专利名称：先进的光纤总线系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤总线的物理结构，属计算机、通讯领域。
目前网络及通讯领域已经使用多种成熟的光纤传输技术，例如千兆光纤以太网，其传输频率可以达到1GHz。而在长途传输技术上，成熟的技术是2.5G DWDM，目前已有报道40Gbits/S的光纤通信产品问世。我们知道光纤通信技术目前仍然没有应用于计算机总线领域。
使用导线作为传输介质的总线系统存在的缺陷在于1)高频特性不好，当总线频率达到数百兆赫兹时，要将大量模块连进总线系统时，需要耗费大面积的电路板进行布线，而线损和线间的信号串扰使得信号传递几乎无法进行。2)目前的所有总线系统都只规定了逻辑标准和接口部分的物理标准，在总线标准实施上，人们每年每月都要花费大量的人力、物力、时间不断进行新的布线设计、电路板制造。每时每刻都有大量的系统主板被淘汰，电脑升级时，人们往往要丢掉一块(台)PCI标准的电脑主板换另一块(台)也是PCI电路的电脑。这样一来浪费是惊人的。
本发明所涉及的总线系统只涉及一致性很高的制造工艺、技术和流程，不需要不断地进行复杂的、没有一致性的电路板布线设计、制造和测试，可以完全去掉这些以往计算机工业制造所需的流程，提高计算机制造业的生产效率，同时可为用户节约大量成本。
由于使用光而不是电进行连接，本发明能提供带电拔插的功能，还能提供控制、传输信令完全可自定义的高级性能。这些性能在以电气连接的系统里是难以实现的。本发明的总线体系还提供多点对多点同时寻址、读写数据的性能，这种性能是通过一种特殊的基本先进光纤总线单元BU和以此为基础的多先进光纤总线结构来实现的。
图2是从另一个角度显示的BU，12是光纤阵列，13是电气插孔区域，14是其中一个电气插孔。
图3是先进光纤总线接口(Advanced Optical Fiber Bus Interface简称AOFBI)的基座，12是光纤阵列，13是电气插孔区域，14是电气插孔，15是光纤孔。
图4是先进光纤总线接口(Advanced Optical Fiber Bus Interface简称AOFBI)，对应于AOFBI基座，12P是光纤阵列，13P是电气插头区域，14P是电气插头，15P是光纤孔。
图5是基本的先进光纤总线单元BU内部的共享数据广播通道、共享控制信号通道的逻辑连接图，1BC表示AOFBI基座1内的共享数据通道B、共享控制信号通道C的接口，2BC表示AOFBI基座2内的共享数据通道B、共享控制信号通道C的接口，3BC表示AOFBI基座3内的共享数据通道B、共享控制信号通道C的接口，4BC表示AOFBI基座4内的共享数据通道B、共享控制信号通道C的接口。每个通道由若干位构成，每个位对应一个光纤孔，4个接口上的同一个位通过两对特殊的耦合光纤完全连通起来，任一位发出的光信号可以同时到达其他3位的接口。所有位的耦合光纤集合起来后，就成为图中的两对(一灰一白)“X”形的总线。
图6是基本的先进光纤总线单元BU内部的专用数据通道逻辑连接图，每个AOFBI基座都有3个专用数据通道接口，它们分别被记为D1，D2，D3，将4个AOFBI基座的号码冠到D1，D2，D3的前面就可以给BU内的每个专用数据通道接口编址了，在BU内共有6个专用数据通道，它们是1D1-2D1，1D2-3D2，1D3-4D3，2D2-4D2，2D3-3D3，3D1-4D1。
