CN108234262A - 一种基于光纤传输的数据总线延长装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传输的数据总线延长装置及方法，装置包括主机卡、光纤组件和目标卡，主机卡包括PCIE总线接口模块、信号处理模块、控制模块和电源模块；PCIE总线控制电路采用寄存器可配置的PCIE总线控制芯片，电阻网络设置在PCIE总线的数据发送端与光电转换模块之间；目标卡包括PCIE总线输入接口、时钟Buffer、交换模块、和桥接模块，以及与主机卡功能一致的电源模块、控制模块和信号处理模块。本发明可以将PCIE、PCI、CPCIE、CPCI、SATA、USB总线延长，用于系统装备机内和机间的高速互联和远距离通信；可以将宿主设备的PCIE总线延长至环境试验箱中，同时实现多路板卡的测试。

Description

一种基于光纤传输的数据总线延长装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤传输的数据总线延长装置及方法。

背景技术

目前计算机、服务器和存储设备采用的数据传输总线包括以太网、PCIE、PCI、CPCIE、CPCI、SATA、USB、RS232、IIC等。其中PCIE、PCI、CPCIE、CPCI、SATA、USB总线的抗衰减能力较弱，传输距离短，只能用于近距离数据传输。当距离较远的不同设备需要进行数据传输时，只能采用网络协议进行转换传输。从而导致硬件和软件设计成本增加。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种基于光纤传输的数据总线延长装置及方法，先利用光电转换技术将PCIE总线信号转换为光信号传入光纤，延长至从端设备，再利用PCIE总线交换电路和桥接电路，将PCIE总线复用为PCIE、PCI、CPCIE、CPCI、SATA、USB总线，从而实现数据总线的延长。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光纤传输的数据总线延长装置，包括主机卡、光纤组件和目标卡，其中：

所述主机卡包括PCIE总线接口模块、信号处理模块、控制模块和电源模块；所述PCIE总线接口模块包括PCIE总线输入接口、时钟Buffer和PCIE总线输出接口；所述信号处理模块包括PCIE总线控制电路和电阻网络，PCIE总线控制电路采用寄存器可配置的PCIE总线控制芯片，所述电阻网络设置在PCIE总线的数据发送端与光电转换模块之间；

所述光纤组件包括光纤两端连接的主端光电转换模块和从端光电转换模块，分别与主机卡和目标卡连接；

所述目标卡包括PCIE总线输入接口、时钟Buffer、交换模块、和桥接模块，以及与主机卡功能一致的电源模块、控制模块和信号处理模块。

本发明还提供了一种基于光纤传输的数据总线延长方法，主机卡信号处理模块的PCIE总线控制电路用于PCIE总线协议物理链路控制和建立，在上电初始化时，完成各项状态信息的交互和握手。在数据交互过程中，控制数据传输；PCIE总线控制电路通过控制模块中的单片机IIC总线，读写空闲状态管理的寄存器，在该寄存器的相应标志位上写入有效值，启动忽略进入空闲状态的功能；当PCIE总线的接收端检测到电压小于75mv时，PCIE总线控制芯片禁止进入空闲状态；所述寄存器的配置在握手之前上电之后马上执行，完成配置后再进行握手。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明可以将PCIE、PCI、CPCIE、CPCI、SATA、USB总线延长，用于系统装备机内和机间的高速互联和远距离通信，具有较强的实用性和应用价值。同时，目前PCIE、PCI、CPCIE、和CPCI接口板卡在做环境试验时，只能与宿主设备一起放入试验箱中，才能准确测试板卡功能和性能，因此该方法存在试验成本过高，测试数量较少等缺点。而通过本发明可以将宿主设备的PCIE总线延长至环境试验箱中，再通过交换和桥接转换为多路PCIE、CPCIE、PCI和CPCI。同时实现多路板卡的测试。将宿主设备与板卡分离，有效降低试验成本。

