從并行到串行再返回：對SerDes的理解

串行化/去串行化電路，統(tǒng)稱為SerDes，為數(shù)字通信系統(tǒng)提供了重要的好處，尤其是當(dāng)需要高數(shù)據(jù)速率時(shí)。

在我工程生涯的早期，我認(rèn)為并行通信通常比串行通信更可取。我很欣賞同時(shí)移動(dòng)所有8個(gè)（或16個(gè)，或32個(gè)…）數(shù)據(jù)位的簡單性和效率，使用一兩個(gè)控制信號進(jìn)行握手，而不需要復(fù)雜的同步方案。

然而，不久之后，主流的數(shù)字通信協(xié)議——UART、SPI、I2C等——使用串行接口就變得很明顯了，我還注意到，用于專業(yè)應(yīng)用的高級協(xié)議有利于串行傳輸。盡管微控制器和中央處理器（CPU）的內(nèi)部存儲(chǔ)、檢索和處理操作需要并行數(shù)據(jù)，這意味著串行通信需要額外的串行化和反串行化硬件。

SerDes是一種空間到時(shí)間到空間的轉(zhuǎn)換。并行數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)加貌煌奈锢砘ミB，串行數(shù)據(jù)共享相同的物理空間但占用不同時(shí)刻（圖1）。

圖1 顯示序列化和反序列化的示例圖（圖源：德州儀器）

考慮到所有這些，讓我們來看看并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌?，然后我將討論一些突出?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/SerDes">SerDes概念。

為什么串行通信優(yōu)先于并行通信？

并聯(lián)傳輸?shù)囊粋€(gè)更直接的缺點(diǎn)是所涉及的導(dǎo)體數(shù)量。如果您仍在8位世界中工作，那么相對于簡單、同時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮锰?，使用一組互連似乎是合理的；然而，隨著總線寬度擴(kuò)展到16或32位范圍，PCB布局任務(wù)變得越來越低效和難以管理。當(dāng)您不僅必須將數(shù)據(jù)從一個(gè)組件移動(dòng)到另一個(gè)組件，而且必須將數(shù)據(jù)從不一個(gè)PCB移動(dòng)到另外一個(gè)PCB時(shí)，問題可能會(huì)變得更加嚴(yán)重。

此外，這些并行數(shù)據(jù)線中的每一條都不僅僅是布局和布線人員所關(guān)心的問題。緊密間隔的導(dǎo)線或PCB跡線（如圖2所示）容易受到串?dāng)_的影響，尤其是在數(shù)字信號的高能邏輯轉(zhuǎn)換特性下，更大的導(dǎo)體組更難屏蔽環(huán)境電磁干擾（EMI）。

當(dāng)跡線是原理圖中的線時(shí)，它們具有完美的電隔離，但在真正的PCB上，它們與附近的跡線和平面層電容耦合。

圖2 當(dāng)跡線是原理圖中的線時(shí)，它們具有完美的電隔離，但在真正的PCB上，它們與附近的跡線和平面層電容耦合

對于串行，一些互連就足以傳輸任何位寬的數(shù)據(jù)字，并且您可以降低偽邏輯轉(zhuǎn)換的可能性，因?yàn)閭芜壿嬣D(zhuǎn)換會(huì)破壞數(shù)據(jù)或需要重新傳輸，從而降低通信質(zhì)量。

理論上，并行確實(shí)允許更快的數(shù)據(jù)傳輸，但即使是這種優(yōu)勢也比最初看起來更具偶然性。更長的跡線或?qū)Ь€意味著信號將花費(fèi)更多的時(shí)間從發(fā)送器傳播到接收器，并且隨著數(shù)據(jù)速率的增加，通過匹配跡線長度來均衡整個(gè)總線的延遲變得更加重要。高速32位總線的跟蹤長度匹配并不是一件小事——如果我在進(jìn)行布局，這將是一個(gè)非常有力的支持序列化/反序列化的論點(diǎn)。圖3顯示了一個(gè)彎曲的例子，如果您需要均衡跡線長度，這可能會(huì)很有幫助，但當(dāng)您試圖最小化電路板面積時(shí)，這就沒有那么大幫助了。