图7是AOFBI基座和AOFBI连接后的光纤阵列部分纵切面局部放大图，为了能看清楚，水平方向的结构比垂直方向多放大了将近十倍。16是AOFBI基座部分，16P是AOFBI部分，17是两个接口面的界面，15和15P是光纤孔，18和18P是大直径透明柱体，19和19P是透明柱体的凸透镜，20和20P是圆锥形空腔，21和21P是接口内的光纤埋孔，22和22P是光纤的外纤(cladding)，23和23P是光纤的内纤芯(core)。24-25为光路。
图8是一种可应用于先进光纤总线接口AOFBI及其基座的接口表面结构图，为看清楚，光纤孔15和15P的直径被放大了。26是透明高折射率的界面油，27是穿过的光路。
图9是多先进光纤总线Multi-AOFB的6种常见逻辑拓扑图，T1是两个BU一个双口S桥接器组成的多总线结构，它可以容纳6个IDU，T2是3个BU一个3口S桥接器组成的多总线结构，它可以容纳9个IDU，T3是3个BU和3个双口S桥接器组成的环型多总线结构，它可以容纳6个IDU，T4是4个BU和3个双口S桥接器组成的多总线结构，它可以容纳10个IDU，T5是5个BU和4个双口S桥接器组成的星型多总线结构，它可以容纳12个IDU，T6是4个BU和4个双口S桥接器组成的环型多总线结构，它可以容纳8个IDU。
对于产业界来说，实施AOFB首先要确定通道的位数，可能的方案是64、128或256位。这样，AOFBI的5个通道(1个共享数据通道、1个共享控制信号通道、3个专用数据通道)将分别提供320光纤、640光纤、1280光纤的连接。对应到AOFBI和基座上的光纤阵列，那就是18×18、26×26、36×36。而AOFBI和基座上光纤孔15、15P的直径可以在0.1毫米~0.6毫米之间。产业界还要协商制订的标准包括AOFBI及其基座的尺寸；光纤阵列12、12P的几何尺寸、孔距、通道物理-逻辑对应关系；电气区域13、13P的几何划分，电气接口的标准，电源的电压、功率标准；最后，最重要的是，要制订一个控制信令协议或控制通道使用协议。
在电气连接的芯片-多层板电路的系统里，控制是通过芯片管脚引线的固定连接和信号电平、时序的固定匹配来实现的，例如寻址、数据读写的控制、中断请求等等，我们可以把这种控制称为硬控制。在光纤总线的系统里没有芯片管脚引线的固定连接，所以控制的概念和方法和电气连接的芯片-多层板电路完全不同。在光纤总线系统里，控制是靠信令和协议来实现的，这和通讯领域的控制概念相近，例如，可以用控制通道发送一个代表控制意义的字元或字节来实现控制，我们把这种控制称为软控制。和软控制相比，硬控制有响应速度快、处理电路简单的特点，但是软控制虽然响应速度慢些，所需的电路和软件复杂些，但是软控制能实现更复杂更灵活的控制和更好的兼容能力。当软控制面对的是大块数据传递的时候，它的控制速度和效率并不比硬控制低。本说明书不讨论这些实现控制的信令、协议和方法的制定，只提供实现这些功能的基础。
独立数据部件IDU由不同的器件生产商生产，首先，他们将一条条的内部电路信号引线接进一个个的电光转换元件，然后将光信号导进一个个的AOFBI的光纤孔，或者将来自AOFBI的一个个光信号导入连接内部电路的光电转换元件阵列。最后，将AOFBI和光电/电光转换器件阵列及内部电路封装起来后，一个IDU就制造出来了。