本发明具有以下创新点：

(1)在PCIE接口的数据接收端并入电阻网络，模拟从设备在线，再通过PCIE总线控制电路完成握手协议。从而实现PCIE光通信链路建立。

(2)在不改变接口协议的情况下，实现PCIE、PCI、CPCIE、CPCI、SATA、USB总线远距离传输。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的系统构成图；

图2为本发明的主机卡的结构示意图；

图3为电阻网络的结构示意图；

图4为光纤组件的结构示意图；

图5为目标卡的结构示意图。

具体实施方式

一种基于光纤传输的数据总线延长装置，如图1所示，包括主机卡、光纤组件和目标卡。

一、主机卡包括PCIE总线接口模块、信号处理模块、控制模块和电源模块。如图2所示。

1、PCIE总线接口模块：包括PCIE总线输入接口、时钟Buffer和PCIE总线输出接口。

PCIE总线输入接口采用标准的金手指接口，将上位机的PCIE总线引入到主机卡中。

时钟Buffer功能是将上位机输入的单路100MHz差分时钟分为三路100MHz差分时钟，一路时钟接入PCIE总线输出接口，作为后级PCIE总线的时钟源，另外两路用于信号处理模块中PCIE总线控制芯片。为保证时钟的相位一致，时钟Buffer必须采用专业的PCIE时钟芯片。

PCIE总线输出接口可采用PCIE延长线缆规范中定义的标准插座和紧固件，也可以使用常用的光模块插座，满足PCIE总线速率即可。同时为适应多种场合的使用，接插件必须带紧固功能。PCIE总线输出接口还需要引入3.3V电源，用于主端光电转换模块供电。

2、信号处理模块：包括PCIE总线控制电路和电阻网络。

PCIE总线控制电路：主要由PCIE总线控制芯片及外围电路组成，用于PCIE总线协议物理链路控制和建立。在上电初始化时，完成各项状态信息的交互和握手。在数据交互过程中，控制数据传输。

在PCIE总线规范中，为降低设备功耗，定义了“空闲”状态，当接收端检测到差分信号D+和D-之间差值小于75mv时，可以进入空闲状态。当进入空闲状态后，PCIE总线的发送端驱动电压D+和D-对地电压相同，差分电压为0V。从而导致光电转换模块在二次接收数据时出现丢包现象。因此要避免PCIE总线控制电路在发送数据过程中错误的进入空闲状态。本发明中，PCIE总线控制电路选用寄存器可配置的PCIE总线控制芯片，通过控制模块中的单片机IIC总线，读写空闲状态管理的寄存器，在该寄存器的相应标志位上写入有效值，启动忽略进入空闲状态的功能。当PCIE总线的接收端检测到电压小于75mv时，总线控制芯片会自动跳过该因素，禁止进入空闲状态。该寄存器的配置是握手之前，上电后马上执行，完成配置后，再进行握手。

根据PCIE总线规范，PCIE总线复位后，发送端会发送检测脉冲，经过从设备的输入阻抗后，根据产生电流强弱来判断从设备是否在线。只有检测到从设备在线，才进行下一步握手。在本发明中，PCIE总线的数据发送端后级接入的是光电转换模块，而不是从设备。对于光电转换模块，其输入阻抗较高，产生的电流较小，如果将光电转换模块直接接入发送端，则发送端将误以为无从设备接入。而不能继续进行握手。因此在本发明中，在PCIE总线的数据发送端与光电转换模块之间，加入电阻网络对光电转换模块的输入阻抗进行匹配，降低发送端的负载阻抗，模拟从设备在线。

在PCIE总线规范中定义了接收端在正常工作下直流共模电阻在40-60欧姆范围内。本发明中的电阻网络如图3所示，由R1-R6、C1-C2组成。由于光电转换模块的输入阻抗远远大于电阻网络，因此可忽略不计，通过调整R1-R6的阻值，让发送端的负载直流阻抗处于40-60欧姆之间。当发送端发送检测脉冲后，经过AC耦合电容C1和C2，在电阻网络上将产生较大电流值，达到发送端检测从设备是否在线的电流阀值，从而判断出从端在线。

