为什么有这么多标准?

似乎每天都有更多的标准，有些人传言有一场合并或巩固一些现有标准的运动。我们将研究其中的一些标准以及它们是如何形成的。对于初学者，我们将把自己限制在行业中的三种主要类型的标准:板载或内部、输入/输出(I/O)和网络。I/O和网络是相似的，但是网络标准通常比I/O标准适用于更远距离的链路。正如经常发生的那样，这些类型之间存在重叠，并且有些类型(例如PCI-express)具有适用于其中多个类型的标准。

历史的角度

早在网络和个人计算机出现之前，计算机就需要一种机制来处理从中央处理器(CPU)到各种接口设备(如存储器)、外部设备(如读卡器、磁盘和磁带驱动器)以及人机界面(如键盘和显示器)的数据传输。即使在那时，也知道占用CPU来执行这些任务会降低系统的整体效率。

1957年，IBM在其System 7091通用计算机中引入了一种解决方案，目的是将主CPU从处理I/O请求中解放出来。它被称为通道结构，由9个输入信号，9个输出信号和一些控制信号组成。在操作系统中添加了一些特殊的命令来调用这个处理器来处理I/O操作。一个独立的专用处理器从主CPU中卸载I/O任务，使其能够将大部分资源用于计算，从而最大限度地提高系统效率和吞吐量那时，系统之间的任何连接都是专有的。甚至不鼓励将第三方I/O设备连接到计算机本身。IBM 709通道被IBM的System/360通道所取代，后者也被视为一个关键的专有功能。

直到20世纪60年代末的阿帕网和70年代的以太网才出现了多厂商网络技术。1973年，施乐公司帕洛阿尔托研究中心(PARC)的罗伯特·梅特卡夫博士在一份备忘录中首次描述了以太网IBM在1974年推出了它的系统网络架构(Systems Network Architecture)，它促进了计算机之间的通信，并被广泛应用于大型企业设备中。

第一个多厂商以太网网络标准于1980年由DEC- Intel-Xerox联盟发布，该标准允许来自多个公司的计算机相互通信(“互操作”)它以10mbps的速度运行，使用载波感知多址/冲突检测协议。此后不久，IBM推出了其竞争对手令牌环技术，IBM声称该技术在大量用户面前表现出色。令牌环局域网(LANs)使用IBM收发器ic和不同于以太网的布线技术，但市场更喜欢以太网而不是令牌环技术，它最终被以太网取代。两者都被电气和电子工程师协会(IEEE)采用，分别作为其802.3和802.5标准。

1984年，国际标准化组织(ISO)发布了开放系统互连(OSI)七层模型，⁵它为互操作网络提供了一个框架。它的第一层，即物理层，定义了确保系统间信号兼容的电接口。从那时起，兼容osi的以太网版本产生了许多不同的网络技术，包括具有许多不同实现的城域网(MANs)和局域网(lan)。这些在具有各种速度和拓扑的大量IEEE 802标准中进行了指定，包括802.3(以太网局域网)、802.5(令牌环局域网)、802.11(无线局域网)、802.14(城域网)和802.15。

内部计算机接口标准

在20世纪70年代末和80年代初，当更小的“个人”计算机首次出现时，I/O操作只是由各种插件卡执行的另一项功能，这些插件卡通常通过计算机机箱内的并行总线连接。在那之前，“微型计算机”使用专有的内部并行总线。总线上的设备包括内存、磁盘驱动器、串行和并行通信接口、显示控制器，以及用于以太网等设备的网络适配器。

IBM在1981年宣布其个人电脑时打破了传统，并发布了XT总线规范，希望促进其在行业中的接受度。事实证明，个人电脑及其“克隆产品”大受欢迎，一些公司应运而生，它们的唯一目的似乎就是开发和销售兼容的外设、适配器和设备。

8位IBM PC XT总线被其他人采用，并被称为工业标准(ISA)总线。IBM发布了16位版本的PC AT(主板如图所示)图1)，它也被业界采用，随后是IBM的16位和32位版本的MicroChannel架构在1987年的Personal System 2系统中。然而，由于包括许可问题在内的一系列原因，微信并没有像它的前辈那样被广泛接受。