先进光纤总线系统对AOFBI及其基座的制造精度有很高的要求。电气插头和插孔不但用于提供电气连接，他们还有一个重要的功能，就是提供准直引导，引导AOFBI和AOFBI基座的光纤孔对齐。AOFBI及其基座的内部构造如图7所示，光纤阵列数百上千的光纤孔15、光纤埋孔21的中轴线与所有电气孔的中轴线是平行的，允许的夹角误差小于0.005弧度，同样，光纤阵列数百上千的光纤孔15P、光纤埋孔21P的中轴线与所有电气插头的中轴线是平行的，允许的夹角误差小于0.005弧度。当不易变形的电气插头和电气插孔完全接合时，21、15、15P、21P才能对直，同时，埋入的光纤22、23、22P、23P对直，埋入光纤孔15的带凸透镜19的大直径透明圆柱18和埋入光纤孔15P的带凸透镜19P的大直径透明圆柱18P对直。由于微米级的光纤纤芯23、23P的光信号被放大到了光纤孔内的大直径透明圆柱18和18p中，即使光纤孔15和15P之间出现了微小的水平位移(0.1毫米～0.2毫米数量级)也不会影响光信号的传递，最多只是多造成一些光损耗。24～25是一种理想状态下的光信号传输，但由于21、15、15P、21P对直误差的原因，它们之间的夹角并不严格等于0，而是有微小的角度，这样光信号在经过透镜聚焦后会偏离透镜中轴线，为了不使信号聚焦偏离纤芯太远，纤芯的开口位置可以放在透镜焦点之前，这样做可以减小因光信号聚焦偏离导致光信号丢失的概率，但是要付出信号大量衰减的代价。所幸的是，在先进光纤总线系统内光信号是在近距离传播的，在BU内不会超过30厘米，所以光信号传输质量不会比远程通信质量差。当AOFBI及其基座接合时，要求界面17的缝隙是均匀和足够狭窄的。
由于光在经过不同界面时会有反射现象，在图7的24～25光路里一共有4个反射面，反射面的存在会增加发送信号的衰减，同时也增加接收信号的干扰(先进光纤总线通道接口的每个位都用一根光纤同时进行发送和接收)。为此图8显示的是一个减少两个反射面的可选接口面结构方案。AOFBI基座部分16的接口表面为一个有小弧度凹进的球面。标准的先进光纤总线接口AOFBI的接口面部分16P为一个有小弧度凸出的球面。凹面放置的方向与重力方向相反，且凹面底部放置了透明高折射率的油26，这样当两个接口面对正靠拢之后空气随着接口面的靠拢被油面排开，两个接口的界面17之间就充满了均匀分布的油。接口面光纤阵的光束27就可以通过油浸界面而不是空气界面到达接口的另一边，在这个过程中有两个反射面的反射被大大消除了。
AOFBI和AOFBI基座的光纤阵列可被划分为5个通道接口，每个通道都有64或128或256位。这5个通道可以命名为共享数据广播通道B，共享控制信号通道C，专用数据通道D1、D2、D3。在
图1和图2的BU中，底板9有一个角是缺角的，这个缺角附近的AOFBI基座被编号为1，然后按顺时针的方向，依次编号AOFBI基座2、3、4。底板9为双层结构，夹层是光纤总线分布层。图中的10就是露出来的基座与基座光纤孔间的连接光缆总线，任何一对光纤孔之间的光纤长度都是相等的，这样可以保证BU内延时的一致性和信号的同时到达。底板9提供AOFBI基座的电气连接。底板9上还提供供本BU使用的光同步信号源，频率为1G、5G、10GHz。这些同步信号将通过AOFBI基座向IDU和桥接器提供控制用的同步信号。每块BU都有一个序列号可供IDU和桥接器读取，这个序列号是唯一的，它在多先进光纤总线Multi-AOFB内的远程寻址中起非常关键的作用。每个AOFBI基座的基座号都是可读取的，这是为提供寻址所必须的。
图2的BU上编号为1，2，3，4的AOFBI基座，其光纤阵列上的D1、D2、D3通道接口合起来共有12个接口，它们用6条专用光纤通道连接，具体拓扑关系为1D1-2D1，1D2-3D2，1D3-4D3，2D2-4D2，2D3-3D3，3D1-4D1。