ทำไมไม่ใช้ 1Gbps เมื่อฉันต้องการเพียง 20Mbps

พื้นหลัง

ฉันทำงานกับลูกค้าในโครงการขนาดใหญ่ซึ่งต้องใช้ชิประบบเครือข่ายที่กำหนดเองเพื่อออกแบบเพื่อแก้ปัญหาความต้องการการถ่ายโอนข้อมูลภายในโครงการ เครือข่ายมีวัตถุประสงค์เพื่อส่งแพ็คเก็ตขนาดเล็กไม่กี่นิ้วจาก PCB หนึ่งไปยังอีกผ่านสายคู่บิดเดียว เราจะออกแบบและระบุโปรโตคอลเครือข่ายและ บริษัท อื่นจะรับผิดชอบการติดตั้งซิลิคอน

ฉันคาดการณ์ว่าอัตราข้อมูล 20Mbps ระหว่างโหนดจะรับมือกับปริมาณข้อมูลที่ต้องการส่งได้อย่างง่ายดายโดยมีพื้นที่เหลือเฟือจำนวนมากหากปริมาณข้อมูลเพิ่มขึ้นในอนาคต

ปัญหา

ลูกค้าถามว่าทำไมฉันถึงระบุเพียง 20Mbps ทำไมไม่ชอบ 1Gbps จะไม่ดีกว่านี้หรือ โดยสังหรณ์ใจฉันรู้สึกว่าการทำอัตราข้อมูลให้หนาแน่นเกินกว่าที่จำเป็นจะเป็นความคิดที่ไม่ดี ในตอนแรกฉันคิดว่าการต่อสายเคเบิลจะต้องมีการป้องกัน (ซึ่งฉันไม่ต้องการ) แต่เมื่อดูที่ประเภทสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตฉันเห็นว่า Gigabit Ethernet สามารถทำงานบนสายเคเบิล Cat 6 ซึ่งไม่จำเป็นต้องได้รับการป้องกัน

ข้อ จำกัด อื่น ๆ

• โครงการมีพื้นที่ จำกัด อย่างยิ่งและเราไม่มีที่ว่างสำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นสนามแม่เหล็กเว้นแต่เป็นองค์ประกอบที่เล็กมาก (0603 สูงสุด)
• สายเคเบิลจะต้องบางและยืดหยุ่นเท่าที่จะเป็นไปได้
• อุปกรณ์จะทำงานจากพลังงานปลั๊กอินดังนั้นจึงไม่มีข้อกำหนดเฉพาะด้านพลังงานต่ำ

คำถาม

มีปัญหาอะไรในแง่ของการออกแบบซิลิกอนการเดินสายเคเบิลและสิ่งอื่นใดที่อาจต้องเผชิญที่ 1Gbps ที่จะไม่เลวร้ายที่ความเร็ว 20Mbps? ฉันควรจะไปกับคำแนะนำของลูกค้าของฉันในการใช้เครือข่ายที่ 1Gbps หรือฉันควรยืนยันในการดำเนินการเฉพาะสิ่งที่จำเป็น?

เราอยู่ภายใต้ NDA ที่เข้มงวดดังนั้นฉันไม่สามารถให้รายละเอียดเกี่ยวกับความต้องการของเราได้มากเกินไป แต่โปรดแสดงความคิดเห็นหากต้องการคำชี้แจง

เหตุผลไม่กี่:

อำนาจ

ความเร็วที่เร็วขึ้นหมายถึงพลังงานที่มากขึ้น ไม่เพียง แต่คุณต้องใช้วงจรอะนาล็อกที่เร็วขึ้นเท่านั้นซึ่งจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมากกว่า แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดของคุณจะต้องเร็วขึ้น ระบบดิจิตอลของคุณแลตช์การจัดการนาฬิกาและอื่น ๆ หากคุณได้รับ 1 Gbps โดยใช้การส่งสัญญาณหลายระดับตอนนี้คุณต้องใช้ ADC และ DAC ที่ดีขึ้น คุณอาจต้องเริ่มจัดการกับการกรองที่ซับซ้อนมากขึ้น คุณสามารถเริ่มต้นต้องการ FEC ซึ่งจำเป็นต้องติดตามต่อไป

