中国有新说唱新秀 各种高速串行接口如USB3031ThunderBolt速度是由什么决定的

2019-11-09 12:51:10

发一个老段子:马屁股决定航天飞机火箭助推器的宽度现代铁路两条铁轨之间的标准距离是四英尺又八点五英寸。原来,早期的铁路是由建电车的人所设计的,而四英尺又八点五英寸正是电车所用的轮距标准。那么,电车的标准又是从哪里来的呢?最先造电车的人以前是造马车的,所以电车的标准是沿用马车的轮距标准。马车又为什么要用这个轮距标准呢?英国马路辙迹的宽度是四英尺又八点五英寸,所以,如果马车用其他轮距,它的轮子很快会在英国的老路上撞坏。这些辙迹又是从何而来的呢?从古罗马人那里来的。因为包括英国的长途老路都是由罗马人为它的军队所铺设的,而四英尺又八点五英寸正是罗马战车的任何其他轮宽的战车在这些路上行驶的话,轮子的寿命都不会很长。可以再问,罗马人为什么以四英尺又八点五英寸为战车的轮距宽度呢?原因很简单,这是牵引一辆战车的两匹马屁股的宽度。故事到此还没有结束。美国航天飞机燃料箱的两旁有两个火箭推进器,因为这些推进器造好之后要用路上又要通过一些隧道,而这些隧道的宽度只比火车轨道宽一点,因此火箭助推器的宽度是由铁轨的宽度所决定的。所以,最后的结论是:“路径依赖”导致了美国航天飞机火箭助推器的宽度,而这个宽度竟然是两千年前由两匹马屁股的宽度决定的。一旦人们做了某种判断,就好比走上了一条不归之路,惯性的力量会使这一选择不断自我强化,并让你轻易走不出去,这种现象就被称为“路径依赖”。------------------------------------------------------------------------------------------------对于各种高速串行信号来讲,也有同样的“路径依赖”,源头是从哪里开始的,这个说不清楚了,我个人认为一个源头就是数据传输。上世纪七八十年代就出来了各种数据传输的协议,比如T1/E1载波系统(2.048Mbps)、X.25中继系统、ISDN(综合业务数字网)等,那时的速度还比较慢的,到了九十年代,SDH(SynchronousDigitalHierarchy,同步数字体系)和SONET(SynchronousOpticalNetwork同步光纤网)标准出现,其基本速度就是STM-1155.520Mbps,STM-4为622.080Mbps,STM-16为2488.240Mbps,到更后来WDM(WavelengthDivisionMultiplexing,波分复用)技术,再到最新的OTN(OpticalTransportNetwork,光传送网),这里面最重要的个概念就是TDM(TimeDivisionMultiplexing,时分复用)。时分多路复用(Time-DivisionMultiplexing,TDM)是一种数字的或者模拟(较罕见)的多路复用技术。使用这种技术,两个以上的信号或数据流可以同时在一条通信线路上传输,其表现为同一通信信道的子信道。但在物理上来看,信号还是轮流占用物理通道的。时间域被分成周期循环的一些小段,每段时间长度是固定的,每个时段用来传输一个子信道。例如子信道1的采样,可能是字节或者是数据块,使用时间段1,子信道2使用时间段2,等等。一个TDM的帧包含了一个子信道的一个时间段,当最后一个子信道传输完毕,这样的过程将会再重复来传输新的帧,也就是下个信号片段。来源维基百科:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%B6%E5%88%86%E5%A4%9A%E8%B7%AF%E5%A4%8D%E7%94%A8数字传输就像打包裹,最基本单元是一个小包裹,四个小包裹打成一个中的,再四个中的打成一个大的,再四个大的打成一个更大,然后再特大的。比如SONET的传输速度就是STM-1/-4/-16等这样叠加上去,以2的指数倍往上翻。其中TDM-16速度为2488.240MBps,就是我们通常说的2.5Gbps。上面说了堆协议,那总要具体的物理实现,一般选用铜线或光缆进行远距离传输。以光缆为例,数据先由电路中的并行数据变成串行传送出去,然后再经过光纤接口,变成光信号在光纤里传输,接收时先由光信号变成电信号,再由串行变成并行到内部使用。其中由并行到串行/串行到并行经过的就称为SERDESPHY,高速SERDES的技术实现难度较高,得由模拟电路实现,在很多场合就是一块单独的SERDESPHY芯片,那就有专门的公司来做这个事情,比如在业界大名鼎鼎的TI德州仪器,其TI芯片就卖得很好。逐渐实现这样的产业链:做数字电路的、模拟电路的、测试设备的、生产制造的(包括PCB和SERDESPHY、光口、光纤等),已经定了个基本速率后,再往上的更新换代往往是X2地叠加,在数字电路上最好实现,在模拟电路上也有这样的动力,整个技术就一直这样往前走下去。