背板架构和设计

根据维基词典，建筑师是：“计划、设计或策划实现预期结果的人。由于背板是任何系统架构中的关键组件，因此在项目开始时尽早考虑背板的物理架构，项目就越成功。如果您以与设计建筑物相同的方式考虑它，那么如果不先聘请建筑建筑师来规划和监督详细设计，您绝不会考虑建造它。同样，背板架构师在开始任何布局之前规划和监督物理背板设计。他或她与系统打包工程师密切合作，在任何概念成为最终概念之前满足系统要求。有时，由于背板施加的物理限制，原始系统架构需要修改。这只能通过在高级设计阶段的尽职调查和规划来确定。

与系统中使用的其他电路包设计不同，背板很像船舶的龙骨，船舶的其余部分在其整个生命周期内都依赖于支撑和结构完整性。背板需要一次就正确无误，这样电路组才能在第一天就一起互作，并能够随着技术的进步支持未来的系统升级。一旦系统部署到现场，几乎不可能像重新设计插件电路组那样更改背板以纠正任何缺陷或升级性能。

经验丰富的背板架构师是一个独特的个体，通常的任务是将系统架构师的想法和梦想（如左图所示的系统框图示例）变为现实。背板建筑师是一个经常被误解的职业，为了实现他们的目标，他们身兼数职。通常，他们必须兼顾许多学科的设计要求，并决定最终设计的最佳权衡。他们必须与系统架构师、机械设计师、电路组设计师、连接器供应商、PCB 布局设计师、ASIC/FPGA 和软件工程师流利交谈。他们在文档和设计中必须井井有条且一丝不苟。但是，最重要的是，他们必须对机械、PCB 布局/制造、信号完整性、电源和 EMC 问题有深入的了解。

事后才考虑背板设计的最大危险是连接器选择和引脚定义。如果让系统封装工程师和电路板设计人员来定义，它们可能不是性能或系统成本的最佳选择。很多时候，系统架构师和封装工程师只会考虑信号总数，并选择每英寸引脚密度最高的连接器，而不考虑 PCB 布线或信号完整性的影响。走线的低效布线会导致层数增加，并导致电路板更厚。较厚的电路板会导致更高的孔纵横比和更长的通孔，从而影响高速性能。额外的层数会影响常见设备成本。

高级设计阶段是物理背板架构开始形成的地方。它揭示了潜在的布局布线问题，并让您确信设计将在第一时间成功。这个阶段的重要性怎么强调都不为过。它主要推动以下关键活动：

• 清理系统架构。

• 定义适当连接器的最终选择。

• 定义连接器信号分区和电路组引脚分配。

• 提供布局的布线计划和设计规则。

• 定义用于信号完整性分析和链路预算的网络拓扑。

• 促进货架和系统包装的机械设计。

• 定义最佳布线通道的最小插槽间距。

• 有助于早期电路组布局规划和最终卡尺寸。

• 便于选择 ASIC 和 FPGA 引脚，以实现到背板连接器的最佳布线。

• 估算 PCB 层数和电路板厚度。

• 建立系统货物成本的估计以支持业务案例。

正确的布线规划和连接器引脚定义对于实现最佳性能至关重要。如果作正确，最终的原理图捕获和实际的 PCB 布局将顺利进行，不会有任何意外。例如，图的左半部分（标记为 HLD Plan）显示了我在捕获任何原理图或定义引脚布局之前使用 Framemaker 作为设计的绘图工具所做的内层高级设计路线计划示例。从层数到轨道需要如何突破连接器字段，一切都已计划好。图的右半部分是在 Cadence Allegro 中完成的实际布局，显示了图稿的内层布线。在高级设计阶段完成的尽职调查使实际布局变得相当简单。如果你放弃这一步，最坏的情况是项目将需要重置以重新设计货架机械或重新定义卡引脚分配，从而导致延迟满足上市时间目标和增加研发成本。这是一个典型的 Now pay me or pay me later。