ขนาดชิป

เร็วกว่าหมายถึงการดำเนินต่อไป คุณต้องการความเสถียรของนาฬิกาที่ดีขึ้นซึ่งหมายถึงวงจรที่ใหญ่กว่า คุณต้องการเวลาที่ดีขึ้นซึ่งหมายถึงระบบกู้คืนนาฬิกาที่ซับซ้อนมากขึ้น คุณอาจต้องเปลี่ยนไปใช้ DSP เพื่อทำการปรับสมดุลช่องสัญญาณ FEC ที่คุณต้องการอาจต้องการชิปสเปซ

ความไวต่อสภาพแวดล้อม

หากคุณเปลี่ยนจาก megabaud ไปเป็นอะไรก็ตามที่จำเป็นสำหรับกิกะบิตคุณจะไวต่อสภาพแวดล้อมมากขึ้น ความไม่ตรงกันเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่อาจไม่สามารถสังเกตได้ที่สองถึงสิบ MHz นั้นจะกลายเป็นสตับที่มีความถี่สูงกว่า การสะท้อนอาจเริ่มก่อให้เกิดประสิทธิภาพเป็นระยะ ๆ สายเคเบิลที่มีการเจาะเนื่องจากการใช้งานที่ไม่เหมาะสมในช่วงหลายปีที่ผ่านมา (ฉันไม่ทราบว่าสภาพแวดล้อมของแอปพลิเคชันสำหรับผลิตภัณฑ์ของคุณ) อาจดีสำหรับความเร็วที่ต่ำกว่า แต่ทำให้ประสิทธิภาพต่ำเมื่อคุณสูงขึ้น

ความพยายามในการออกแบบ

ฉันคิดว่ามันชัดเจนจากทุกประเด็นที่ฉันกล่าวถึงข้างต้นว่าเวลาและความพยายามในการออกแบบการเชื่อมโยงการสื่อสารที่เร็วขึ้นมีความสำคัญ สิ่งนี้ควรมีเหตุผลเพียงพอ

อีเอ็มไอ

ความเร็วที่เร็วขึ้นหมายถึงการตอบสนองความต้องการของ EMI อาจยากขึ้น

สัญญาณ TTL (แบบปลายเดี่ยว, ไม่ จำกัด ) สามารถจัดการได้ 20 Mbps ขึ้นไป - ดูที่ SPI เป็นต้น หากคุณกำลังจะไปเพียงไม่กี่นิ้วสายเคเบิลแบบริบบิ้นและตัวเชื่อมต่อ IDC (หรือแบ็คเพลนแบบบางชนิด) จะพาคุณจากบอร์ดหนึ่งไปอีกกระดานหนึ่ง

1 Gbps นำคุณเข้าสู่อาณาจักรแห่งการจัดการกับร่องรอยการเชื่อมต่อและสายเคเบิลที่ควบคุมด้วยอิมพีแดนซ์ ตัวรับจะต้องใช้เทคนิค PLL / DLL เพื่อรักษาข้อมูลให้ตรงกันและแยกนาฬิกา / ข้อมูลในขณะที่ความเร็วช้าลงตรรกะแบบซิงโครนัสปกติจะเพียงพอ 50 × overkill และอาการปวดหัวเพิ่มเติมนั้นไม่คุ้มถ้าคุณแน่ใจว่า 20 Mbps จะเพียงพอสำหรับอนาคตอันใกล้นี้

ฉันเคยออกแบบ (25 หรือดังนั้นเมื่อหลายปีก่อน) โปรโตคอลบัสแบบกำหนดเองสำหรับการควบคุมบอร์ดกับบอร์ดและสถานะระหว่างบอร์ดในแร็คเทเลคอม จัดเรียงกากบาทระหว่าง I ² C และ SPI - สัญญาณทิศทางเดียวเช่น SPI แต่ที่อยู่อุปกรณ์ฝังตัวเช่น I ² C

คำถามที่ชัดเจนคือ "1 Gbps หมายถึง 1000BASET Ethernet หรือไม่" หากนั่นคือสิ่งที่ลูกค้าคิดอยู่ความต้องการของคุณคือ "เราไม่มีที่ว่างสำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นแม่เหล็ก" กฎที่ออกมาทันที Ethernet ใช้แม่เหล็กในเลเยอร์ทางกายภาพและเมื่อฉันออกแบบอินเทอร์เฟซเมื่อหลายปีก่อนแม่เหล็กนั้นเป็นส่วนหนึ่งของลูกบาศก์ขนาด 1 นิ้ว

