Проект гигабитного Ethernet-коммутатора

Гигабитный Ethernet теперь фактически является стандартом начального уровня для офисных и коммерческих сетей. Существует множество компонентов, которые можно использовать для создания простого Ethernet-коммутатора, но в этой статье мы покажем примерный дизайн коммутатора Ethernet с большим количеством портов. Дизайн, показанный в этой статье, также включает расширение для оптоволоконного кабеля с коннектором SFP. Для успешной реализации этого проекта требуется выполнение нескольких общих аспектов высокоскоростного дизайна, включая:

• Распределение контактов BGA
• Дизайн дифференциальной пары
• Размещение конденсаторов AC-связи
• Проектирование с питающими плоскостями в больших BGA
• Однополярные и дифференциальные интерфейсы высокой скорости

Как обычно, файлы проекта можно скачать с моего веб-сайта. Вы также можете проверить ссылки для скачивания во встроенном просмотрщике Altium 365 ниже. Щелкните по этой ссылке, чтобы скачать ZIP-архив с исходными файлами проекта, или вы можете использовать ссылку для скачивания во встроенном элементе.

Основные компоненты в коммутаторе Gigabit Ethernet

Этот проект Ethernet-коммутатора основан на серии процессоров Ethernet-коммутаторов VSC742x от Microchip. Эти процессоры могут быть соединены с соответствующим расширяющим PHY, который подключается к процессору коммутатора через интерфейс SGMII. Также предусмотрены дополнительные компоненты для памяти и внешней связи, а также несколько регуляторов напряжения. Список основных компонентов в схемах включает:

• Основной процессор Ethernet-коммутатора VSC7426 и расширяющий PHY VSC8574
• ОЗУ DDR2
• Флэш-память SPI
• Последовательный приемопередатчик RS-232
• Схема переключения для волоконно-оптического приемопередатчика
• Разъем для входа 12V
• Регуляторы напряжения для 3.3V, 1.8V, 1.2V и 1.0V

В общей сложности устройство поддерживает 12 стандартных Ethernet-портов, включает один порт для восходящей линии связи и один порт SFP для волоконно-оптического приемопередатчика. Дизайн также включает последовательный интерфейс, выведенный на разъем RJ-45 без схемы завершения mag jack.

Схемы VSC7426 и VSC8574

В файлах проекта схемы для переключателя и портовых интерфейсов находятся на страницах один, два и три. VSC7426 включает интерфейс DDR2 и использует внешнюю микросхему DDR2 RAM. Он имеет несколько GPIO, которые могут функционировать как индикаторы, хотя предоставляемое производителем программное обеспечение также предоставляет необходимые сообщения о состоянии в терминале.

Схемы для этого дизайна в общих чертах основаны на справочном дизайне VSC7426/VSC7427 от Microchip. Вы можете получить доступ к оригинальному справочному дизайну на веб-сайте Microchip.

Схемы цепей VSC7426 и VSC8574 показаны на изображениях ниже. VSC7426 является звездой шоу и обеспечивает до 16 портов RJ-45. VSC8574 используется для расширения этого количества портов и общается с VSC7426 через интерфейс SGMII. Включены конденсаторы переменной связи, как это стандартно для SGMII. Обратите внимание, что в документации Microchip по этому чипсету рекомендуется обновление VSC8574 до VSC8664; однако публично доступный встроенный пакет ОС совместим с чипом VSC8574.

Некоторые настройки VSC7426 определяются через набор конфигурационных резисторов на выводах C6, C7, C8 и C9. Ниже показан массив резисторов на 1 кОм, которые можно устанавливать или удалять по мере необходимости для переключения различных функций на VSC7426. VSC7427 также может использоваться в этом дизайне, но это требует изменения некоторых настроек резисторов, как подробно описано в нижнем левом углу изображения.

Эти чипы имеют несколько шин питания и используют значительное количество энергии для генерации тактового сигнала и сигнала. Как видно ниже, чипы используют значительное количество развязывающих конденсаторов для обеспечения целостности питания.

Вы заметите, что для изоляции элементов из-за высокого потребления тока в основном логическом питании используются ферриты. Как уже упоминалось в некоторых других статьях Altium, этот подход иногда работает для изоляции более медленного ФАПЧ или аналоговой шины от быстрой цифровой шины, идущей параллельно, но необходимо провести тестирование, чтобы подтвердить, что феррит не усиливает переходные процессы между двумя шинами. Это то, о чем я подробнее расскажу в предстоящей статье и видео, но пока я отсылаю читателей к старой презентации DesignCon, которая обсуждает этот конкретный случай использования ферритовых бусин.

• Узнайте больше о передаточном импедансе в PDN
• Посмотрите отрицательный результат от изоляции с помощью ферритовых бусин

Схема соединителя SFP

На изображении ниже показана схема соединителя SFP, используемая для подключения к оптоволоконному передатчику. Показанная здесь схема соединителя SFP используется в других проектах с пропускной способностью до 10 Гбит/с. Соединитель SFP требует наличия нескольких конфигурационных резисторов для доступа к определенным функциям оптоволоконного передатчика. Некоторые из них на схеме ниже отмечены как DNI, поскольку они не требуются для минимально жизнеспособной функциональности оптоволоконного передатчика.