这样一种结构提供了极为强大的数据传输能力，以图1为例，5是CPU，6是存储器，7是图形处理器GPU，8是T-Bridge的话，这个系统内可能会发生以下一系列的操作CPU用1D1通道通过存储器的2D1接口向地址a1写一个数据，CPU的另一个进程从1D1通道读取从存储器送出的a2地址的一个数据，GPU通过3D3从存储器a3地址读取一个数据块，GPU将三维着色后的RGB数据通过3D1送到T-Bridge的4D1接口然后再送去显示器，T-Bridge将来自硬盘的数据块通过4D2、2D2送向存储器的a4地址的磁盘缓冲区进行更新操作，GPU和CPU通过1D2、3D2进行一个会话。在现在的PC机里，上面的大多数操作必须通过排队分时占用总线一个一个地完成，但是在先进光纤总线系统里，上面的一系列操作可以通过6个独立通道同时进行。当然，前提条件是IDU内部支持多任务，例如IDU存储器要能同时读写4个不同地址的数据。
图2的BU上编号为1，2，3，4的AOFBI基座，其光纤阵列上的B和C通道是通过一种特殊的耦合光纤结构来连接的。例如C通道的第一位C(0)，BU上有4个C(0)分别是1C(0)、2C(0)、3C(0)、4C(0)，它们的光纤孔内引出的单根光纤在出了AOFBI基座的光纤埋孔后，就各自分成两叉，光路也同时分成两叉，4个C(0)对应8根分叉光纤，然后8根光纤结成图5的4片花瓣样的结构，中间显示出它们又再重新4根汇成一根光纤，而且每个光路的光纤距离都严格相等。这样的特殊结构可以使得任何一个C(0)发出的光信号都能同时到达另3个C(0)。多个这样的特殊耦合光纤集合起来就形成了图5的B、C通道的总线结构。共享数据通道必须用上面那样的连接方式来彼此连接，因为光信号和电信号不同，它是定向传递的，不能象电信号那样随意拐弯，每个需要拐弯、分叉、汇合的地方都要进行仔细的特别处理。光信号的这个特性决定了光总线的物理结构和连接关系绝对不能和电气总线相同。广播通道的用途在于，一旦一个IDU通过控制通道协议获得了广播数据通道，它就可以将数据放到广播通道上，这些数据同时到达另3个接口而不需要用专用数据通道分3次将数据送达3个接口。
桥接器是先进光纤总线系统中的重要部件，它负责数据转发、信号转换的工作。一个提供完整转发功能的转发器通常要有极强的数据处理能力和足够大的数据缓冲区，它要建立总线拓扑表，将跨BU的寻址数据放到正确的端口上，如果是跨系统的数据交换，就要有一个信号转换层，将先进光纤总线的信令和数据转换成系统外的控制和接口信号。这些转换工作通过转换桥接器(T-Bridge)来进行。交换桥接器(S-Bridge)是为先进光纤总线的多先进光纤总线Multi-AOFB结构服务的，通过将BU和S-Bridge以不同方式进行连接我们可以得到多种多样的Multi-AOFB的拓扑结构。图9显示的就是几种常见简单的Multi-AOFB拓扑结构。Multi-AOFB内跨BU的操作只有两种寻址和数据读写。这里的寻址是指一个特定的IDU对另一特定位置的IDU和桥接器的数据通道的要求。访问一个IDU只能通过它的4个通道之一进行访问，如果Multi-AOFB总线中有4个以上的部件，那么访问失败的可能就会出现。因为可能IDU的4个通道都被其他IDU和桥接器占用了。在这种情况下，寻址发起端可以等待，也可以请求S桥接器缓存数据和请求，等到目标通道释放后再发送过去。一个两端口的S桥接器要查询总线拓扑表并控制数据在6个专用数据通道和2个广播数据通道间传递，同时还要分析来自2个控制通道的信令。在BU内IDU之间的寻址是不需要等待的，而且寻址速度在最快在2纳秒之内完成(光纤延时)在BU和BU之间的寻址受到光纤总线距离和桥接器响应速度的限制速度是比较慢的，而且会有寻址等待的可能。我们把BU外的寻址称为远程寻址，经过一个S桥接器的远程寻址称为一跳，经过两个S桥接器的远程寻址称为两跳，经过3个S桥接器的远程寻址称为3跳，以次类推。
