İhtiyacım olan tek şey 20 Mbps olduğunda neden 1 Gbps uygulamıyorsunuz?

Arka fon

Proje içindeki veri aktarım gereksinimlerini çözmek için özel bir ağ çipini gerektiren büyük bir projede bir müşteriyle çalışıyorum. Ağın, küçük paketleri bir bükülmüş çift kablo üzerinden bir PCB'den diğerine birkaç inç göndermesi amaçlanmıştır. Ağ protokolünü tasarlayıp belirleyeceğiz ve silikon uygulamasından başka bir şirket sorumlu olacak.

Düğümler arasındaki 20 Mbps veri hızının, gönderilmesi gereken veri miktarıyla kolayca başa çıkacağını tahmin ediyorum. Gelecekte veri miktarının artması durumunda, bol miktarda ana oda var.

Sorun

Müşteri neden sadece 20 Mbps belirttiğimi soruyor. Neden 1Gbps gibi bir şey değil? Bu daha iyi olmaz mıydı? Sezgisel olarak, veri hızını büyük miktarda gerekli olanın ötesinde topluyor olmanın kötü bir fikir olduğunu düşünüyorum. Başlangıçta, kablolamanın ekranlanmasının gerekli olacağını düşündüm (istemiyorum), ancak Ethernet kablosu kategorilerine baktığımda, Gigabit Ethernet'in korumalı olması gerekmeyen Cat 6 kablosu üzerinde çalışabileceğini görüyorum.

Diğer kısıtlamalar

• Proje umutsuzca sınırlı alan ve çok küçük bir bileşen olmadığı sürece (manyetik alan 0603) manyetik alan gibi şeylere yerimiz yok.
• Kabloların mümkün olduğunca ince ve esnek olması gerekir.
• Cihaz, prize takılı olduğundan çalıştırılacağından, düşük güç gereksinimi yoktur.

Soru

Silikon tasarım, kablolama ve 1Gbps'de karşılaşılabilecek 20Mbps'de neredeyse hiç bu kadar kötü olmayacak sorunlar nelerdir? Müvekkilimin 1Gbps'de ağı kurma önerisini kullanmalı mıyım, yoksa sadece gerekenleri uygulamakta ısrar mı edeyim?

Sıkı NDA altındayız, bu yüzden gereksinimlerimiz hakkında çok fazla ayrıntı veremiyorum. Ancak açıklama gerekirse lütfen bir yorum bırakın.

Birkaç sebep:

Güç

Daha yüksek hız daha fazla güç demektir. Sadece daha fazla güç tüketen daha hızlı analog devrelere ihtiyacınız yok, onları çevreleyen tüm elektronik cihazlarınızın daha hızlı olması gerekiyor. Dijital sistemleriniz, mandallarınız, saat yönetiminiz, vb. Daha karmaşık filtreleme ile uğraşmaya başlamanız gerekebilir. Ayrıca, yetişmesi gereken FEC’i talep etmeye başlayabilirsiniz.

Çip boyutu

Daha hızlı olmak daha fazla şey demek. Daha iyi saat kararlılığına ihtiyacınız var, bu da daha büyük devreler demektir. Daha iyi zamanlamaya ihtiyacınız var, bu daha karmaşık bir saat kurtarma sistemi anlamına gelir. Kanal eşitleme yapmak için DSP kullanmaya geçmeniz gerekebilir. Potansiyel olarak ihtiyaç duyduğunuz FEC, chipspace gerektiriyor.

Çevre duyarlılığı

Eğer onlarca megabauddan gigabit için ne gerekiyorsa ona geçerseniz çevreye karşı çok daha duyarlı olursunuz. Birkaç on MHz'de farkedilemeyen küçük uyumsuzluklar, yüksek frekanslarda rezonans saplamaları haline gelir. Yansımalar aralıklı performansa neden olabilir. Yıllar geçtikçe kötüye kullanım nedeniyle çentikli bir kablo (ürününüzün uygulama ortamını bilmiyorum) daha düşük hızlar için iyi olabilir, ancak daha yükseğe çıktığınızda performansın düşmesine neden olabilir.

