GBIC-konforme Glasfaserübertragungs-Module

Zur Freude des Entwicklers

Vorliegender Applikationsbericht beschreibt die Eigenschaften der Bausteinfamilie X9520 und gibt Beispiele dafür, wie diese Bauelemente in Fibre Channel/Gigabit Ethernet-Anwendungen eingesetzt werden können.

In den letzten Jahren führten die ständig steigenden Bandbreitenforderungen unter nahezu sämtlichen Aspekten des Computer-Networking zu einer raschen Übernahme der Glasfaserübertragungs-Technologie. Anwendungen wie Storage Area Networks (SANs) erhöhten die Verbreitung von Protokollen wie Fibre Channel (FC) – wegen dessen Eigenschaften einer hohen Bandbreite, niedriger Latenzzeit sowie Skalierbarkeit. Die Übernahme der physikalischen Schicht von Fibre Channel (FC-PH) als Teil der Gigabit Ethernet- (GE) Spezifikation (IEEE 802.3z) hat zur weiteren Verbreitung dieses Protokolls wesentlich beigetragen.
Sowohl FC als auch GE erlauben den Einsatz unterschiedlicher physikalischer Medien wie unabgeschirmten verdrillten Doppelleitungen (UTP), aber auch des Glasfaserkabels (Multi- und Single-Mode). Der Rest dieser Betrachtung wird sich auf die optischen Implementierungen von FC-PH-Applikationen konzentrieren.
Um die Entwicklung und Implementierung von Geräten der FC- und GE-Systeme zu vereinfachen, definierte das Small Form Factor- (SFF) Komitee einen Standard, der als Gigabit Interface Converter- (GBIC) Modul bekannt geworden ist.

GBIC-Grundlagen
Auf der einfachsten Ebene ist das GBIC-Modul ein Vollduplex-Daten-Transceiver (Sender und Empfänger) mit zwei Daten-Ports. Einer der Ports ist für optische Daten vorgesehen und kann als optischer Duplex-SC-Steckverbinder ausgeführt werden. Dieser Steckverbinder sorgt für die zuverlässige, verlustarme Verbindung von zwei optischen Glasfasern zum GBIC-Modul – eine zum Übertragen optischer Daten, die zweite für deren Empfang. Der andere Port ist elektrischen Signalen vorbehalten und kann als ein 20-Pin-SCA-Steckverbinder ausgeführt sein. Diese Seite des GBIC-Moduls ist mit dem Host-Gerät verbunden und verarbeitet elektrische Signale wie Steuerung, Alarm, Modul-Identifizierung sowie schnelle elektrische serielle Daten. Bei Verwendung dieser beiden Datenports sorgt der GBIC für gleichzeitige Umwandlung der Daten von elektrisch zu optisch und von optisch zu elektrisch – siehe Bild 1. Das GBIC-Modul entspricht der physikalischen Schicht FC-PH, die zur Verarbeitung von 8 B/10 B-kodierten differentiellen seriellen Daten spezifiziert ist. Durch die Übernahme der FC-PH-Konformität für GBIC-Module eignen sich diese nicht nur für FC-, sondern auch für GE-Systeme, außerdem für verteilte Multiprozessor-, Prozessor-zu-Peripherie- und Datenspeicher-Verbindungen sowie darüber hinaus für andere firmeneigene Anwendungen, die serielle Übertragungsleitungen hoher Bandbreite benötigen. GBIC-Module sind darüber hinaus als „heiß steckbare“ Bausteine spezifiziert. Das bedeutet, dass die Module in das Host-Gerät gesteckt oder aus diesem entnommen werden können, ohne dass die Stromzuführung zum Gerät abgeschaltet werden muss. Diese Voraussetzung ist wichtig in Anwendungen wie Netzwerk-Hubs oder Switches, bei denen eine Ausfallzeit von Null wünschenswert ist. Der „heiß steckbare“ Charakter der GBIC-Module vereinfacht Upgrades und Wartung ohne jede Ausfallzeit.