回到标题高速串行接口由什么决定的来,PCI总线由Intel公司于91年提出,之后移交给第三方机构PCISIG。PCISIG由多家业内公司组成的联盟,别的公司也可以申请加入成为会员,TI也是早期会员之一。就像联合国一样,Intel等公司像常任理事国一样拥有更大的主导权;USB于94年由带头大哥Intel联合微软、HP、NEC等电脑公司组成USB-IF组织,96年推出USB1.0标准;(同期还有Apple推出的FireWire火线,也红火了好多年)由此可见,Intel对PCI/PCIE和USB的建立和发展一直拥有极大的主导权。2001年PCIE开始制定,决定以串行方式代替并行的PCI总线时,那时产业内2.5GPHY已经比较成熟了,PCI组织PCI-SIG决定直接借鉴此速度就很正常;等到PCIE2.0发布已经是过2007年,就直接X2变成5G了;USB3.0于2008年发布,直接借鉴业界比较成熟的5G方案也就很正常了;而PCIE3.0发布是2010年时(为什么PCIE3.0是8G而不是10G,这算是个折衷吧,速度越快对PCB走线设计和生产、线缆、测试仪器等要求越高,3.0采用64b/66b或128b/130b编码方案,8G*64/66=7.88G,解码后的速度几乎就是2.0的二倍,2.0采用传统的8b/10b编码,解码后速度5G*8/10=4G)。等到USB3.1发布,也就是最近的事情(2014年),觉得10GPHY也比较成熟了,那也直接采用10G吧,USB3.1采用128b/132b编码,效率与PCIE3.0是等效的,它直接向PCIE借鉴了很多内容。而ThunderBolt,定位在更高速速度传输,其1.0速度最开始设计时就是一路10GPHY(大约2011年),而后2.0就成两路10GPHY了,最近的3.0成两路20GPHY,为什么不直接成40GPHY,工艺做不上去啊。很早前,业界有个传说,铜界质PCB走线最高速度只能到16G,几年前就已经打破了,28G甚至32G以上跑铜界质的高速PHY已经有DEMO演示了,ThunderBolt2.0推出两路10GPHY,自然也是业界有这样能力去推出成熟产品。不出意外的是,ThunderBolt定位在高端,从最先推出1.0接口的MAC电脑(2011年),到现在已经四年过去了,相对来说还很不普及,只在高端电脑上才有配备,其外设产品,比如支持该接口的外接存储和高清显示器见到过报道,但市场上卖得真不太多,比起这几年一下子普及开来的USB3.0还是相差不少。与此类似待遇的是DisplayPort接口,显示器接口从最早的VGA到DVI,到同时支持声音图像传输的HDMI、DisplayPort接口,HDMI逐渐变得常见,尤其是电视接口上,而DisplayPort仍然不太多见。而ThunderBolt在外观上与MiniDP接口兼容,在功能上可认为是图像传输接口DP和数据传输协议PCIE的合体。这不,Intel一琢磨,那ThunderBolt3.0改成USB3.1-C接口兼容吧,这样支持ThunderBolt3.0的外设既可以连接对应的ThunderBolt3.0host,享受40G的高速,也可以接在USB3.1-C上,尽管只能跑USB3.05G速率(注意,资料显示所兼容的控制器是USB3.0,而不是最新的3.1;也有人指出Intel推出的控制器是支持10G速度的。anyway,PHY通道是支持的,这主要取决于控制器部分),但是更常见啊,这样对于外设厂商也是一大利好,用户也可以放心地买啦,不用担心接口不支持啦。最后做个总结:高速串行接口速度由什么决定?当时协议公布时前代技术的积累与影响和已成熟技术,二者占重要因素。比如2.5G速率和STM-1155M的关系,比如不同年代PHY技术的成熟度,再者还有业界领先公司在制定标准时的号召力及技术前瞻性,如Intel在多种协议上的主导力。这里顺便吐槽下动不动国产OS、国产某技术、国产CPU……试图与业界流行的产品和技术对抗,想另起炉灶,而其本质往往只是在人家已有技术的基础上借鉴人家的思路,抄袭或模仿成类似的产品,尤其是ZF在其中扮演主导角色,这种努力往往失败,也许在某些不开放场合有一席之地,只要是开放市场,几乎无竞争力,不提其它,一个路径依赖就把你拍死了。那些号称的自主、国产,开发过程和产品里仍然有大量开放世界里的工具、成熟产品、思维、架构体系,那做出来的东西只是在某一个细节上对已有产品形成了可替代力,但其上游、下游还是与业界紧密联系在一起,这种情况下很难有所发展。-------------------------------------------------前不久还写了个回答,也一起贴大这里:如何看待Thunderbolt3改用USB-C接口?手头正用的是MacbookPro2012年版,用的视频输出接口是Thunderbolt1,接口与MiniDisplayPort接口兼容,现用HDMI接口外接显示器,要使用个转接器。