Tasarım çabası

Yukarıda bahsettiğim tüm ek konulardan daha hızlı bir iletişim bağlantısı tasarlama zamanının ve çabasının önemli olduğu açık olduğunu düşünüyorum. Bu yalnız başına bir sebep olmalı.

EMI

Daha yüksek hız, EMI gereksinimlerini karşılamanın daha zor olabileceği anlamına gelir.

TTL (tek uçlu, sonlandırılmamış) sinyaller 20 Mbps veya daha fazlasını kolayca kullanabilir - örneğin SPI'ye bakın. Yalnızca birkaç inç gidiyorsanız, şerit kablo ve IDC konektörleri (veya bir tür arka panel) tahtadan panele sizi alır.

1 Gbps, empedans kontrollü izler, konektörler ve kablolarla uğraşmak zorunda olduğunuz alemine girmenizi sağlar. Alıcıların senkronizasyonu sürdürmek ve saat / veriyi ayırmak için PLL / DLL tekniklerini kullanmaları gerekirken, daha yavaş hızda normal senkron mantığı yeterli olacaktır. Öngörülebilir gelecek için 20 Mbps'nin yeterli olacağından eminseniz, 50 × üst katlanma ve ilave baş ağrıları buna değmez.

Bir keresinde (25 yıl ya da daha önce) bir telekom rafındaki kartlar arasında kart kontrolü ve durumu için özel bir seri veri yolu protokolü tasarladım. I arasında bir haç sıralama ² C ve SPI haçları sıralama - SPI gibi tek yönlü sinyaller, ancak I ² C gibi gömülü aygıt adresleri

Açık soru, "1 Gbps, 1000BASET Ethernet demek mi?" Müşterinin düşündüğü şey buysa, gereksiniminiz, “manyetikler gibi şeylere yerimiz yok” kurallarını hemen belirtmektir. Ethernet, fiziksel katman üzerinde manyetikler kullanıyor ve birkaç yıl önce bir arayüz tasarladığımda, manyetikler kabaca 1 inçlik bir küpün parçasıydı.

FPGA kullandığını söylüyorsun ama kimin olduğunu söylemiyorsun. Xilinx ile gidecekseniz, mevcut modellerin doğal olarak LVDS'yi desteklediğini ve bunun amacınız için ideal gibi görüneceğini bilmelisiniz. Erken LVDS sistemleri (yüksek çözünürlüklü televizyonlar) 122 Mbps'de çalışıyordu ve gerçekten ihtiyaç duyduğunuzda teknoloji bir Gbps üzerinden iyi gidebiliyordu. Diferansiyel olmak ve iki tahtanızın çılgınca yüzer zemin kullanmadığı varsayılırsa, gürültü bağışıklığı mükemmeldir.

İstediğiniz saat frekansı seçiminize gelince, ihtiyacınız olduğunu düşündüğünüzden daha fazla tavan boşluğu eklemek, gelecekte pastırmanızı kurtarabilecek kararlardan biridir, bu yüzden 100 MHz gibi bir şey seçmeyi ekarte etmem ama bu size kalmış. Müşterinize Roberge Yasası hakkında bilgi verebilir (Jim Roberge, birkaç on yıl önce MIT'de tanınmış bir elektrik mühendisliği profesörüdür): "Ne elde ettiklerini hak ettiklerinden daha fazla bant genişliği isteyenler". Kabul edildiğinde, servo sistemlerden bahsediyordu, ancak prensip, oldukça geniş disiplinler yelpazesinde iyi kalıyor.

Tarif ettiğiniz uygulama doğrudan özel bir silikon çözeltisine atlamak için bir anlam ifade etmiyor. Beklediğiniz veri hızları orta fiyatlı FPGA teknolojisi ile kolayca idare edilebilir ve eğer böyle bir protokole ihtiyaç duyulduğuna gerçekten inanıyorsanız, FPGA özel protokolü uygulamak için programlanabilir.