X9520 in GBIC-Anwendungen
Der X9520 (Bild 2) wurde speziell mit der Absicht entwickelt, viele zur Verwirklichung eines GBIC-konformen Glasfaserübertragungs-Moduls erforderliche Funktionen zu vereinen. Im Baustein sind folgende Komponenten integriert:
• Drei digital gesteuerte Potentiometer (DCPs);
• Power-On-/Unterspannungs-Reset mit manueller Reset-Eingabe;
• Zwei zusätzliche Spannungsüberwachungs-Schaltungen mit Hardware- und Software-Ausgängen;
• 2-KBit-EEPROM.
Andere Bausteine der X9520-Familie (die Modelle X9521/22/23) bieten vielfältige Kombinationen dieser Funktionen, um speziellen Forderungen der Entwickler zu genügen.
Die DCPs im Baustein entsprechen einem mechanischen Potentiometer mit drei Anschlüssen. Jedoch erleiden DCPs keinen mechanischen Abrieb, sie ermöglichen eine wiederholbare nichtflüchtige Einstellung der „Schleiferposition“ sowie automatisierte digitale Steuerung durch den seriellen Zwei-Draht-Datenport (SDA, SCL).
Der X9520 ist durch Xicors Block Lock-Funktion gekennzeichnet. Sobald Daten in das EEPROM geschrieben werden, „sperren“ die Block-Lock-Bits des internen Control- und Status-(CONSTAT-) Registers die zugehörigen Bereiche des Speichernetzwerks. Jedes Schreiben in diesen Bereich eines „gesperrten“ Speichers wird dann unterbunden. Außerdem ist die Änderung der „Schleiferposition“ eines DCP in diesem Stadium undurchführbar. Zudem schützt der Write-Protect-Pin, wenn er aktiv ist, den Baustein zusätzlich und verhindert sämtliche nichtflüchtigen Schreiboperationen in das EEPROM-Netzwerk und die DCPs.

Funktionen zur Spannungsüberwachung
Für VCC stehen die Funktionen Power-on-Reset und Unterspannungs-Reset zur Verfügung. Bei Anlegen von VCC an den X9520 wird der VCC-Reset-Ausgangs-(RST-) Pin auf HIGH gehalten, bis VCC für die Dauer der Power-on-Reset-Verzögerungszeit (tpurst) die VTRIP0-Schwelle überschreitet (und höher bleibt als VTRIP0). Nach dieser Zeit geht RST auf LOW. Die Zeit tpurst ist über Software unter Verwendung des CONSTAT-Registers auf einen Wert von entweder 50, 100, 200 oder 300 ms wählbar. RST geht außerdem auf einen HIGH-Zustand über, wenn VCC unter VTRIP0 fällt. Die Power-on-/Unterspannungs-Reset-Schaltung weist auch einen zugehörigen entprellten MR-Eingangspin auf (manuelles Reset). Wird MR aktiviert (HIGH), geht der RST-Ausgang auf ein HIGH, bis nach MR die Zeit tpurst in ihren normalen Zustand (LOW) zurückkehrt. V1 und V2 sind zusätzliche Spannungsüberwachungs-Eingänge, mit denen weder eine Reset-Zeitbegrenzung noch ein manuelles Reset verbunden ist. Steigt die Eingangsüberwachungsspannung (V1, V2) über ihre zugehörige Schwellspannung (VTRIP1, VTRIP2), wird der zugehörige Hardware-Reset-Ausgang (V1RO, V2RO) HIGH.
Ein einzigartiges Merkmal des X9520 ist die Flexibilität, die Werte der Spannungsüberwachungs-Schwellenpegel (VTRIP0 – VTRIP2) re-programmieren zu können. Durch Anlegen der gewünschten Spannung an den entsprechenden externen Pin (VCC, V1, V2) ist es möglich, einen neuen analogen Schwellenpegel (VTRIP0 – VTRIP2) „einzufangen“. Auch lässt sich der Ausgangs-Zustand der Spannungsüberwachungs-Schaltungen (V1RO und V2RO) über die serielle Zweidraht-Schnittstelle (vom CONSTAT-Register) an den Host auslesen.
Der X9520 ist in Xicors Ball Grid Array-Gehäuse lieferbar. Dieses reduziert im Vergleich zu diskreten Implementierungen die benötigte Fläche auf der Leiterplatte dramatisch.