背板架构术语和定义

以下是与系统架构和背板设计相关的常见术语和定义列表：

底板

背板是多层印刷电路板组件，是系统的支柱。其目的是使用插入式连接器将多个称为电路组或卡的印刷电路板组件互连，以形成一个完整的系统。这些卡插入磁盘架组件的一侧。通常在中央办公室、电信或数据中心等关键任务系统应用中，背板是无源的，这意味着它不包含作为最终组件的一部分永久连接的有源半导体器件。通常只有连接器是唯一的组件，但偶尔也会使用电容器和电阻器。另一方面，有源背板包含有源组件，常见于企业或消费级应用

中性面

中板在功能上类似于背板，只是电路板组插入机架组件的两侧。在这些系统中，带有 I/O 电缆的卡从面板插入机架的一侧，而非 I/O 电路包插入另一侧。一些中板架构将前卡与后卡正交插入，以实现高速应用。

并行总线拓扑

并行总线拓扑结构在背板上的卡槽之间或电路包上的芯片之间，在多条走线上并行传输数据字。直到 1990 年代后期，大多数系统架构都使用这种形式的互连。由于与某些具有 10 到 16 个卡槽的并行总线架构相关的信号完整性和时序问题，总线的速度被限制在 25-66 MHz。今天仍在使用并行总线的两个流行的行业标准系统是 CompactPCI 和 VMEbus。

并行总线拓扑的主要问题是容错能力，即总线上的单点故障会导致整个系统瘫痪。任务关键型系统通常不得不使用冗余总线来防止单点故障。

随着性能需求的增加，在点对点或点对多点交换结构拓扑中使用串行技术设计了更新的高速系统架构。

交换结构

交换结构，或简称为普通结构，是电信和高速网络中最常用的术语，包括 InfiniBand、光纤通道、PCIe、ATCA 和其他基于专有结构的架构。在这些架构中，所有数据在继续到达其目的地之前都会通过结构。它提供比并行总线更好的总吞吐量，因为流量分布在多个物理链路上。它管理和控制网络的所有功能，并充当数据流的中继器。

单 星形拓扑

星形拓扑是当今网络中使用的最常见的高速串行拓扑之一。优点是它通过将所有系统连接到一个中心节点来减少网络故障的可能性。从任何外围节点到中心节点的链接失败将导致该外围节点与所有其他外围节点隔离。因此，其余系统不受影响。

在最简单的形式中，单星形拓扑由一个点对点互连到其他外围节点（类似于辐条轮或星形配置）的中央枢纽节点组成。在背板中实施时，中心节点通常是交换矩阵卡，而外围节点是线卡。交换矩阵卡在网络中的其他线卡之间切换消息。线卡通常具有面板 I/O 连接器，用于连接到网络中的其他磁盘架。

单星形拓扑的主要缺点是系统对中央结构功能的高度依赖性。交换矩阵卡故障可能会导致整个系统瘫痪。因此，任务关键型系统采用两个交换矩阵卡，在双星形拓扑配置中实现冗余。

双星/多星拓扑

双星形或多星形拓扑结构与星形网络拓扑类似，不同之处在于它有两个或多个中心枢纽节点与其他外围节点点对点互连。在背板应用中实施时，这些中心节点通常是交换矩阵卡，而外围节点是线卡。额外的结构在发生故障时为任务关键型系统应用程序提供冗余，或用于升级结构卡硬件。

全连接网状拓扑

当应用于背板应用时，完全连接的网状拓扑没有像星形拓扑那样只有一个中央结构节点。相反，每个线卡节点都与所有其他线卡节点连接，形成一个网格。它的主要缺点是连接数会随着节点数的增加而显著增加。这需要额外的背板连接器引脚和层来互连它们。因此，它对于大型系统是不切实际的，并且仅在需要互连少量卡时使用。