如何减少分立元件的数量和电路板空间

介绍

光纤网络为世界各地的新客户带来了快速宽带的承诺。它越来越多地达到新的限制，但为了提供有保证的服务水平，必须有效地管理带宽。这种有效性的一个重要因素是它如何与通过铜缆运行的其他网络设备进行接口。

对光纤的偏好不仅仅是速度。光纤比铜线更轻更小，因此运营商可以支持更多连接。它有效地免受电磁干扰 （EMI） 的影响，并且比电缆更安全。在宽频带上，光纤的衰减也比铜要小得多。

然而，光纤的一个缺点是空间。因为源电信号必须转换为光，然后再转换回来，这需要一个靠近 PCB 边缘的收发器模块来端接每个通道的光纤的每一端。每个收发器通常需要通过串行接口（例如 I 2 C）进行控制。使用所有这些组件，所需的多个控制通道可能难以适应可用的 PCB 空间。

在本文中，我们将了解设计工程师如何减少分立元件的数量和电路板空间。通过使用链接到多个收发器的多端口扩展器，我们可以聚合串行控制通道并帮助简化布局，同时降低物料清单 （BoM） 成本。

控制多个光收发器

收发器是高速光通信与网络中电气部件之间的接口，包括用于传输和接收的光组件。通过使用光发射器或光接收器以及一组透镜，收发器将数字数据转换为脉冲激光形式的光波，或从光波转换为光波。

通道可以聚合在一起以实现更高的带宽，这意味着网络中需要多个收发器，并且可能在交换机或路由器中。随着网络变得更加复杂，通道（以及因此收发器）的数量增长到可能无法管理的比例。

使用通常用于每个通道的专用控制路径，PCB 上所需的空间和功耗可能会变得不切实际地大。为了限制这一点，用于管理收发器的 FPGA 或 ASIC 将简单地用完合适的引脚，如下图 1 所示。

多端口扩展器来救援

为了克服这些问题，我们可以将多个中间设备（I2C 解复用器、LED 驱动器和电平转换器）替换为可以控制多个模块的单个部件，例如 Diodes Incorporated 的PI7C1401四端口扩展器（图 2）。

每个四端口扩展器提供最多四个 I 2 C 或 SPI 接口的聚合。因此，无需将端口专用于每个接口，单个 FPGA 或 ASIC 可以通过单个 I 2 C/SPI 接口寻址和控制至少四个光学模块（图 3）。

最多可将 14 个PI7C1401设备与其输入线或一起组合成一个链。这使主机处理器能够通过一个 I 2 C/SPI 接口控制多达 56 个收发器，从而显着降低引脚数最小值、PCB 空间要求和 BoM 成本。

由于主处理器通常以高处理频率运行，它可以轻松地从单个接口处理多个低速端口。由于容量限制通常基于引脚数而不是处理性能，因此通过单个接口多路复用多个控制端口可以克服这一限制。

设备会自动配置它们的地址，因此每个部件不需要有唯一的地址。这立即增加了容量，并且在电路板空间允许的情况下，可以在现有设计中安装和控制额外的光学模块。

扩展功能

PI7C1401提供扩展的模块管理功能，可以提高系统的整体性能。许多控制功能也可以卸载到端口扩展器上，从而释放主机设备以专注于其他活动。这意味着可以选择价格较低的主机处理器，从而降低成本和主机的路由层拥塞。

主机接口的速度是可选择的，取决于所使用的协议。I 2 C 接口的运行频率高达 1MHz，但当配置为 SPI 接口时，它的运行频率高达 33MHz。PI7C1401 还具有 GPIO 引脚，可通过寄存器控制以实现管理功能。

一些低速接口规范，如 SFF-8472 和 SFF-8431，定义了逻辑设备地址。对于直接访问，PI7C1401 可以使用地址映射方案使上游主机能够发出下游读或写操作。端口扩展器还可以从下游模块执行预取读操作。

该数据存储在 PI7C1401 的片上 32 字节 FIFO 中。数据的大小和地址是可配置的，预取操作可以通过中断来调度或触发。直接访问比预取操作具有更高的优先级。

结论

随着光纤在整个网络中取代铜线，光接口的使用越来越多。管理这种扩展需要专用的控制通道，这会迅速消耗 PCB 空间。

设计人员无需通过添加更多控制通道来消耗资源，而是可以通过使用端口扩展器来处理这些多个通道来卸载许多端口管理任务。主机设备通过提高抽象级别更好地管理路由层任务，提高整体系统效率，同时通道聚合降低板空间要求和整体系统成本。