前面讨论的总线系统只考虑了光纤内传输一个载波的情况，事实上一根光纤理论上可以传输成百上千个不同频带的载波。这些载波可以看成是在一个光纤通道内重新分出的多个传输通道，如果利用波分技术，IDU及桥接器与桥接器之间可以使用的通道就不是5个而是更多了。尤其是桥接器与桥接器之间的数据传输，最有需要利用波分复用技术获得更大的数据传输能力。由此可见，先进光纤总线系统的系统传输容量是十分巨大的。多点对多点传输的潜力还可以继续发掘。
先进光纤总线可以广泛应用于并行计算机系统、神经网络计算系统，同时它还可以应用于个人计算机系统。目前的PC标准的个人计算机的电气总线无法承载未来千兆以上内部主频的CPU。因此有必要把现在的PC软件平台移植到先进光纤总线标准的系统中，完全兼容的移植是可能的，但是要解决一些技术问题。首先要解决指令集兼容的问题，象Intel的x86系列处理器的OUT指令、IN指令、中断机制、DMA机制都是先进光纤总线系统所不能兼容的。解决这个问题的方法是在x86的现有架构之下设置一个控制信号转换层，将x86的外部控制信号转换成先进光纤总线信号，将先进光纤总线信号中关于I/O，中断，DMA的转换信号送去T桥接器，由T桥接器的转换层将相关信号还原并送去相应的接口如中断控制器、各种外部设备。
权利要求
1.一种先进的以高速光纤作为物理传输载体的信号传递总线系统，其特征和构成为一种先进光纤总线接口(Advanced Optical Fiber Bus Interface简称AOFBI)的基座结构；一种先进光纤总线接口AOFBI；一种应用于AOFBI和AOFBI基座的让光纤阵列对准接合的技术；一种可应用于先进光纤总线接口AOFBI的接口表面结构；一种基本的先进光纤总线单元BU(Basic Advanced Optical Fiber Bus Unit)的结构；一种先进光纤总线系统专用的接口转换桥接器T-Bridge(Translate Bridge)；一种先进光纤总线系统专用的交换桥接器S-Bridge(Switch Bridge)；一种先进光纤总线系统专用的独立数据部件IDU(Independent Data Unit)；一种多先进光纤总线Multi-AOFB(Multi Advanced Optical Fiber Bus)的结构；
2.根据权利要求1所述的先进光纤总线接口AOFBI的基座结构，其特征是一种能设置于底板上的接口器件，基座的上表面上分布着网格状排列的光纤孔阵，光纤孔里的光纤与其他基座上的同类接口器件的光纤孔内的光纤相通，在基座表面没有光纤孔阵的区域有专门的区域设置垂直基座上表面的电气插孔。
3.根据权利要求1所述的先进光纤总线接口AOFBI，其特征是一种连接先进光纤总线接口AOFBI基座的接口结构，它有一个面与基座的上表面紧密结合，这个面上分布网格状的光纤孔阵，这些光纤孔与先进光纤总线接口AOFBI基座中的光纤孔一一对应，使得每对光纤孔里的光波可以在两个接口器件间自由相互通过，光纤孔内的光纤通向数据模块，传输光载波的数据，在AOFBI表面没有光纤孔阵的区域有一个专门的区域，分布电气插头，所有电气插头与AOFBI基座的电气插孔一一对应并接合。
4.根据权利要求1所述的基本的先进光纤总线单元BU，其特征是由四个先进光纤总线接口AOFBI基座和封装光纤的敷铜底板构成，敷铜层给AOFBI基座提供电气连接，四个接口基座间由执行三种逻辑功能的光纤线路连接起来，这三种线路是一个连通四个接口基座的共享数据广播通道，一个连通四个接口基座的共享控制信号通道，任意两个接口基座之间的专用数据通道(每个接口3个共6个通道)，这样，每个接口基座共有5个光纤通道分别与其他3个接口基座相连，光纤封装在底板的夹层里，基本的先进光纤总线单元BU可以提供4个或以下的独立数据部件IDU或者接口转换桥接器T-Bridge以及交换桥接器S-Bridge的连接。
