并行總線與串行總線

雖然隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的數(shù)字芯片已經(jīng)集成了越來越多的功能，但是對于稍微復雜一點的系統(tǒng)來說，很多時候單獨一個芯片很難完成所有的工作，這就需要和其它芯片配合起來工作。比如我們現(xiàn)在的CPU的處理能力越來越強，很多CPU內(nèi)部甚至集成了顯示處理的功能，但是仍然需要配合外部的內(nèi)存芯片來存儲臨時的數(shù)據(jù)、需要配合橋接芯片擴展硬盤、USB等外圍接口;現(xiàn)代的FPGA內(nèi)部也可以集成CPU、DSP、RAM、高速收發(fā)器等，但有些場合可能還需要配合專用的DSP來進一步提高浮點處理效率、配合額外的內(nèi)存芯片來擴展存儲空間、配合專用的物理層芯片來擴展網(wǎng)口、USB等，或者需要多片F(xiàn)PGA互連來提高處理能力。所以的這一切，都需要用到相應的總線來實現(xiàn)多個數(shù)字芯片間的互連。如果我們把各個功能芯片想象成人體的各個功能器官的話，總線就是血脈和經(jīng)絡，通過這些路徑，各個功能模塊間才能進行有效的數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。

我們經(jīng)常使用到的總線根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，可以分為并行總線和串行總線。

并行總線：

并行總線是數(shù)字電路里最早也是最普遍采用的總線結(jié)構(gòu)。在這種總線上，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線、地址線、控制線等都是并行傳輸，比如要傳輸8位的數(shù)據(jù)寬度，就需要8根數(shù)據(jù)信號線同時傳輸，如果要傳輸32位的數(shù)據(jù)寬度就需要32根數(shù)據(jù)信號線同時傳輸。除了數(shù)據(jù)線以外，如果要尋址比較大的地址空間，還需要很多根地址線的組合來代表不同的地址空間。下圖是一個典型的微處理器的并行總線的工作時序，其中包含了1根時鐘線、16根數(shù)據(jù)線、16根地址線以及一些讀寫控制信號。

很多經(jīng)典的處理器都采用了并行的總線架構(gòu)。比如大家熟知的51單片機就采用了8根并行數(shù)據(jù)線和16根地址線;CPU的鼻祖，Intel 公司的8086微處理器最初推出時具有16根并行數(shù)據(jù)線和16根地址線;現(xiàn)在很多嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用的ARM處理器則大部分使用32根數(shù)據(jù)線以及若干根地址線。

并行總線的最大好處是總線的邏輯時序比較簡單，電路實現(xiàn)起來比較容易，但是缺點也是非常明顯的。比如并行總線的信號線數(shù)量非常多，會占用大量的管腳和布線空間，因此芯片和PCB板的尺寸很難實現(xiàn)小型化，特別是如果要用電纜進行遠距離傳輸時，由于信號線的數(shù)量非常多，使得電纜變得非常昂貴和笨重。

采用并行總線的另外一個問題在于總線的吞吐量很難持續(xù)提升。對于并行總線來說，其總線吞吐量=數(shù)據(jù)線位數(shù)×數(shù)據(jù)速率。我們可以通過提升數(shù)據(jù)線的位數(shù)來提高總線吞吐量，也可以通過提升數(shù)據(jù)速率來提高總線吞吐量。以個人計算機里曾經(jīng)非常流行的PCI總線為例，其最早推出時總線是32位的數(shù)據(jù)線，工作時鐘頻率是33MHz，其總線吞吐量=32bit×33MHz;后來為了提升其總線吞吐量推出的PCI-X總線，把總線寬度擴展到64位，工作時鐘頻率最高提升到133MHz，其總線吞吐量=64bit×133MHz。下圖是PCI插槽和PCI-X插槽的一個對比，可以看到PCI-X由于使用了更多的數(shù)據(jù)線，其插槽更長(來源：網(wǎng)絡圖片)。