Çok daha sık, standart bir fiziksel katman düşünmelisiniz ve ardından özel protokolü bunun üzerine kurmalısınız. 20Mbps'lik bir net comm kanalı bant genişliği için, bir miktar protokol yükü planlamalısınız, çünkü çerçeveleme, hata kontrolü kodlaması ve senkronizasyon bant genişliğinizin bir kısmını yiyor. Belki de bu ek yükü almak için daha yüksek bir ham bant genişliği düşünün.

Tasarımınızı kanıtladıktan sonra FPGA satıcısına gidebilir ve FPGA programlamadan sert bir talaş tasarımı üretmelerini sağlayabilirsiniz. Bu yaklaşım, tüm erken gelişme riskini azaltır ve genel NRE maliyetlerini “sadece göründüğü için özel silikona dalma” üzerinde muazzam miktarda azaltır.

Asıl soru, neden zaten her şey varken bir protokol tasarlamanız.

Ethenet çözümleri için 10/100 alıyorsunuz ve 1GbE alıyorsunuz çünkü düzeni biraz daha ucuz ve daha kolay. Bu arada, Ethernet manyetik olmadan çalışabilir. Ancak, ekstra IC olabilen MAC gerektirir. Yoksa bir mikrodenetleyicide var mı?

20 Mbps, Rs485'e veya daha ucuz ve daha basit olan bu katmana uyan bir şeydir. Bükümlü çiftler, her türlü kablo ile birlikte gelir, az ya da çok esnek, konektörlü veya sadece PCB'nize lehimlenebilir

Ah, en önemlisi. 1Gb ile karıştırmak daha kolay. Ancak, daha fazla büyüme için odaya ihtiyaçları varsa, daha az sınırlar.

Alt satır: sistem gereksinimlerinizi anlamanız gerekir.

En iyi başarı olasılığına sahip en basit rota ve en az yazılım ek yükünün 100Mbps Ethernet bağlantısı kurmak olacağını öneririm. Bunu, mesafeler küçük olduğunda ilgili herhangi bir manyetik olmadan gerçekleştirebilirsiniz.

İşte Intel 8255 PCI-Ethernet denetleyicisi hakkında bilgi ve manyetik olmayan bağlantılar hakkında bir uygulama notu .
8255'i kullanmanızı önermiyorum, ancak çok kolay kullanabileceği herhangi bir FPGA için IP (10/100/1000 Mbps) alabilirsiniz ve hata ayıklanır.

Karışımda bir işlemciniz olduğunu varsayarsak, standart bir Ethernet denetleyicisini desteklemek, noktadan noktaya ağ kurmayı uygulamak için çok düşük bir yazılım çabasıdır.
Intel'de uzmanlaşmış anakartlar üzerindeki bağlantıları işaret etmek için bu türden bir demet kullandık, hata ayıklamaları kolay ve çok güvenilirdi.

Buradaki cevaplar teknik, şartlar mühendisliği perspektifini veriyorum:

Benim görüşüm basit

• Çalışması için en az 20 Mbps'ye ihtiyacınız vardır, bu nedenle uygulama için 20 değil, "20 veya daha fazla" belirtmeyin.

• daha hızlı bir donanım da gereksinimlerinizi karşılar

• Mevcut standartlar nedeniyle HW'nin daha hızlı olması daha ucuz / daha kolaysa, gereksinimleriniz de bu şartlar altında yerine getirilebilir.

• Müşteri daha fazlasını isterse, arkasında bir şey olup olmadığını anlamaya çalışın (zaten yükseltme planlıyorlar ve değiştirirken panolar arasında uyumlu kalmak istiyor olabilirler)

Güç, sinyal bütünlüğü ve zamanlama. 25 gb / s ara yüze sahip bir çip üzerinde çalıştım ve bu da 1,6 GHz'lik bir saat hızı ve bir güç anlamına geliyordu. 19.2'de koşmuş olsaydık saat hızı 1.2 GHz olurdu. Saat başına 200 sn'den fazla ekstra marj, bu çok büyük bir yardım olurdu.

Tahta tasarımı yapmadım ama 20 Mbps'nin sorun olmadığını düşünüyorum. 1 Gbps hala zor değil ama 20 Mbps'den çok daha zor.