3、控制模块主要由单片机及外围电路组成，将单片机的IIC总线与PCIE总线控制芯片相连。按照IIC总线协议对PCIE总线控制芯片的寄存器进行读写操作。配置的寄存器主要有时钟模式、工作模式、速率、初始化等。同时寄存器的配置必须在上电后短时间内完成，完成后才能进行握手和数据交付。

4、电源模块，电源模块主要用于主机卡的供电，电源输入来自金手指输入的12V、3.3V和3.3V常备，与上位机的电源时序保持一致。同时电源模块产生的电源时序必须满足主机卡上各模块的上电时序。

二、光纤组件包括主端光电转换模块、光纤和从端光电转换模块，如图4所示。主端光电转换模块与主机卡连接，从端光电转换模块与目标卡连接。接插关系不能颠倒。

1、主端光电转换模块包括电信号接口和光电转换模块。

电信号接口主要与主机卡的PCIE总线输出接口相连。接插件均采用高速接插件，满足电信号数据传输速率。

光电转换模块主要用于光信号和电信号之间的相互转换。光模块的速率必须大于5Gbps。

2、光纤选用多模光纤，50/125um MMF。

3、从端光电转换模块包括电信号接口、光电转换模块和时钟电路。其中电信号接口和光电转换模块功能与主端一样。

时钟电路主要用于产生100MHz的差分时钟信号，该时钟用于目标卡的时钟源。该时钟源电器特征必须满足PCIE总线规范，即单端信号幅度在0-0.7V范围内，频率为100MHz±300ppm。

三、目标卡包括PCIE总线输入接口、时钟Buffer、电源模块、控制模块、信号处理模块、电阻网络、交换模块和桥接模块，如图5所示。

1、PCIE总线输入接口主要将从端光电转换模块输出的PCIE电信号输入至目标卡中。同样，接插件需采用高速接插件，满足电信号数据传输速率。该接口还需要引入3.3V电源，用于后端光电转换模块供电。

2、时钟Buffer，该时钟Buffer的输入源是从端光电转换模块中的时钟电路产生。经过该Buffer后分成多路100Mhz时钟，用于PCIE总线控制芯片、交换芯片，以及PCIE总线接口和CPCIE总线接口。

3、电源模块、控制模块、信号处理模块和电阻网络均与主机卡中的相应模块功能一致。其中电源模块的输入由外部供电，供电电压为12V，且在上电工作时，目标卡的12V电源最先上电，然后再给主机卡供电。

4、交换模块，主要由PCIE总线交换芯片及外围电路组成。用于将单路的PCIE信号交换复用为多路PCIE信号。该交换模块将光纤延长后的单路PCIE信号作为上游端口，经内部高速数据交换成多路下游端口。在实际使用中可以根据下游端口数量和带宽，调整上游端口的带宽。

5、桥接模块用于将PCIE信号桥接成PCI、CPCI、SATA和USB总线信号。主要由PCIE转PCI桥接芯片、PCIE转CPCI桥接芯片、PCIE转SATA桥接芯片、PCIE转USB桥接芯片，以及它们的外围电路组成。模块可以根据接口的数量和带宽需求增加和减少。

本发明的工作原理为：

首先，在不改变PCIE总线协议前提下，将PCIE电信号按照PCIE协议转换为光信号进行延长传输。在PCIE总线协议规范中，定义的“空闲”状态机制和初始从端设备检测机制导致不能将PCIE电信号直接通过光电转换模块转换为光信号。本发明利用寄存器可配置的PCIE总线控制集成芯片，通过配置芯片内部寄存器，让总线控制芯片忽略进入空闲状态的因素，避免进入“空闲”状态。同时在PCIE总线发送端和光电转换模块之间加入电阻网络，用于匹配光电转换模块输入阻抗，模拟从设备在线，完成从设备在线检测过程。从而实现将PCIE电信号转换为光信号，在光纤中传输。

其次利用PCIE总线交换技术和桥接技术，实现将PCIE总线的多路复用，并桥接成PCI、CPCI、SATA和USB总线。在计算机的系统中，可以直接识别到以上几种总线，而不需要进行软件进行协议转换。同时各总线能独立并行控制，分别与不同的总线设备进行数据交互。在实际使用中，可以根据从设备的接口类型、数量和带宽对PCIE总线复用路数进行调整，以满足使用需求。