但是隨著人們對于總線吞吐量的要求的不斷提高，這種提升總線帶寬的方式遇到了瓶頸。首先由于芯片尺寸和布線空間的限制，64位數(shù)據(jù)寬度已經(jīng)幾乎是極限了。另外一方面，這64根數(shù)據(jù)線是共用一個采樣時鐘，為了保證所有的信號都滿足其建立保持時間的要求，在PCB上布線、換層、拐彎時需要保證精確等長。而總線工作速率越高，對于各條線的等長要求就越高，對于這么多根信號要實現(xiàn)等長的布線是很難做到的。

下圖是用邏輯分析儀采集到的一個實際的8位總線的工作時序，我們可以看到在數(shù)據(jù)從0x00跳變到0xFF狀態(tài)過程中，這8根線實際并不是精確一起跳變的。

對于并行總線來說，更致命的是這種總線上通常掛有多個設(shè)備，且讀寫共用，各種信號分叉造成的反射問題使得信號質(zhì)量進一步惡化。

串行總線：

為了解決并行總線占用尺寸過大且對布線等長要求過于苛刻的問題，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展和速度的提升，越來越多的數(shù)字接口開始采用串行總線。所謂串行總線，就是并行的數(shù)據(jù)在總線上不再是并行地傳輸，而是時分復用在一根或幾根線上傳輸。比如在并行總線上傳輸1個Byte的數(shù)據(jù)寬度需要8根線，而如果把這8根線上的信號時分復用在一根線上就可以大大減少需要的走線數(shù)量，同時也不需要再考慮8根線之間的等長關(guān)系。

采用串行總線以后，就單根線來說，由于上面要傳輸原來多根線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，所以其工作速率一般要比相應的并行總線高很多。比如以前計算機上的擴展槽上廣泛使用的PCI總線采用并行32位的數(shù)據(jù)線，每根數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)傳輸速率是33Mbit/s，演變到PCI-E(PCI-Express)的串行版本后每根線上的數(shù)據(jù)速率至少是2.5Gbit/s(PCI-E 1代標準)，現(xiàn)在PCI-E的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)達到了5Gbit/s(PCI-E 2代標準)或8Gbit/s(PCI-E 3代標準)。采用串行總線的另一個好處是在提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時節(jié)省了布線空間，同時芯片的功耗也降低了，所以在現(xiàn)代的電子設(shè)備中，當需要進行高速數(shù)據(jù)傳輸時，使用串行總線的越來越多。

數(shù)據(jù)速率提高以后，對于阻抗匹配、線路損耗和抖動的要求就更高，稍不注意就很容易產(chǎn)生信號質(zhì)量的問題。下圖是一個典型的1Gbps的信號從發(fā)送端經(jīng)過芯片封裝、PCB板、連接器、背板傳輸?shù)浇邮斩说男盘柭窂?，從中我們可以看到在發(fā)送端的接近理想的0、1跳變的數(shù)字信號到達接收端后由于高頻損耗、反射等的影響信號波形已經(jīng)變得非常惡劣，所以串行總線的設(shè)計對于數(shù)字電路的工程師來說是個很大挑戰(zhàn)。

使用串行總線的設(shè)備的體積、功耗和數(shù)據(jù)傳輸速度都比使用并行接口的設(shè)備更有優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應用。比如以前在計算機上廣泛使用的連接打印機的DB25的并口已經(jīng)被USB和網(wǎng)口取代，以前連接硬盤的40pin的PATA接口已經(jīng)被串行的SATA接口取代，以前計算機上的PCI擴展槽已經(jīng)被PCI-Express取代。但是如前所述，采用串行總線以后信號的數(shù)據(jù)速率一般都會有幾倍甚至幾百倍的提升，對于電路的設(shè)計和測試都提出了很高的要求，因此需要設(shè)計和測試工程師掌握大量的高速設(shè)計的相關(guān)知識和技能。