高速串行数据收发器CY7B923/933及应用

    摘要：介绍了数据收发器CY7B923/933的性能特点、结构原理、工作模式及应用电路。在一VME总线系统中，采用该收发器及UTP双绞线实现了400Mbps的串行数据传输。

    关键词：点对点串行通信 串行数据传输 8B/10B编码模式 同步

串行数据传输可实现长距离高速通信，且电缆线少、成本低、安装方便，在计算机网络中得到了广泛应用，并日趋成为长距离数据通信的主要方式。CYPRESS公司的数据收发器CY7B923/933使用方便、可靠性好，可广泛用于长距离高速点对点串行通信中，如光纤通信设备、工作站与海量存储互连、视频点播、语音图像多媒体传输设备及其它长距离高速串行通信场合。CY7B923/933性能特点如下：

·适用于Fibre Channel、IBM ESCON、ATM；

·8B/10B编码传输或不编码直传，传输速为160、330、400Mbps三档；

·最大传输距离（330Mbps的参考值）为：光纤几千米，同轴电缆150米，屏蔽双绞线80米，非屏双绞线40米；

·具有较强的自检功能；

·单一+5V电源；

·TTL同步I/O。

1 结构原理及功能

图1是CY7B923的逻辑方块图，其功能是将8bit并行TTL输入数据（D0～D7）转换为PECL串行差分位流输出。输入寄存器用于输入数据，同序与标准FIFO一致，使能端ENA和ENN可选择时钟上升沿写入数据。输入数据由编码器编码为便于串行链路传输的8B/10B传输码，由SC/D（专用字/数据）端电平控制，将D0～D7输入编成数据码或专用字码。时钟发生器含有一个锁相环PLL，将发送器时钟CKW（数据按字节输入的时钟）十倍频形成位时钟，驱动移位寄存器。移位寄存器将数据变成串行位流，分三路同时输出，FOTO可关闭OUTA和OUTB输出。自检逻辑产生通信系统自检用发送信号。

图2是CY7B933的逻辑方块图，其功能是将INA或INB的PECL串行差分输入位流转换为8bit并行TTL数据输出Q7～Q0。时钟同步器内嵌锁相环PLL跟踪输入数据位流的频率，产生与发送时钟同步的时钟。移位寄存器按位接收串行数据，在同步时钟作用下将数据按位送往成帖器。成帖器使位流数据正确地为原始数据或专用字，用RVS=H作数据违规或RD（Running Disparity）错的报错信号。串/并转换后的数据从输出寄存器Q7～Q0并行输出。

2 工作模式及8B/10B编码

CY7B923/933有编码、直传两种工作模式及自检模式，由MODE、BISTEN端信号控制。

2.1 编码模式

MODE=1，收发送器工作于8B/10B编码模式，即8位数据或专用字由7B923编码为10位的传输码再逐位传送。10位传输码包括了所有256个8位组合，这些代码符合ANSI X3.230（Fibre Channel）及IBM ECSON Channel规范。使用传输码的优点是：（1）使传输过程1与0的数目均衡，每个8B的数据或专用字对应两个10B的传输码，用参数RD表征传输1及0的状况。若1比0多则RD取正值，下一个字节发送0的状况。若1比0多则RD取正值，下一个字节发送0比1多的传输码。反之，则RD取负值，下次发送1比0多的传输码，这样可保证传输的直流成分接近0，基线漂移减至最小；（2）附加位能保证串行位流中有足够的跃变，使接收器能从这些跃变中恢复发送时钟；（3）这种编码大大增加了探测位错或多位错的可能性，一些专用字使用独特的位组合，容易识别，可帮助接收器数据成帧；（4）可用同种编码传输数据或专用字。若为数据，SC/D端应加低电平，编码使用数据字符集，专用字符包含Fibre Channel、ESCON和其它专用系统以及用于诊断的所有协议字符。诊断字符可用于测试Fibre Channel等的连接、诊断系统对故障的响应、系统的时序等。8B数据或专用字编码为10B传输码通过查编码表实现。对应于RD正负两种取值，每个数据或专用字有两种编码，发送器先取正或负值为RD初值，根据要发送的数据或专用字及当前的RD值，查8B对应的10B代码即实际发送的传输码，并计算该传输码的RD值作为当前值，与下个要传送数据共同查表确定下一个传输码。详见参考文献[1]。

