介紹

光纖網絡為世界各地的新客戶帶來了快速寬帶的承諾。它越來越多地達到新的限制，但為了提供有保證的服務水平，必須有效地管理帶寬。這種有效性的一個重要因素是它如何與通過銅纜運行的其他網絡設備進行接口。

對光纖的偏好不僅僅是速度。光纖比銅線更輕更小，因此運營商可以支持更多連接。它有效地免受電磁干擾 （EMI） 的影響，并且比電纜更安全。在寬頻帶上，光纖的衰減也比銅要小得多。

然而，光纖的一個缺點是空間。因為源電信號必須轉換為光，然后再轉換回來，這需要一個靠近 PCB 邊緣的收發器模塊來端接每個通道的光纖的每一端。每個收發器通常需要通過串行接口（例如 I 2 C）進行控制。使用所有這些組件，所需的多個控制通道可能難以適應可用的 PCB 空間。

在本文中，我們將了解設計工程師如何減少分立元件的數量和電路板空間。通過使用鏈接到多個收發器的多端口擴展器，我們可以聚合串行控制通道并幫助簡化布局，同時降低物料清單 （BoM） 成本。

控制多個光收發器

收發器是高速光通信與網絡中電氣部件之間的接口，包括用于傳輸和接收的光組件。通過使用光發射器或光接收器以及一組透鏡，收發器將數字數據轉換為脈沖激光形式的光波，或從光波轉換為光波。

通道可以聚合在一起以實現更高的帶寬，這意味著網絡中需要多個收發器，并且可能在交換機或路由器中。隨著網絡變得更加復雜，通道（以及因此收發器）的數量增長到可能無法管理的比例。

使用通常用于每個通道的專用控制路徑，PCB 上所需的空間和功耗可能會變得不切實際地大。為了限制這一點，用于管理收發器的 FPGA 或 ASIC 將簡單地用完合適的引腳，如下圖 1 所示。

多端口擴展器來救援

為了克服這些問題，我們可以將多個中間設備（I2C 解復用器、LED 驅動器和電平轉換器）替換為可以控制多個模塊的單個部件，例如 Diodes Incorporated 的PI7C1401四端口擴展器（圖 2）。

每個四端口擴展器提供最多四個 I 2 C 或 SPI 接口的聚合。因此，無需將端口專用于每個接口，單個 FPGA 或 ASIC 可以通過單個 I 2 C/SPI 接口尋址和控制至少四個光學模塊（圖 3）。

最多可將 14 個PI7C1401設備與其輸入線或一起組合成一個鏈。這使主機處理器能夠通過一個 I 2 C/SPI 接口控制多達 56 個收發器，從而顯著降低引腳數最小值、PCB 空間要求和 BoM 成本。

由于主處理器通常以高處理頻率運行，它可以輕松地從單個接口處理多個低速端口。由于容量限制通常基于引腳數而不是處理性能，因此通過單個接口多路復用多個控制端口可以克服這一限制。

設備會自動配置它們的地址，因此每個部件不需要有唯一的地址。這立即增加了容量，并且在電路板空間允許的情況下，可以在現有設計中安裝和控制額外的光學模塊。

擴展功能

PI7C1401提供擴展的模塊管理功能，可以提高系統的整體性能。許多控制功能也可以卸載到端口擴展器上，從而釋放主機設備以專注于其他活動。這意味著可以選擇價格較低的主機處理器，從而降低成本和主機的路由層擁塞。

主機接口的速度是可選擇的，取決于所使用的協議。I 2 C 接口的運行頻率高達 1MHz，但當配置為 SPI 接口時，它的運行頻率高達 33MHz。PI7C1401 還具有 GPIO 引腳，可通過寄存器控制以實現管理功能。

一些低速接口規范，如 SFF-8472 和 SFF-8431，定義了邏輯設備地址。對于直接訪問，PI7C1401 可以使用地址映射方案使上游主機能夠發出下游讀或寫操作。端口擴展器還可以從下游模塊執行預取讀操作。

該數據存儲在 PI7C1401 的片上 32 字節 FIFO 中。數據的大小和地址是可配置的，預取操作可以通過中斷來調度或觸發。直接訪問比預取操作具有更高的優先級。

結論

隨著光纖在整個網絡中取代銅線，光接口的使用越來越多。管理這種擴展需要專用的控制通道，這會迅速消耗 PCB 空間。

設計人員無需通過添加更多控制通道來消耗資源，而是可以通過使用端口擴展器來處理這些多個通道來卸載許多端口管理任務。主機設備通過提高抽象級別更好地管理路由層任務，提高整體系統效率，同時通道聚合降低板空間要求和整體系統成本。