คุณบอกว่าคุณกำลังใช้ FPGA แต่คุณไม่ได้บอกว่ามีใคร หากคุณกำลังจะไปกับ Xilinx คุณควรทราบว่ารุ่นปัจจุบันรองรับ LVDS ซึ่งดูเหมือนจะเหมาะสำหรับวัตถุประสงค์ของคุณ ระบบ LVDS รุ่นแรก (โทรทัศน์ความละเอียดสูง) ทำงานที่ 122 Mbps และเทคโนโลยีสามารถทำงานได้ดีกว่า Gbps หากคุณต้องการ เป็นความแตกต่างและสมมติว่าสองบอร์ดของคุณไม่ได้ใช้พื้นที่ที่ลอยอย่างดุเดือดภูมิคุ้มกันเสียงรบกวนเป็นเลิศ

สำหรับการเลือกความถี่สัญญาณนาฬิกาของคุณโดยเฉพาะการเพิ่มเฮดรูมมากกว่าที่คุณคิดว่าเป็นหนึ่งในการตัดสินใจที่สามารถบันทึกเบคอนของคุณในอนาคตดังนั้นฉันจะไม่แยกแยะการเลือก 100 MHz แต่ขึ้นอยู่กับคุณ คุณอาจรู้จักลูกค้าของคุณด้วยกฎของ Roberge (Jim Roberge เป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่มีชื่อเสียงที่ MIT เมื่อสองสามทศวรรษที่แล้ว): "ผู้ที่ขอแบนด์วิดท์มากกว่าที่พวกเขาต้องการสิ่งที่พวกเขาต้องการ" จริงอยู่ที่เขาพูดถึงระบบเซอร์โว แต่หลักการก็ยังคงดีอยู่ในสาขาวิชาที่หลากหลายอย่างน่าทึ่ง

แอปพลิเคชันที่คุณอธิบายไม่สมเหตุสมผลที่จะข้ามไปยังโซลูชันซิลิคอนแบบกำหนดเอง อัตราข้อมูลที่คุณคาดหวังสามารถจัดการได้อย่างง่ายดายโดยเทคโนโลยี FPGA ราคาปานกลางและโปรแกรม FPGA สามารถตั้งโปรแกรมให้ใช้โปรโตคอลพิเศษได้หากคุณเชื่อว่าจำเป็นต้องใช้โปรโตคอลดังกล่าว

บ่อยครั้งที่คุณควรพิจารณาเลเยอร์ทางกายภาพมาตรฐานแล้วสร้างโปรโตคอลที่กำหนดเองที่อยู่ด้านบน สำหรับแบนด์วิดท์ช่องสัญญาณสุทธิของ 20Mbps คุณควรวางแผนสำหรับค่าใช้จ่ายในโพรโทคอลจำนวนหนึ่งเนื่องจากการทำเฟรมการเข้ารหัสข้อผิดพลาดการตรวจสอบและการซิงโครไนซ์ทำให้แบนด์วิดท์ของคุณหมดไป ดังนั้นอาจพิจารณาแบนด์วิดท์ดิบที่สูงขึ้นเพื่อรองรับค่าใช้จ่ายนี้

เมื่อคุณพิสูจน์การออกแบบของคุณแล้วคุณสามารถไปที่ผู้จำหน่าย FPGA และให้พวกเขาสร้างการออกแบบชิปแข็งจากการเขียนโปรแกรม FPGA วิธีการนี้ช่วยลดความเสี่ยงในการพัฒนา แต่เนิ่น ๆ และลดค่าใช้จ่ายโดยรวมของ NRE ลงเป็นจำนวนมากในการ "ดำดิ่งสู่ซิลิคอนแบบกำหนดเองเพียงเพราะมันดูเท่ห์"

คำถามที่แท้จริงคือทำไมต้องออกแบบโปรโตคอลเมื่อทุกอย่างมีอยู่แล้ว

สำหรับโซลูชันของ Ethenet คุณใช้ 10/100 ไม่ใช่ 1GbE เพราะยังถูกกว่าเล็กน้อยและง่ายกว่าในการจัดวาง อย่างไรก็ตามอีเทอร์เน็ตสามารถทำงานได้โดยไม่มีแม่เหล็ก แต่มันต้องใช้ MAC ซึ่งสามารถเพิ่ม IC ได้ หรือคุณมีหนึ่งในไมโครคอนโทรลเลอร์?

