行交换

在过去，交换系统必须依赖于宽的平行总线和专用的交换架构。最近几年，这些平行架构已开始由采用交换元件之间高速串行连接的交换机取代。虽然交换系统或芯片仍有许多使用专利技术的协议和算法，但在不久的将来，标准串行交换技术一定会迅速成长，目前最可能为大众接受的两种协议是PCI Express与先进交换架构。

PCI Express

PCI Express架构是一种开放标准，可满足现在、未来计算和通信产业发展的多种系统的互连需求。该架构具有灵活、可扩展、高速、串行、点对点、可与PCI架构软件兼容的热插拔互连等性能。

在计算行业，PCI Express架构已经有大批忠实的追随者，例如，包括FPGA开发商等主要IP核厂商都已在芯片设计中采用了许多PCI Express架构的IP核，主要的IP认证供应商也为设计人员提供了PCI Express架构的认证编码和工具。开发工具和测试设备的领导厂商已在产品中支持PCI Express架构，领先的代工厂在工艺中也采用了PCI Express架构。ASIC和FPGA器件制造商在设计中融入了PCI Express技术，以太网、存储和I/O处理器、交换机、桥接器制造商也开发了相关架构的元件。由于芯片制造商可利用计算行业的基础产品和服务开发通信行业所需的产品，使PCI Express同样受到重用。Intel与IDT两个芯片厂商是支持PCI Express的主要厂商。

先进交换标准

基于PCI Express架构的先进交换标准是在板对板、板对背板和板对光纤设计的处理器对处理器，以及处理器对I/O器件互连的先进技术。 其迅速的发展已受到IDT等多家芯片厂商的重视。先进交换标准覆盖了PCI Express技术的核心，增加了数据处理层（transaction-layer）的功能，有助于灵活执行协议封包、对等传输、动态重新配置、多点传送等等。先进交换标准由先进互连特别小组（ASI-SIG）推动与支持，参与厂商包括Agere Systems、Alcatel、Huawei Technologies、Intel Corpo-ration、Siemens Information、Communi-cation Net-works、Vitesse和Xilinx等。

由于计算与通信产品有逐渐融合的趋势，通用I/O互连界面的需求越来越迫切。今天，厂商投入了无数的资源开发昂贵的、定制化的ASIC，希望能与整个大环境互通共存，业界也同时面临着缩短产品上市时间和降低研发成本的巨大压力，所以厂商急需现成的标准元件，以满足融合架构的技术需求，推出激烈竞争的通信行业所需的低成本产品。

要满足厂商和开发商技术与业务方面的需求，就要考察通向新兴的互连环境所需的所有技术，选择最完美的互连标准。先进交换互连架构是唯一能满足需求的技术，它可满足计算环境的融合，为芯片对芯片的连接和通信结构的设计提供最佳的效率，同时也是多点、对等交换的互连标准，可实现任何协议封包、多重信息传输机制、包括拥塞管理和扩展高可用性的QoS等功能。先进交换和PCI Express架构使用同样的物理与数据连接层，因此能直接利用在2004年主导市场发展的PCI Express庞大的产业系统的好处。

先进交换架构的标准化为计算与通信产业带来了无限的商机，这是现有PCI规范、任何的特殊解决方案或技术都无法比拟的。先进交换为PCI提供了透明度、强大的可扩展性和灵活性，有助于促进向AS技术的进展及新系统的开发。不像其他现有技术，先进交换可使设计人员保留技术开发过程中新开发的功能、特色和利益，让后来的开发者重新使用以降低成本。最后，厂商将有更多的时间和资源投入产品个性化的开发。