相反，业界主要使用32位EISA总线，这是AT总线的后续产品，然后迁移到外围组件互连(PCI)总线，该总线由PCI特殊兴趣组(PCI SIG)开发并于1992年发布。其他特殊用途接口，如VESA(视频电子标准协会)本地总线视频接口(VLB)，7 Compact PCI和加速图形端口(AGP)也被开发用于特定应用。当前的PCI-express是这些接口的最新化身，已被广泛采用，并在继续发展。它的规范也是由PCI SIG开发和控制的，特殊的高速接口，如PCI- x和QPI，也为高性能服务器实现开发，但它们太多了，无法在这里讨论。这些不同接口的特性列于表1。⁸

PCI-express实际上包括多个标准，一个用于基板和适配器卡，另一个用于计算机机柜外的连接的单独布线标准。每一代都有多个链路宽度的实现，而gen - 1之后的每一代都有每个通道的多个链路数据速率。链路是单向的，因此“x1”链路由两个数据“通道”组成，每个方向一个通道。针对工业(PCIMG)、电信(Compact PCI)和测试(PXI)应用程序的PCI总线还有多种变体，超出了本文的讨论范围。

存储标准

除了这些接口之外，存储领域(直到最近主要是磁盘驱动器)还开发了许多专门用于连接其设备的接口系列。其中一些用于计算机内部，而一些应用于外部设备。其中一些标准是通过将驱动控制器集成到驱动包本身中来实现的;最终，它们的发展是由于对更低成本和更高性能的渴望。

这些标准包括增强型小磁盘接口(ESDI)、集成驱动电子(IDE)、光纤通道、ATA和SCSI(小型计算机系统接口)，这些标准最初是由不同的公司或行业团体发布的。ATA主要用于消费计算机领域，而更健壮(和昂贵)的SCSI在商业计算中占主导地位。ATA接口的并行形式是多设备总线，而并行SCSI是点对点。其中一些存储标准，例如光纤通道、SAS和SCSI，后来被美国国家标准协会(ANSI)采用，该协会合并为国际信息技术标准委员会(INCITS)。光纤通道在某种程度上是一个特殊的情况，因为它可以被认为是一种存储和网络标准，由于它的长距离能力。中包含了这些接口的部分列表表2。

SCSI接口有许多变体，如Fast、Wide、Fast Wide、Ultra、LVD等，每种都有不同的总线宽度和速度。具有一种数据宽度的设备可以与具有不同数据宽度的其他设备混合使用。并行SCSI的一些实现使用单端信令，而另一些使用差分信令，后者中的一些使用高压差分信令(HVDS)，而另一些使用低电压(LVDS)，等等。

随着时间和技术的进步，ATA和SCSI的并行形式被串行版本所取代，如表2所示。它们今天仍在广泛使用，并提供比它们的并行前身高得多的吞吐量。遵守这些标准避免了由于不兼容的电气接口而产生的问题，并且它促进了多个供应商的磁盘驱动器与规范兼容系统的使用。串行接口还提供了更低的成本，以及机械优势，包括计算机柜内较少的气流阻塞，因为连接电缆比它们所取代的并联电缆窄得多。SAS比S-ATA更健壮，但速度也更快，它是全双工而不是S-ATA的半双工。

I / O标准

许多其他接口被开发出来，以取代用于连接外部设备(如打印机、通信设备和显示器)的传统串行和并行I/O接口。其中许多也用于非计算机消费设备，如数字电视、音频系统、相机和游戏系统。一般来说，新标准是为了满足对更好性能的需求而开发的:比现有标准允许的更高的比特率、更高的分辨率、更多的颜色等。一些标准是由一家公司作为专有接口开发的，然后发布用于一般用途。其中一个例子就是FireWire，它后来被IEEE采纳为1394标准。在撰写本文时，最普遍的串行接口是通用串行总线(USB)。表3列出其中一些接口。

该标准规定了电气接口(信号电平、比特率、阻抗等)以及连接器和电缆，以确保机械兼容性。与磁盘驱动器一样，使用标准投诉接口有助于规范兼容设备之间的互操作性。还有一整套I/O接口用于计算机和视频显示。表4列出一些这样的接口。电视有自己的一套标准，包括模拟电视和数字电视，这超出了本文的范围。手机吗?当然，他们是有标准的
了。然而，我们不会在这里讨论它们。

网络标准

当20世纪90年代第一批网络交换机ic问世时，网络世界发生了重大转变。紧随其后的是公共电话网的数字化和公共交换电话网(PSTN)的创建。在此之前，网络是由共享媒体构成的，在给定的时间内，只有一个设备可以进行通信。同时发送的请求通过碰撞检测方案(如以太网中使用的CSMA/CD)或传递“令牌”(IBM的令牌环或令牌总线)进行管理。