Applikationsbeispiel des X9520
Ein Beispiel, wie der X9520 bei der Entwicklung von optischen GBIC-Modulen Verwendung finden kann, ist in Bild 3 dargestellt. Die DCPs lassen sich zum Einstellen verschiedener Parameter in der Lasertreiber- und Sicherheits-Steuerschaltung des optischen GBIC-Moduls einsetzen. Beispielsweise kann das DCP mit hoher Auflösung (256 Abgriffe) zur Einstellung des Modulationsstroms (IMOD) der Laserdiode verwendet werden, während sich mit dem DCP mit 100 Abgriffen der Vorspannungsstrom (IB) der Laserdiode einstellen lässt. Das DCP mit geringerer Auflösung (64 Abgriffe) kann zum Einstellen des maximalen optischen Leistungspegel des GBIC-Moduls (über IMAX) eingesetzt werden, damit dieser den relevanten Sicherheitsvorschriften (beispielsweise IEC 825-1 sowie CDRH) entspricht. In anderen Situationen können zwei der DCPs gekoppelt werden, um für die Einstellung von entweder IB oder IMOD eine höhere Auflösung zu erzielen.
Die „Schleiferposition“ des DCPs ist während der Herstellung mit Hilfe von ATE (Testautomaten) möglich; sie werden dann über die Block Lock-Bits des CONSTAT-Registers „gesperrt“. Danach werden die Schleiferpositionen im Baustein verriegelt und können nicht geändert werden, es sei denn, der Anwender setzt diese Bits zurück. Der Write Protect-Pin sorgt für eine weitere Schutzebene für den Baustein. Dies erhöht die Datensicherheit und vermeidet die Möglichkeit einer versehentlichen oder absichtlichen Fälschung des Bausteins durch den User.
Das integrierte 2-KBit-EEPROM des X9520 kann zur Lieferung von Daten zur Modul-Definition des GBIC-Moduls zum Host dienen. Die Baustein-Pins SDA und SCL können mit den Pins MOD_DEF(1) bzw. MOD_DEF(2) des GBIC-Moduls verbunden werden. Die derzeitige GBIC-Spezifikation (Revision 5.4) legt fest, dass die Adresse des Modul-Definitions-EEPROMs „000“ sein soll. Beim X9520 entfallen sämtliche externen Pins zur Adressierung; stattdessen wird die EEPROM-Adresse des Bausteins intern auf „000“ eingestellt. Andere Adressen werden zur Auswahl und Steuerung weiterer interner Teile des X9520 eingesetzt, beispielsweise der DCPs und des CONSTAT-Registers. Die Fähigkeiten zur Spannungsüberwachung können dazu verwendet werden, die vielfältigen Alarm- und Sicherheitsfunktionen umzusetzen, die in optischen GBIC-Modulen implementiert werden können. Zum Beispiel (Bild 3) könnte der Spannungsüberwachungs-Eingang V1 bei Einsatz eines Nebenschluss-Abtastwiderstands mit niedrigem Wert oder einer Fotodioden-Überwachungsschaltung zur Überwachung von Überstrom (OC) der Laserdiode dienen. Modul-Überspannung kann durch Einsatz einer einfachen Spannungsteilerschaltung (R1, R2) als Eingang zu V2 überwacht werden. Die Spannungsüberwachungs-Ausgänge V1RO und V2RO können in OR-Schaltung mit dem RST-Ausgang des X9520 verbunden werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen: V1RO+V2RO+RST. Dieses Signal kann als „Senderstörung“ (TX_FAULT) des Moduls interpretiert werden. Das Alarmsignal wird als aktives HIGH definiert; deshalb wird TX_FAULT in diesem Beispiel in einem von drei Fällen aktiv:
• Während des Ein- und Ausschaltens des Moduls.
• Es wird eine Laser-Überstrombedingung festgestellt.
• Es wird eine Modul-Überstrombedingung festgestellt.
Das TX_FAULT-Signal lässt sich außerdem zum Treiben des Aktivierungs-Eingangs (EN) für die Lasertreiberschaltung verwenden. Dies würde zu einem Ausschalten der Laserdiode bei kritischen Zeiten führen und könnte die Laserdiode beschädigen.
Weiter lässt sich mit dem MR-Pin ein Aktivieren von RST (HIGH) erzwingen. Das führt dadurch zu einem Abschalten der Laserdiode, dass der TX_FAULT-Ausgang auf HIGH getrieben wird. Deshalb kann der MR-Eingang als „Senderabschalter-“ (TX_DISABLE-) Eingangspin im GBIC-Modul genutzt werden.
Da es sich bei den Spannungsüberwachern um Schaltungen mit unabhängigen Ein- und Ausgängen handelt, können sie auf eine Art und Weise konfiguriert werden, die den Anforderungen der Entwickler am besten entspricht. Beispielsweise kann man V2 statt als Eingang zur Überwachung der Modul-Überspannung zur Durchführung einer „Pegelumsetzer“-Funktion verwenden. Einige integrierte Glasfaserübertragungs-Empfänger-ICs bieten einen „Empfängerverlust“-Alarm (RX_LOS) – er zeigt an, dass die empfangene optische Leistung unter einen Pegel gefallen ist, der eine akzeptable Bitfehlerrate (BER) erzeugt. Dieses Signal kann jedoch einen PECL-Ausgangsbereich haben und wäre deshalb nicht mit dem GBIC-spezifizierten TTL-Alarmpegeln kompatibel. Diese Spannungsüberwachungs-Funktion des X9520 eignet sich sehr gut zur Bereitstellung der erforderlichen Pegelumsetzung von PECL zu TTL.
Der X9520 ist mit vorprogrammierten VTRIP-Pegeln (VTRIP0, VTRIP1, VTRIP2) erhältlich, die sich sowohl für 3,3- als auch für vorhandene 5-V-GBIC-Moduldesigns eignen. Diese Schwellenpegel können jedoch während der Fertigung umprogrammiert werden, um speziellen Forderungen der Entwickler zu genügen.
Autor: Joe Ciancio

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