從并行到串行再返回：對SerDes的理解

串行化/去串行化電路，統稱(chēng)為SerDes，為數字通信系統提供了重要的好處，尤其是當需要高數據速率時(shí)。

在我工程生涯的早期，我認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)…）數據位的簡(jiǎn)單性和效率，使用一兩個(gè)控制信號進(jìn)行握手，而不需要復雜的同步方案。

然而，不久之后，主流的數字通信協(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(zhuān)業(yè)應用的高級協(xié)議有利于串行傳輸。盡管微控制器和中央處理器（CPU）的內部存儲、檢索和處理操作需要并行數據，這意味著(zhù)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)間到空間的轉換。并行數據同時(shí)傳輸但占用不同的物理互連，串行數據共享相同的物理空間但占用不同時(shí)刻（圖1）。S

顯示序列化和反序列化的示例圖。

圖1。顯示序列化和反序列化的示例圖。圖片由德州儀器公司提供

考慮到所有這些，讓我們來(lái)看看并行數據傳輸的局限性，然后我將討論一些突出的SerDes概念。

為什么串行通信優(yōu)先于并行通信？

并聯(lián)傳輸的一個(gè)更直接的缺點(diǎn)是所涉及的導體數量。如果您仍在8位世界中工作，那么相對于簡(jiǎn)單、同時(shí)的數據傳輸的好處，使用一組互連似乎是合理的；然而，隨著(zhù)總線(xiàn)寬度擴展到16或32位范圍，PCB布局任務(wù)變得越來(lái)越低效和難以管理。當您不僅必須將數據從一個(gè)組件移動(dòng)到另一個(gè)組件，而且必須將數據從不一個(gè)PCB移動(dòng)到另外一個(gè)PCB時(shí)，問(wèn)題可能會(huì )變得更加嚴重。

此外，這些并行數據線(xiàn)中的每一條都不僅僅是布局和布線(xiàn)人員所關(guān)心的問(wèn)題。緊密間隔的導線(xiàn)或PCB跡線(xiàn)（如圖2所示）容易受到串擾的影響，尤其是在數字信號的高能邏輯轉換特性下，更大的導體組更難屏蔽環(huán)境電磁干擾（EMI）。

當跡線(xiàn)是原理圖中的線(xiàn)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(xiàn)和平面層電容耦合。

圖2:當跡線(xiàn)是原理圖中的線(xiàn)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(xiàn)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據字，并且您可以降低偽邏輯轉換的可能性，因為偽邏輯轉換會(huì )破壞數據或需要重新傳輸，從而降低通信質(zhì)量。

理論上，并行確實(shí)允許更快的數據傳輸，但即使是這種優(yōu)勢也比最初看起來(lái)更具偶然性。更長(cháng)的跡線(xiàn)或導線(xiàn)意味著(zhù)信號將花費更多的時(shí)間從發(fā)送器傳播到接收器，并且隨著(zhù)數據速率的增加，通過(guò)匹配跡線(xiàn)長(cháng)度來(lái)均衡整個(gè)總線(xiàn)的延遲變得更加重要。高速32位總線(xiàn)的跟蹤長(cháng)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(xiàn)長(cháng)度，這可能會(huì )很有幫助，但當您試圖最小化電路板面積時(shí)，這就沒(méi)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(xiàn)的另一個(gè)問(wèn)題是功耗過(guò)高。串行化可以通過(guò)將標準邏輯信號轉換為低電壓差分信號來(lái)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)獨立電路塊的過(guò)程：在其基本形式中，串行器將由多個(gè)同時(shí)的數字信號表示的數據（例如由微處理器或ASIC輸出）轉換為沿一個(gè)導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)間序列轉換回沿著(zhù)多個(gè)導體同時(shí)傳播的一組信號。

除了這個(gè)基本功能之外，SerDes實(shí)現還有各種細節和附加功能。

多個(gè)串行導線(xiàn)

并行到串行的轉換不一定將多個(gè)導體壓縮為一個(gè)導體。更普遍地說(shuō)，序列化的目標是顯著(zhù)減少導體的數量。

首先，單個(gè)串行通信線(xiàn)路通常需要兩個(gè)物理導體，因為許多串行接口，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串行器的數據表中，21位并行數據被轉換為三個(gè)獨立的串行輸出流。

圖4。數據表中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）可用于根據并行到串行轉換中實(shí)現的壓縮因子來(lái)乘以輸入時(shí)鐘。

Tx/Rx同步

與任何數字通信接口一樣，SerDes需要一些同步機制來(lái)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，包括上圖中所示的系統，將時(shí)鐘信號與數據一起發(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，并被數字化和串行化為邏輯高位的長(cháng)序列。為了防止與低轉換密度相關(guān)的問(wèn)題，您可以將SerDes系統與標準（如8b/10b）或自制編碼方案相結合

傳輸介質(zhì)

將并行數據傳輸為串行數據，可以為您提供物理傳輸選項，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(xiàn)進(jìn)行路由，串行化也可以極大地方便板布局。如果您要將數據從一個(gè)板移動(dòng)到另一個(gè)板、從一個(gè)模塊移動(dòng)到一個(gè)模塊或從系統移動(dòng)到系統，您可能更喜歡使用同軸電纜或光鏈路。如果你有串行數據，你就可以從普通電線(xiàn)升級到同軸電纜或光纖。

獲取SerDes的好處

SerDes已成為數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用程序所需的極高數據速率無(wú)法使用并行傳輸類(lèi)似地實(shí)現。