2.2 直传模式

MODE=H，收发送器工作于直传模式，即收发送器直接传输数据不编码，编码和解码由外部协议控制器完成。输入分成10位，数据需预先编码，编码方式任意，但需保证有足够的跃变密度（每10位至少一次），使接收器锁相环能正确锁定相位，且编码需与传输介质兼容。

无论是编码模式还是直传模式，若处于空闲状态（时钟CKW上升沿时ENA=ENN=H），编码器将自动插入同步字K28.5（即C5.0）以保证接收器与发送器处在同步状态。

2.3 自检模式

BISTEL=1，收发送器工作于自检模式，7B923可分别发送两种信号来检测整个通信链路是否正常：一种是1与0相间的连续信号；另一种是循环发送的伪随机序列信号。若为后者，7B923输入寄存器转换成线性反馈移位寄存器LFSR，它可产生一组511个字节的伪随机代码序列，包括了所有的数据字和专用字。7B933将输出寄存器也变成LFSR，产生与发送器相同的伪随机代码序列，并与接收的序列相比较。若相同，则整个通信系统工作正常，否则为异常，使RVS=H给出错误信号。每次循环，7B923的RP及7B933的RDY都将输出一脉冲，此脉冲可用于记录循环次数以控制自检时间。7B923还可发送违规信号，以检测报错系统是否正常。这些信号都大大方便了故障诊断。

3 CY7B923/933应用电路

图3为采用CY7B923/933实现的单向数据传输的应用电路。主机发送控制命令，通过控制逻辑控制CY7B923/933工作在传输或自检模式。这里控制逻辑用FPGA实现，也可采用其它数据逻辑器件实现。控制电路应包含RP、RVS端的检测，以判断系统工作正常与否，及时进行错误处理。主机数据传输速度一般与CY7B923/933不一致，发送端及接收端都需设置数据缓存，缓存一般用FIFO，我们采用CYPRESS公司的CY7C45系列，它可与CY7B923/933组成无缝接口。若用FIFO的标志位作控制信号，则应注意标志延迟时间。CY87B933的输出信号CKR，可作为其输出数据写入FIFO垢时钟，RDY可作写FIFO使能信号，使用RDY的优点是同步字串到它无效，自动滤除同步字串，这就保证了只将有奖惩 数据写入FIFO，避免同步字将FIFO填满。电路板设计应采用四层板，CFY7B923/933的位置应靠近双绞线接口使连线最短，连线长度应尽量保持对称。输出输入端都应接匹配电阻，如图3所示。R1、R2阻值由下式给出：R1=(VccRt)/Vtt;R2=(VccRt)/(Vcc-Ctt)。式中，Rt为传输线阻抗；Vtt=Vcc-2V。Vcc=5V，UTP双绞线阻抗为100Ω，则R1=183Ω,R2=275Ω。

    发送数据前，先进行系统自检，然后进入传输状态，数据在发送时钟CKW上升沿进入发送器，通过发送器的延迟为21tB-10ns（tB为移位时钟周期，tB=1/10CKW），经传输线、变压器进入接收器，数据通过接收器的延时为24tB+10ns。变压器隔离传输线上可能的高电压，并有带通滤波的作用。当7B933的RF=H，成帧器使能，成帧器开始搜导数据流中的同步字K28.5,并以K28.5边界为基准，确定后续数据的字节边界。一些随机错误可导致串行数据变成同步字K28.5，造成错误成帧。为避免出错，可在数据同步过程中关闭成帧器，即令成帧器使能端RF=L，或令RF=H超过2048字节，此时需在连续5字节中有两个K28.5才能启动成帧功能，可大大减少偶然错误导致成帧。

作者在一VME总线长距离高速点对点串行通信系统中，采用最大数据传输率为330Mbps的标准CY7B923/933ey UTP双绞线，实现了400Mbps的串行数据传输，工作稳定可靠，误码率小于10 -10。该工作是在中科院高物理研究所过雅南研究员、赵棣新研究员的指导下完成的，在此表示衷心地感谢！