В дополнение к использованию MOSFET для переключения пина Tdis, между VSC8574 и MOSFET существует дополнительная логика. Можно обойти эту дополнительную логику, если хочется постоянно включить оптоволоконный передатчик. Для этого подайте высокий уровень на затвор MOSFET или подайте низкий уровень на пин включения, и это переключит передатчик.

Еще один важный момент здесь - это резисторы с нулевым сопротивлением на линиях RX и TX. Резисторы с нулевым сопротивлением могут быть заменены на конденсаторы AC связи, но это не обязательно. Причина в том, что AC связь уже встроена в стандартизированные модули передачи оптического волокна. При использовании этой схемы на скорости 1 Гбит/с, замена резисторов с нулевым сопротивлением на конденсаторы AC связи различных номиналов скорее всего не принесет никаких преимуществ или недостатков для целостности сигнала. Если эта схема будет использоваться на более высоких скоростях передачи данных, конденсаторы связи и их расположение могут быть скорректированы на основании причин, которые я описываю в этой недавней статье.

ОЗУ и флэш-память

В дизайне используются как флэш-память, так и ОЗУ для хранения данных и содержания бинарного файла прошивки соответственно. В дизайне предусмотрено два чипа флэш-памяти, как показано ниже, хотя для минимально жизнеспособного дизайна требуется только один из них. Меньший по размеру 128-мегабитный чип NOR флэш-памяти Macronix (MX25L12835FMI-10G) был использован в нашем демонстрационном ПП и применяется в производственных версиях этого дизайна.

ОЗУ и флэш-память, найденные в SCH003.

Флэш-память должна быть подключена к SPI и будет записана с использованием внешнего программатора через разъем SWD. Об этом будет рассказано более подробно позже.

В дизайне могут быть использованы еще две микросхемы памяти:

• U8: Infineon S34ML02G100TFI000 (2 Гбит параллельная NAND flash)
• U9: ISSI IS25LQ010B-JNLE (1 Мбит NOR SPI flash, в настоящее время устаревшая)

На нашей демонстрационной плате эти элементы помечены как DNI и не были включены в сборку.

RJ-45 к Serial/RS-232

Один из способов быстро подключиться к Ethernet-коммутатору, установленному в стойке, - использовать последовательный порт. Чтобы сделать порт доступным через корпус устройства, одним из вариантов может быть вывод последовательного порта через разъем RJ-45. Это делается ниже с использованием разъема без магнитной индукции. В зависимости от ориентации последовательного порта RJ-45, кабель может быть проложен к патч-панели, и техник может подключить свой компьютер к патч-панели для доступа к последовательному порту.

Доступ к последовательному порту также был добавлен с использованием двухконтактного разъема на входе приемопередатчика RS-232 (J5 на изображении выше). Это дает вам доступ к последовательному порту через модуль USB-to-UART.

Размещение на печатной плате

На этом дизайне установлено три BGA, самый большой из которых - VSC7426 с 672 контактами. Большинство контактов на VSC7426 и VSC8574 являются землей и питанием, поэтому нам не потребуется плата с очень высоким количеством слоев для завершения трассировки. Эта плата была выполнена с использованием шести слоев с показанной ниже структурой.

Структура печатной платы и настройки импеданса

Эта структура почти соответствует стандартной структуре от JLCPCB, хотя допуски на DDR2 и Ethernet позволяют некоторое изменение толщин слоев. До тех пор, пока внешние слои тонкие, а внутренний основной слой толстый, дифференциальный импеданс и однополюсный импеданс контролируемых линий импеданса попадают в целевой импеданс в пределах разрешенных допусков. Тонкие внешние слои обеспечивают, что наша микрополосковая трассировка не будет слишком широкой, поскольку линии Ethernet и DDR2 требуют контролируемого импеданса.

Все дифференциальные пары в дизайне были проложены с дифференциальным импедансом 100 Ом. Хотя структура была специально разработана для производства в широком диапазоне производственных мощностей, демонстрационная плата, показанная далее в этой статье, была изготовлена в JLCPCB с одной из их стандартных структур.

Распределение контактов BGA

Чипсет Ethernet PHY и чип DDR2 имеют шаг шариков 1,0 мм и 0,8 мм соответственно. Это означает, что мы можем использовать сквозные переходные отверстия с распределением в виде собачьей кости для доступа к внутренним рядам BGA. Нам также не нужны слепые и закрытые переходные отверстия для Ethernet-соединений, поскольку чипы VSC имеют Ethernet-контакты, сгруппированные вокруг края корпусов. Это означает, что Ethernet-дорожки могут быть направлены прямо в корпуса как дифференциальные микрополоски. Ниже показана эта трассировка, включая небольшие секции настройки длины, где в трассировке присутствуют углы.

Трассировка DDR2

Далее, шина DDR достаточно широка, что требует использования двух слоев для полной трассировки в чип DDR. Это показано на двух скриншотах ниже. Шина DDR трассируется с импедансом 50 Ом на внутреннем и внешнем слое; дифференциальные часы показаны на слое 4.

