高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)器CY7B923/933及應(yīng)用

串行數(shù)據(jù)傳輸可實(shí)現(xiàn)長距離高速通信，且電纜線少、成本低、安裝方便，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用，并日趨成為長距離數(shù)據(jù)通信的主要方式。CYPRESS公司的數(shù)據(jù)收發(fā)器CY7B923/933使用方便、可靠性好，可廣泛用于長距離高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信中，如光纖通信設(shè)備、工作站與海量存儲(chǔ)互連、視頻點(diǎn)播、語音圖像多媒體傳輸設(shè)備及其它長距離高速串行通信場合。CY7B923/933性能特點(diǎn)如下：

·適用于Fibre Channel、IBM ESCON、ATM；

·8B/10B編碼傳輸或不編碼直傳，傳輸速為160、330、400Mbps三檔；

·最大傳輸距離（330Mbps的參考值）為：光纖幾千米，同軸電纜150米，屏蔽雙絞線80米，非屏雙絞線40米；

·具有較強(qiáng)的自檢功能；

·單一+5V電源；

·TTL同步I/O。

1 結(jié)構(gòu)原理及功能

圖1是CY7B923的邏輯方塊圖，其功能是將8bit并行TTL輸入數(shù)據(jù)（D0～D7）轉(zhuǎn)換為PECL串行差分位流輸出。輸入寄存器用于輸入數(shù)據(jù)，同序與標(biāo)準(zhǔn)FIFO一致，使能端ENA和ENN可選擇時(shí)鐘上升沿寫入數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)由編碼器編碼為便于串行鏈路傳輸?shù)?B/10B傳輸碼，由SC/D（專用字/數(shù)據(jù)）端電平控制，將D0～D7輸入編成數(shù)據(jù)碼或?qū)Ｓ米执a。時(shí)鐘發(fā)生器含有一個(gè)鎖相環(huán)PLL，將發(fā)送器時(shí)鐘CKW（數(shù)據(jù)按字節(jié)輸入的時(shí)鐘）十倍頻形成位時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)移位寄存器。移位寄存器將數(shù)據(jù)變成串行位流，分三路同時(shí)輸出，F(xiàn)OTO可關(guān)閉OUTA和OUTB輸出。自檢邏輯產(chǎn)生通信系統(tǒng)自檢用發(fā)送信號(hào)。

圖2 是CY7B933的邏輯方塊圖，其功能是將INA或INB的PECL串行差分輸入位流轉(zhuǎn)換為8bit并行TTL數(shù)據(jù)輸出Q7～Q0。時(shí)鐘同步器內(nèi)嵌鎖相環(huán) PLL跟蹤輸入數(shù)據(jù)位流的頻率，產(chǎn)生與發(fā)送時(shí)鐘同步的時(shí)鐘。移位寄存器按位接收串行數(shù)據(jù)，在同步時(shí)鐘作用下將數(shù)據(jù)按位送往成帖器。成帖器使位流數(shù)據(jù)正確地為原始數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ米?，用RVS=H作數(shù)據(jù)違規(guī)或RD（Running Disparity）錯(cuò)的報(bào)錯(cuò)信號(hào)。串/并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從輸出寄存器Q7～Q0并行輸出。

2 工作模式及8B/10B編碼

CY7B923/933有編碼、直傳兩種工作模式及自檢模式，由MODE、BISTEN端信號(hào)控制。

2.1 編碼模式

MODE =1，收發(fā)送器工作于8B/10B編碼模式，即8位數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ米钟?B923編碼為10位的傳輸碼再逐位傳送。10位傳輸碼包括了所有256個(gè)8位組合，這些代碼符合ANSI X3.230（Fibre Channel）及IBM ECSON Channel規(guī)范。使用傳輸碼的優(yōu)點(diǎn)是：（1）使傳輸過程1與0的數(shù)目均衡，每個(gè)8B的數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ米謱?duì)應(yīng)兩個(gè)10B的傳輸碼，用參數(shù)RD表征傳輸1及0 的狀況。若1比0多則RD取正值，下一個(gè)字節(jié)發(fā)送0的狀況。若1比0多則RD取正值，下一個(gè)字節(jié)發(fā)送0比1多的傳輸碼。反之，則RD取負(fù)值，下次發(fā)送1比 0多的傳輸碼，這樣可保證傳輸?shù)闹绷鞒煞纸咏?，基線漂移減至最?。唬?）附加位能保證串行位流中有足夠的躍變，使接收器能從這些躍變中恢復(fù)發(fā)送時(shí)鐘；（3）這種編碼大大增加了探測位錯(cuò)或多位錯(cuò)的可能性，一些專用字使用獨(dú)特的位組合，容易識(shí)別，可幫助接收器數(shù)據(jù)成幀；（4）可用同種編碼傳輸數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ米?。若為?shù)據(jù)，SC/D端應(yīng)加低電平，編碼使用數(shù)據(jù)字符集，專用字符包含F(xiàn)ibre Channel、ESCON和其它專用系統(tǒng)以及用于診斷的所有協(xié)議字符。診斷字符可用于測試Fibre Channel等的連接、診斷系統(tǒng)對(duì)故障的響應(yīng)、系統(tǒng)的時(shí)序等。8B數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ米志幋a為10B傳輸碼通過查編碼表實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)于RD正負(fù)兩種取值，每個(gè)數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ米钟袃煞N編碼，發(fā)送器先取正或負(fù)值為RD初值，根據(jù)要發(fā)送的數(shù)據(jù)或?qū)Ｓ米旨爱?dāng)前的RD值，查8B對(duì)應(yīng)的10B代碼即實(shí)際發(fā)送的傳輸碼，并計(jì)算該傳輸碼的RD值作為當(dāng)前值，與下個(gè)要傳送數(shù)據(jù)共同查表確定下一個(gè)傳輸碼。