彎曲痕跡的一個(gè)例子

圖3 彎曲痕跡的一個(gè)例子

高速并行總線的另一個(gè)問題是功耗過高。串行化可以通過將標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號轉(zhuǎn)換為低電壓差分信號來降低功耗。

SerDes是什么？SerDes功能和特性概述

SerDes是一個(gè)涉及兩個(gè)獨(dú)立電路塊的過程：在其基本形式中，串行器將由多個(gè)同時(shí)的數(shù)字信號表示的數(shù)據(jù)（例如由微處理器或ASIC輸出）轉(zhuǎn)換為沿一個(gè)導(dǎo)體傳播的邏輯電平的時(shí)間序列。解串器將邏輯電平的這個(gè)時(shí)間序列轉(zhuǎn)換回沿著多個(gè)導(dǎo)體同時(shí)傳播的一組信號。

除了這個(gè)基本功能之外，SerDes實(shí)現(xiàn)還有各種細(xì)節(jié)和附加功能。

多個(gè)串行導(dǎo)線

并行到串行的轉(zhuǎn)換不一定將多個(gè)導(dǎo)體壓縮為一個(gè)導(dǎo)體。更普遍地說，序列化的目標(biāo)是顯著減少導(dǎo)體的數(shù)量。

首先，單個(gè)串行通信線路通常需要兩個(gè)物理導(dǎo)體，因?yàn)樵S多串行接口，如RS-485和USB，都使用差分信號。此外，吞吐量和接口復(fù)雜性之間的最佳平衡可能需要多個(gè)串行通道。例如，在下圖4的框圖中，從TI的SN65LVDS95 LVDS串行器的數(shù)據(jù)表中，21位并行數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為三個(gè)獨(dú)立的串行輸出流。

圖4 數(shù)據(jù)表中SN65LVDS95串行器的功能框圖。圖片由德州儀器公司提供

時(shí)鐘倍增

如果串行器以特定頻率接收并行字，則它必須增加輸出比特率，以便將輸出字率與輸入字率相匹配。由于串行傳輸比并行傳輸更適合高位頻率，串行化不需要降低吞吐量。如上圖所示，鎖相環(huán)（PLL）可用于根據(jù)并行到串行轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)的壓縮因子來乘以輸入時(shí)鐘。

Tx/Rx同步

與任何數(shù)字通信接口一樣，SerDes需要一些同步機(jī)制來確保接收器知道如何采樣和解析傳入的邏輯電平。一些系統(tǒng)，包括上圖中所示的系統(tǒng)，將時(shí)鐘信號與數(shù)據(jù)一起發(fā)送。

解串器也可以從輸入的串行比特流中獲得同步：PLL可以鎖定比特流并產(chǎn)生采樣時(shí)鐘。然而，如果輸入信號具有不足的轉(zhuǎn)換密度，則PLL將漂移。例如，傳感器信號可能在正電源軌處飽和，并被數(shù)字化和串行化為邏輯高位的長序列。為了防止與低轉(zhuǎn)換密度相關(guān)的問題，您可以將SerDes系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)（如8b/10b）或自制編碼方案相結(jié)合。

傳輸介質(zhì)

將并行數(shù)據(jù)傳輸為串行數(shù)據(jù)，可以為您提供物理傳輸選項(xiàng)，否則這是不可行的。即使您的所有信號都位于同一塊PCB上，并且所有信號都使用普通跡線進(jìn)行路由，串行化也可以極大地方便板布局。如果您要將數(shù)據(jù)從一個(gè)板移動(dòng)到另一個(gè)板、從一個(gè)模塊移動(dòng)到一個(gè)模塊或從系統(tǒng)移動(dòng)到系統(tǒng)，您可能更喜歡使用同軸電纜或光鏈路。如果你有串行數(shù)據(jù)，你就可以從普通電線升級到同軸電纜或光纖。

獲取SerDes的好處

SerDes已成為數(shù)字電路不可或缺的一部分。視頻接口、電信互連和各種其他應(yīng)用程序所需的極高數(shù)據(jù)速率無法使用并行傳輸類似地實(shí)現(xiàn)。