5.根据权利要求1所述的一种应用于AOFBI和AOFBI基座的让光纤阵列对准接合的技术，其特征是它应用于先进光纤总线接口AOFBI基座和先进光纤总线接口AOFBI的光纤孔中，这种光纤对接技术由两个结构相同的光学结构组成，这两个光学结构分别位于先进光纤总线接口AOFBI的基座和先进光纤总线接口AOFBI的光纤孔中，中间通过两个接口之间的界面连接光路，光纤孔内的光学结构含有一个带凸透镜结构的大直径透明柱体，传输信号的光纤在凸透镜焦点附近开口，光信号从光纤内发散射出，经过凸透镜后在光纤孔内的透明柱体内接近平行地传输，穿过接口界面后进入接口另一边的大直径透明柱体，然后经过凸透镜汇聚后进入接口对端的光纤里。
6.根据权利要求1所述的一种接口转换桥接器T-Bridge，其特征是一种将先进光纤总线接口AOFBI的接口信号通过光电-电光转换技术转换成其他标准的接口信号以使得不同总线结构的系统间能进行通信的器件，T-Bridge有两个或两个以上的接口，其中一个接口使用先进光纤总线接口AOFBI。
7.根据权利要求1所述的一种交换桥接器S-Bridge，其特征是一种将来自先进光纤总线接口AOFBI的信号在两个或两个以上的基本的先进光纤总线单元BU之间传输的器件，它使用光电-电光转换技术、波分复用技术和路由选通技术交换光信号，S-Bridge有两个或两个以上的接口，接口全部使用先进光纤总线接口AOFBI。
8.根据权利要求1所述的独立数据部件IDU，其特征是一种用于与标准的先进光纤总线接口AOFBI基座连接的电路模块，任何使用先进光纤总线接口AOFBI接口标准的，只通过一个先进光纤总线接口AOFBI完成数据发送、接收、处理的模块都可以称为独立数据部件IDU。
9.根据权利要求1所述的多先进光纤总线Multi-AOFB，其特征是一种将多个基本的先进光纤总线单元BU或者同样功能的器件用交换桥接器S-Bridge或与S-Bridge同样功能的器件连接起来的具有复杂拓扑结构的多总线系统，基本的先进光纤总线单元BU只能连接最多4个独立数据部件，但是多先进光纤总线Multi-AOFB可以连接几乎无限多个的进行独立数据处理的器件，让任意两个独立数据处理器件之间进行寻址和数据读写，并且许多个不同的寻址和数据读写操作可以在同一个Multi-AOFB内同时进行。
10.根据权利要求1所述的可应用于先进光纤总线接口AOFBI的接口表面结构，其特征是一个光纤阵列接口基座的接口表面为一个有小弧度凹进的球面，对端光纤阵列接口的接口面为一个有小弧度凸出的球面，凹面放置的方向与重力方向相反，且凹面底部放置了透明高折射率的油，这样当两个接口面对正靠拢之后，两个接口界面之间就充满了均匀分布的油，接口面光纤阵的光束就可以通过油浸界面而不是空气界面到达接口的另一边了。
全文摘要
本发明涉及一种高性能的光纤阵列总线的物理层，该总线系统应用于高性能的数据处理系统，可以将数量众多的独立数据部件连接在一起，提供每秒千兆字节(G Bytes)以上的点到点传输能力，并且具有同一时刻多点对多点传输的功能。该总线系统提供可自定义的控制及传输信令、广播通道、标准的简易快速光电接口、可无限扩展的结构等性能，是一种复杂、高速、并行的计算机系统的基础。
文档编号G02B6/32GK1477415SQ0213457
公开日2004年2月25日 申请日期2002年8月19日 优先权日2002年8月19日
发明者曹学军 申请人:曹学军