20Mbps เป็นสิ่งที่เหมาะกับ Rs485 หรือเลเยอร์ดังกล่าวซึ่งราคาถูกกว่าและเรียบง่ายกว่า คู่บิดมาพร้อมกับสายเคเบิลทุกชนิดมีความยืดหยุ่นมากหรือน้อยพร้อมตัวเชื่อมต่อหรือบัดกรีกับ PCB ของคุณ

ที่สำคัญที่สุดคืออา ง่ายกว่าที่จะพลาดด้วย 1Gb แต่ถ้าพวกเขาต้องการพื้นที่สำหรับการเติบโตต่อไปมันจะ จำกัด น้อยกว่า

Bottom line: คุณต้องเข้าใจความต้องการของระบบของคุณ

ฉันขอแนะนำเส้นทางที่ง่ายที่สุดด้วยโอกาสที่ดีที่สุดของความสำเร็จและค่าใช้จ่ายซอฟต์แวร์น้อยที่สุดจะใช้การเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ต 100Mbps คุณสามารถใช้สิ่งนี้ได้โดยไม่ต้องมีสนามแม่เหล็กเมื่อระยะทางมีขนาดเล็ก

ต่อไปนี้เป็นข้อมูลเริ่มต้นเกี่ยวกับ Intel 8255 PCI-Ethernet controllerและหมายเหตุเกี่ยวกับการเชื่อมต่อที่ไม่มีแม่เหล็ก
ฉันไม่แนะนำให้คุณใช้ 8255 แต่คุณสามารถรับ IP (10/100 / 1000Mbps) สำหรับ FPGA ใด ๆ ที่คุณน่าจะใช้งานได้ง่ายมากและมันก็ดีบั๊ก

สมมติว่าคุณมีโปรเซสเซอร์ในการผสมผสานการสนับสนุนตัวควบคุมอีเธอร์เน็ตมาตรฐานเป็นความพยายามซอฟต์แวร์ที่ต่ำมากในการติดตั้งระบบเครือข่ายแบบจุดต่อจุด
เราใช้การเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุดแบบนี้กับเมนบอร์ดเฉพาะทางของ Intel พวกมันง่ายต่อการดีบักและเชื่อถือได้มาก

คำตอบที่นี่คือเทคนิคฉันให้มุมมองด้านวิศวกรรมความต้องการ:

มุมมองของฉันมันง่าย

• คุณต้องการอย่างน้อย 20Mbps เพื่อให้ทำงานได้ดังนั้นอย่าระบุ 20 แต่ "20 หรือมากกว่า" สำหรับแอปพลิเคชัน

• ฮาร์ดแวร์ที่เร็วกว่านั้นก็สามารถตอบสนองความต้องการของคุณได้เช่นกัน

• หาก HW ที่เร็วกว่านั้นถูกกว่า / พัฒนาได้ง่ายกว่าเนื่องจากมาตรฐานที่มีอยู่คุณก็สามารถปฏิบัติตามข้อกำหนดเหล่านี้ได้เช่นกัน

• หากลูกค้าต้องการมากขึ้นลองคิดดูว่ามีอะไรบางอย่างอยู่ข้างหลัง (อาจเป็นไปได้ว่าพวกเขาวางแผนอัพเกรดแล้วและต้องการใช้งานร่วมกันได้ระหว่างบอร์ดเมื่อทำการสลับ)

กำลังไฟความสมบูรณ์ของสัญญาณและเวลา ฉันทำงานกับชิปที่มีอินเตอร์เฟส 25 gbps และนั่นหมายถึงอัตราสัญญาณนาฬิกา 1.6 GHz และกำลังหนึ่งตัน หากเราสามารถทำงานที่ 19.2 อัตรานาฬิกาจะเป็น 1.2 GHz มาร์จิ้นพิเศษมากกว่า 200ps ต่อช่วงเวลาของนาฬิกานั่นจะเป็นประโยชน์อย่างมาก

ฉันไม่เคยออกแบบบอร์ดมาก่อน แต่ฉันคาดหวังว่า 20 Mbps จะไม่มีปัญหา 1 Gbps ยังไม่ยาก แต่หนักกว่า 20 Mbps