为什么Thunderbolt3要改成USB3.1-C兼容接口?因为它是Intel啊,这两家标准都基本以Intel为主导啊,PHYteam的人碰碰头,小会议室一坐,说咱们做成一样的吧,就成啦!从商业角度来讲,统一标准有多少好处,Thunderbolt现在流行范围还不广泛且由Intel主导,阻力比较小等考虑就不多说啦,谈点技术上的实现。为什么插上去可以实现兼容?因为它们都属于高速串行传输协议,在技术上有很多共用的地方,且在速率上不同的代本身是匹配的(Thunderbolt1的速度就是10Gbps,与USB3.1一致),再者不同的高速串行协议往往是上层协议不同,在底层实现上是通用的,也就是控制器不同,而PHY可以通用。我在S公司做过较长时间的PCIE原型平台验证,主要是数字电路部分的控制器代码烧录到FPGA中,已经流片成功被做过基础电学测试的PHY测试芯片做成单独的子卡扣在原型平台上,再与PC主板连接进行测试。最高支持10Gbps的PHY子卡不仅仅用于PCIEGEN38Gbps,同时还支持SATAGEN36Gbps和USB35Gbps(是否还支持USB3.110Gbps还要确认下,按理说支持),子卡上留有多种接口,PCIE金手指、SATA接口、USB接口等,哪个项目要测试了,直接从一个平台拔下来,换上接口放另一个平台就可。这个过程中,FPGA内的控制器代码是变化的,同时上电时会对PHY子卡配置一组向量去支持不同的模式。并且这些协议不同的代数间往往速率是成倍翻的,不仅是PHY的速率成倍翻,而且控制器内部的运行时钟或数据位宽也是成倍翻。比如PCIEGEN12.5G,GEN25G,GEN38G(编码方式从之前的8b/10b变成64b/66b或128b/130b,实现有效负载是翻倍的),而数字控制器内部有两种方法:如果数据位宽固定都是32bit,那GEN1时coreclock的速率为62.5MHZ,GEN2时为125MHZ,GEN3时为250MHZ;如果是clock速率保持为125MHZ不变,则GEN1时数据位宽为16bit,GEN2时为32bit,GEN3时为64bit。GEN3的芯片同时支持在GEN1和GEN2模式下运行,并且最开始初始化时即从GEN1开始,然后硬件双方进行握手,看一起能支持的最大速率是多少,然后再调节到最大速率;如果在高速率下出现不稳定、自检错误过多,还可以自动回退到低速率上安全运行。这样的设计方式是非常合理的同样,对于Thunderbolt来说,GEN1是10GbpsX1,GEN2是10GbpsX2,GEN3是20GbpsX2,它本身是可以运行在GEN110Gbps,接在USB3.1-C接口上时,是以USB3.0的控制器协议运行的,也就是5G的速度,并不是USB3.110G,这点是最近几天看到资料才知道的。这么做应该是出于设计成本和稳定性的考虑吧,毕竟USB3.1协议出来没多久,设计公司还没有成熟稳定的代码,那ThunderBolt3.1就要使用USB3.1的协议的话,设计ThunderBolt3.1控制器部分时就比较困难了,还不如直接采用成熟的USB3.0。这也从一个角度说明了,协议的设计是比较接地气的,要考虑多方面的因素,而不是一昧地求新求快。也有网友留言说现在Intel推出的控制器支持10G。anyway,PHY通道是支持的,这主要取决于控制器部分。------------------------------------------------------------------------Thunderbolt可以看成是PCIEGEN3与DisplayPort视频接口的合体,Thunderbolt控制器一端接PCIE数据流和DisplayPort数据流,一端连接PHY接口。控制器对进入的数据经过少量的处理,仍基本保持原来的数据格式形式,比如其中的PCIE3.0数据仍为64b/66b或128b/130b编码形式,而DisplayPort保持8b/10b编码形式。当同时连接PCIE设备和DisplayPort设备时,DisplayPort通道拥有更高的优先权,如下图所示,DataOnly时,下行和上行数据速度最大为22Gbps;当接一个5K高清设备时,下行数据速度减小为18Gbps,上行保持不变;当接两个4K高清设备时,下行数据速度减小为8Gbps,上行保持不变。从上可见,Thunderbolt3.0单通道的速率就是20Gbps,这个对物理通道的要求是相当高的,通常铜介质做到16Gbps就很困难了(目前还有做到28G甚至30G以上的铜介质传输的报道),想要完美地运行如此高的速率,官方认证的原装线缆必不可少,价钱也很昂贵罗。觉得写得不错大家点个赞,说错的地方请轻砸啊。

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