有了这种新的交换技术，所有分组的数字数据，无论是来自声音、音乐、视频还是计算机内存的内容，都可以以同样的方式处理，作为串行比特流。开关IC架构演变为包括“非阻塞”类型，因此来自不同来源的多个比特流可以同时传输。再加上更小的晶体管特性尺寸带来的密度和速度的增加，以及功能的增加和功耗的降低，推动了网络接口的链路速度能力迅速上升，从1973年的10 Mbps上升到本文撰写时的每通道56 Gb/s。

这些趋势催生了全新的网络体系结构和相应的通信标准，其中一些标准列于表5。InfiniBand™,¹³例如，最初是为需要低延迟的大型超级计算机集群开发的。交换系统的拓扑示例如图所示图2。

技术差异

有许多参数可以识别网络标准之间的相似性或区别。选择要使用的标准的一些标准是期望的数据速率、延迟(包处理延迟)、可接受的错误率、对丢包的容忍度、链路的最大长度等。其他考虑因素包括用于数据传输的物理介质、材料(铜线或光纤电缆)和基础设施硬件(如交换机)的可用性。对这些问题的详细讨论远远超出了本文的范围。然而，我们将总结和讨论一些关键的技术差异，以便读者有一个基本的了解。

随着网络速度的提高，如果没有技术创新，保持可接受的低链路错误率变得越来越困难。所涉及的一些技术包括均衡，以补偿高频信道信号损失和反射，噪声消除或缓解。各种标准已经根据需要采用了其中的一种或多种技术，类似的技术可以跨多个标准使用，但实现细节不同。例如，两个标准可能需要相同类型的均衡电路，但具有不同的均衡器长度。此外，实现细节并不总是非常详细地指定，以允许设计创新。下面几节将讨论其中一些实现细节。

延迟和纠错

错误校正通常用于高数据速率，以防止由于低信噪比而在数据流中引入错误。里德-所罗门纠错是一种常用的纠错方法。不幸的是，纠错也会给信道带来延迟，因此在高性能计算(HPC)环境中是不可取的。

编码

对单个符号和/或数据块进行置乱或编码通常用于高数据速率，以防止由于长时间运行逻辑1或0以及由此产生的能谱而导致的问题。一些典型的编码方法是8b/10b或64b/66b。

调制

传统的计算机接口使用不归零(NRZ)信号，其中只使用两个信号电压，对应于逻辑“1”和“0”，也称为PAM-2(2级脉冲幅度调制)。由于在25gb /s/lane或更高的速度下会遇到严重的高频损耗，许多标准正在转向多级信令，最突出的是PAM-4。使用PAM-4信号，允许四个不同的电压电平，并且允许从四个电平中的任何电平到任何电平的连续位之间的转换。PAM-4的功率谱是这样的，在相同的数据速率下，大部分能量被包含在NRZ信号的一半带宽内，使PAM-4更能容忍信道中的高频损失。然而，由于电平在电压上比NRZ更接近，PAM-4更容易产生串扰和其他噪声。

均衡

均衡可以有多种形式，但最常见的是在发射器和接收器中的数字滤波器和接收器中的连续时间线性(模拟)均衡。发射均衡通常采用前馈均衡器(FFE)的形式，而接收器可以采用FFE、连续时间线性均衡器(CTLE，峰值放大器)、决策反馈均衡器(DFE)或它们的某种组合。每种类型都有其优点，并且能够补偿信道中不同类型的损失，信道是信号从发射器到接收器的传输路径。这可能包括一个发送模块包、印刷电路板布线、连接器、电缆(可能是其中几个的组合)和接收模块包。

在需要均衡的情况下，相关规范可能不仅规定了均衡器抽头的数量，而且还规定了这些抽头的允许值范围或值范围、允许组合的数量和其他细节。在接收器中，所需的水龙头数量可能是一个最小值，而不是一个固定值，以允许设计师进行创新和差异化。可以指定CTLE增益范围和/或值，以及增益峰值的频率。在以后的文章中可能会对这些主题进行更详细的讨论。

合规/一致性标准

除了频域插入损耗外，串行链路标准开始时还强调时域参数，如阻抗、倾斜和时域串扰。随着时间的推移，信道损伤变得越来越严重，除了插入损耗和回波损耗外，还越来越重视频域量，如插入损耗偏差(ILD)和插入损耗串扰比(ICR)。尽管如此，仍存在一些链路满足规范要求但运行失败的情况。