2.2 直傳模式

MODE=H，收發(fā)送器工作于直傳模式，即收發(fā)送器直接傳輸數(shù)據(jù)不編碼，編碼和解碼由外部協(xié)議控制器完成。輸入分成10位，數(shù)據(jù)需預(yù)先編碼，編碼方式任意，但需保證有足夠的躍變密度（每10位至少一次），使接收器鎖相環(huán)能正確鎖定相位，且編碼需與傳輸介質(zhì)兼容。

無論是編碼模式還是直傳模式，若處于空閑狀態(tài)（時(shí)鐘CKW上升沿時(shí)ENA=ENN=H），編碼器將自動(dòng)插入同步字K28.5（即C5.0）以保證接收器與發(fā)送器處在同步狀態(tài)。

2.3 自檢模式

BISTEL =1，收發(fā)送器工作于自檢模式，7B923可分別發(fā)送兩種信號(hào)來檢測整個(gè)通信鏈路是否正常：一種是1與0相間的連續(xù)信號(hào)；另一種是循環(huán)發(fā)送的偽隨機(jī)序列信號(hào)。若為后者，7B923輸入寄存器轉(zhuǎn)換成線性反饋移位寄存器LFSR，它可產(chǎn)生一組511個(gè)字節(jié)的偽隨機(jī)代碼序列，包括了所有的數(shù)據(jù)字和專用字。 7B933將輸出寄存器也變成LFSR，產(chǎn)生與發(fā)送器相同的偽隨機(jī)代碼序列，并與接收的序列相比較。若相同，則整個(gè)通信系統(tǒng)工作正常，否則為異常，使 RVS=H給出錯(cuò)誤信號(hào)。每次循環(huán)，7B923的RP及7B933的RDY都將輸出一脈沖，此脈沖可用于記錄循環(huán)次數(shù)以控制自檢時(shí)間。7B923還可發(fā)送違規(guī)信號(hào)，以檢測報(bào)錯(cuò)系統(tǒng)是否正常。這些信號(hào)都大大方便了故障診斷。

3 CY7B923/933應(yīng)用電路

圖3 為采用CY7B923/933實(shí)現(xiàn)的單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用電路。主機(jī)發(fā)送控制命令，通過控制邏輯控制CY7B923/933工作在傳輸或自檢模式。這里控制邏輯用FPGA實(shí)現(xiàn)，也可采用其它數(shù)據(jù)邏輯器件實(shí)現(xiàn)。控制電路應(yīng)包含RP、RVS端的檢測，以判斷系統(tǒng)工作正常與否，及時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤處理。主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速度一般與CY7B923/933不一致，發(fā)送端及接收端都需設(shè)置數(shù)據(jù)緩存，緩存一般用FIFO，我們采用CYPRESS公司的CY7C45系列，它可與 CY7B923/933組成無縫接口。若用FIFO的標(biāo)志位作控制信號(hào)，則應(yīng)注意標(biāo)志延遲時(shí)間。CY87B933的輸出信號(hào)CKR，可作為其輸出數(shù)據(jù)寫入 FIFO垢時(shí)鐘，RDY可作寫FIFO使能信號(hào)，使用RDY的優(yōu)點(diǎn)是同步字串到它無效，自動(dòng)濾除同步字串，這就保證了只將有獎(jiǎng)懲數(shù)據(jù)寫入FIFO，避免同步字將FIFO填滿。電路板設(shè)計(jì)應(yīng)采用四層板，CFY7B923/933的位置應(yīng)靠近雙絞線接口使連線最短，連線長度應(yīng)盡量保持對(duì)稱。輸出輸入端都應(yīng)接匹配電阻，如圖3所示。R1、R2阻值由下式給出：R1=(VccRt)/Vtt;R2=(VccRt)/(Vcc-Ctt)。式中，Rt為傳輸線阻抗；Vtt=Vcc-2V。Vcc=5V，UTP雙絞線阻抗為100Ω，則R1=183Ω,R2=275Ω。

作者在一VME總線長距離高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信系統(tǒng)中，采用最大數(shù)據(jù)傳輸率為330Mbps的標(biāo)準(zhǔn)CY7B923/933ey UTP雙絞線，實(shí)現(xiàn)了400Mbps的串行數(shù)據(jù)傳輸，工作穩(wěn)定可靠，誤碼率小于10 -10。該工作是在中科院高物理研究所過雅南研究員、趙棣新研究員的指導(dǎo)下完成的，在此表示衷心地感謝！