Claims (9)

1.一种基于光纤传输的数据总线延长装置，其特征在于：包括主机卡、光纤组件和目标卡，其中：

所述主机卡包括PCIE总线接口模块、信号处理模块、控制模块和电源模块；所述PCIE总线接口模块包括PCIE总线输入接口、时钟Buffer和PCIE总线输出接口；所述信号处理模块包括PCIE总线控制电路和电阻网络，PCIE总线控制电路采用寄存器可配置的PCIE总线控制芯片，所述电阻网络设置在PCIE总线的数据发送端与光电转换模块之间；

所述光纤组件包括光纤两端连接的主端光电转换模块和从端光电转换模块，分别与主机卡和目标卡连接；

所述目标卡包括PCIE总线输入接口、时钟Buffer、交换模块、和桥接模块，以及与主机卡功能一致的电源模块、控制模块和信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传输的数据总线延长装置，其特征在于：所述主机卡的PCIE总线输出接口和目标卡的PCIE总线输入接口均引入3.3V电源，分别用于主端和从端光电转换模块供电。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传输的数据总线延长装置，其特征在于：所述控制模块包括单片机及外围电路，所述单片机的IIC总线与PCIE总线控制芯片相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤传输的数据总线延长装置，其特征在于：所述主机卡的电源模块的电源输入来自PCIE总线输入接口输入的12V、3.3V和3.3V常备，与上位机的电源时序保持一致，且其产生的电源时序满足主机卡上各模块的上电时序；所述目标卡的电源模块的输入由外部供电，供电电压为12V；在上电工作时，先给目标卡的12V电源上电，然后再给主机卡供电。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传输的数据总线延长装置，其特征在于：所述交换模块用于将单路的PCIE信号交换复用为多路PCIE信号，将光纤延长后的单路PCIE信号作为上游端口，经内部高速数据交换成多路下游端口。

6.根据权利要求5所述的一种基于光纤传输的数据总线延长装置，其特征在于：所述桥接模块用于将PCIE信号桥接成PCI、CPCI、SATA和USB总线信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤传输的数据总线延长装置，其特征在于：所述主机卡的时钟Buffer功能是将上位机输入的单路100MHz差分时钟分为三路100MHz差分时钟，一路时钟接入PCIE总线输出接口，作为后级PCIE总线的时钟源，另外两路用于信号处理模块中PCIE总线控制芯片；所述目标卡的时钟Buffer的输入源是从端光电转换模块中的时钟电路产生，经过该Buffer后分成多路100Mhz时钟，用于PCIE总线控制芯片、交换芯片，以及PCIE总线接口和CPCIE总线接口；所述从端光电转换模块时钟电路的单端信号幅度在0-0.7V范围内，频率为100MHz±300ppm。

8.一种利用权利要求1所述的基于光纤传输的数据总线延长装置的方法，其特征在于：主机卡信号处理模块的PCIE总线控制电路用于PCIE总线协议物理链路控制和建立，在上电初始化时，完成各项状态信息的交互和握手。在数据交互过程中，控制数据传输；PCIE总线控制电路通过控制模块中的单片机IIC总线，读写空闲状态管理的寄存器，在该寄存器的相应标志位上写入有效值，启动忽略进入空闲状态的功能；当PCIE总线的接收端检测到电压小于75mv时，PCIE总线控制芯片禁止进入空闲状态；所述寄存器的配置在握手之前上电之后马上执行，完成配置后再进行握手。

9.根据权利要求8所述的基于光纤传输的数据总线延长装置的方法，其特征在于：通过调整电阻网络的阻值，使发送端的负载直流阻抗处于40-60欧姆之间；当发送端发送检测脉冲后，经过AC耦合电容C1和C2，在电阻网络上产生的电流值将达到发送端检测从设备是否在线的电流阀值，从而判断出从端在线。