Это вполне приемлемо выполнять такой тип трассировки для параллельной шины, но это требует настройки задержек между внешними и внутренними слоями. Поскольку задержка распространения микрополосы определяется эффективной диэлектрической постоянной, сигналы, проходящие вдоль микрополосы и стриплайна, будут иметь разные скорости распространения. Это требует настройки задержек на разных слоях, чтобы гарантировать, что все сигналы на шине DDR2 прибывают в требуемое временное окно.

Параллельный интерфейс

Параллельный интерфейс NAND flash не был установлен на демонстрационной плате, но дизайн предусматривает его использование при необходимости. Параллельный интерфейс использует 8 согласованных по длине дорожек для трассировки между VSC7426 и параллельным флешем. Эта трассировка ограничена 4 слоем и показана ниже (параллельный интерфейс выделен).

Питание и заземление

Поскольку этот дизайн включает в себя процессор, который имеет множество высокоскоростных входов/выходов, работающих одновременно, необходимо реализовать некоторые основные принципы целостности питания. На схеме мы показали большое количество конденсаторов, используемых на логических шинах, но печатная плата также требует плоскостной емкости для стабильности питания в диапазоне 100 мегагерц. Это требование к стабильности питания применимо здесь, поскольку интерфейсы Ethernet, предоставляемые в этом устройстве, имеют требования к полосе пропускания канала в диапазоне 100 МГц, поэтому нам нужно обеспечить стабильное питание по крайней мере до этих частот.

• Узнайте больше о факторах проектирования печатных плат и корпусов, влияющих на энергетическую целостность

Для этого мы прокладываем большие шины на 3-м слое для прямого питания высокоскоростных входов/выходов напряжением 3,3 В, 2,5 В, 1,8 В и 1,0 В.

Чтобы обеспечить низкую индуктивность соединений для каждого конденсатора, все маленькие обходные конденсаторы были установлены непосредственно на обратной стороне печатной платы, за пакетом BGA VSC7426. Прямое соединение через пару сквозных отверстий до шариков на пакете BGA добавляет примерно 1 нГн индуктивности к значению ESL конденсатора и ограничит способность маленьких SMD обходных конденсаторов реагировать в диапазоне 10 МГц. Тот же подход был применен и к VSC8574.

Декуплирующие/обходные конденсаторы подключены напрямую к сквозным отверстиям на парах контактов питания/земли, чтобы обеспечить низкоиндуктивные соединения на конденсаторах.

Вместе взятые, объемные конденсаторы на источниках питания, обходные и декуплирующие конденсаторы на BGA, емкость плоскостей от больших шин и емкость на кристалле в Ethernet-чипсете коллективно покрывают диапазон до ГГц и помогают обеспечить энергетическую целостность.

3D Модель

Полная 3D-модель готовой платы печатной схемы показана ниже. Мы можем видеть 12x RJ-45 портов, дополнительный GbE Uplink порт, подключенный к VSC8574, последовательный RJ-45 коннектор и SFP-клетку для нашего оптоволоконного трансивера.

Программирование и запуск

VSC7426 работает на встроенном ядре Linux с использованием RedBoot в качестве загрузчика. Встроенная ОС устанавливается просто, а код доступен от Microchip. Производитель предлагает разные версии кода в зависимости от частоты основного тактового сигнала, расширения PHY и настроек конфигурации, используемых в дизайне. Чтобы помочь читателям быстро начать работу, я включил рабочий бинарный файл прошивки в файлы проекта.

Для записи бинарного файла на устройство пользователям потребуется программатор с интерфейсом SPI. Программатор, который я предпочитаю использовать для прошивки, это программатор Forte, который доступен на ASIX.net. Этот программатор поддерживает длинный список микроконтроллеров и памяти, включая Macronix SPI NOR flash, используемый в этом проекте. Видео в конце этой статьи демонстрирует шаги прошивки с использованием программного обеспечения для программирования ASIX UP и программатора Forte.

После завершения процесса прошивки выключите питание конструкции, отсоедините программатор и подключите последовательный мост к 2-контактному разъему (J5) для доступа к интерфейсу UART (скорость передачи данных 115200 бод). Затем снова подайте питание, и конструкция загрузится до приглашения входа в систему; войдите с именем пользователя admin, пароль пустой.

Вывод в терминале (в TeraTerm) после загрузки устройства и входа пользователя

Для полного запуска конструкции и активации каждого из портов требуются дополнительные инструкции. Чтобы выполнить эти задачи, инструкции можно найти в файле “VSC5611EV Mechanical Assembly and Programming Guide.pdf” в папке Binaries в исходных файлах. Инструкции по программированию начинаются с 18 страницы PDF-файла.

Полный обзор проекта на Altium Academy

Видео ниже показывает нашу работу по запуску и обзор конструкции печатной платы на канале Altium Academy на Youtube. Чтобы узнать больше об этом проекте и о процессе прошивки, вы можете посмотреть следующее видео.

Вне зависимости от того, нужно ли вам создать надежную электронику питания или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 сегодня.