为了更彻底地捕捉损伤的影响以及插入损耗和串扰等参数之间的相互作用，最近的一些标准采用了额外的一致性测试，如通道运营裕度(COM)和有效回波损耗(ERL)。

表6列出了一些互连标准及其与这些不同特性相关的特性。可以看到，随着传输速度的增加，不同标准之间的要求差别很大，甚至在给定的标准家族中也是如此。

标准发起人和发展

有些标准是由政府或准政府组织制定的。其中一些组织包括ISO、国际电工委员会(IEC)、欧洲电工标准化委员会(CENELEC)、ETSI、加拿大标准协会(CSA)、保险商实验室(UL)、国际电信联盟(ITU)和ANSI。其他标准由技术、工业或市场组织制定，如EIA/ECIA、JEDEC和IEEE。

在某些情况下，电子行业选择不等待IEEE开始采用特定的标准。取而代之的是，组成联盟、sig或行业贸易协会来开发和发布标准。这些组织的一些例子是光纤通道工业协会、PCI-SIG、InfiniBand贸易协会、USB实现者论坛、SCSI贸易协会、HDMI实现者论坛、光互连网络论坛(OIF)和小尺寸委员会(SFF)。个别公司也可以开发一个标准，然后将其发布给行业，以促进IEEE或其他组织的采用。

连接器的标准

为了促进设备之间的互操作性，不仅要确保电气兼容性(信号水平，比特率等)，而且在将印刷电路板连接在一起或将电缆连接到电路板时，使用机械兼容接口也是必不可少的。连接器就是用于这个目的的。有许多连接器制造商，他们都声称自己拥有适合特定应用的最佳连接器。

连接器标准的采用确保了在同一应用中，从一个制造商到另一个制造商的配合接口和机械特性是兼容的。除此之外，一些连接器用于多种应用，因此必须通过一些特殊功能来区分，例如机械键或内置在连接器外壳中的可电子读取的eeprom。这些特性通常在相关的接口标准中定义。表7列出了一些常见的连接器标准及其应用。

请注意，也有各种各样的SFP和QSFP连接器正在制造和用于各种铜和光学应用。这些变体包括SFPDD, OSFP, QSFP-DD，并提供更小的尺寸，因此更高的I/O面板端口密度，为大功率应用提供更好的冷却等。

测试及环境标准

你觉得这就够标准了，对吧?还有很多。特定的国家或贸易集团(例如，中国、欧洲的IEC、美国的ECIA)都有自己的标准，其中一些标准对其他标准中涵盖的相同产品有不同的要求。有一些标准定义了如何校准测试设备，如何测试组件、系统和网络，以及材料和环境要求。否则，由于一个实验室的程序、设置和方法可能与另一个实验室不同，因此对测试结果几乎没有信心。各个接口和网络标准通常定义它们自己的测试参数，但结果的有效性也取决于这些基本假设。其中列出了一些相关标准中的极少数表8。

结论

本文只提供了现有标准的一个很小的快照。如果您最喜欢的标准没有在这里列出，请不要生气。底线是:标准促进兼容性和互操作性。在电子世界中，它们确保系统能够“很好地协同工作”，并且来自不同来源的测试结果是可信的。

有人可能会问，为什么我们需要这么多标准，或者标准是否会合并?笔者怀疑是否会出现显著的合并。当然，一些标准已经并将逐渐消失，因为它们被提供更好性能或功能的新标准所取代。标准之间的差异通常是由于希望为特定应用程序提供最大的性能或可靠性，这有时会排除通用性。系统和设备生产商采用新标准最终会减少以前标准的使用。与此同时，我们中的一些人骑着老技术的马，只要它继续做我们需要完成的工作。也许是怀旧，谁知道呢——还记得黑胶唱片和胶片相机吗?有些事情永远不会消失。

鸣谢

作者要感谢Mentor Graphics的Cristian Filip提供的关于均衡器和在各种串行链路中的使用的信息。本文中的其他信息在撰写时作者认为是准确的。然而，鉴于这一主题的明显复杂性，可能会出现一些错误。

文章发表于《上海日报》2019年7月版第8页。

参考文献

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4.同前。
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10.维基百科,“USB”,https://en.wikipedia.org/wiki/USB。
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12.“数字视觉界面1.0修订版”，数字显示工作组，1999年4月2日，https://web.archive.org/web/20120813201146/http:/www.ddwg.org/lib/dvi_10.pdf。
13.InfiniBand是InfiniBand贸易协会的商标。
14.长度的依赖。