Что такое SerDes
В первые дни своей карьеры многие инженеры считают, что параллельная связь обычно предпочтительнее последовательной. Они осознают про простоту и эффективность одновременного перемещения всех 8 (или 16, или 32...) битов данных с управляющим сигналом или двумя для квитирования и отсутствием необходимости в сложных схемах синхронизации.
Однако вскоре становится ясно, что преобладающие протоколы цифровой связи (UART, SPI, I2C и т. д.) используют последовательный интерфейс, и что расширенные протоколы для специализированных приложений отдают предпочтение последовательной передаче. И это несмотря на то, что микроконтроллеры и центральные процессоры (ЦП) требуют параллельных данных для своих внутренних операций хранения, поиска и обработки, а это означает, что последовательная связь требует дополнительного оборудования для сериализации и десериализации.
SerDes – это преобразование типа пространство во время и опять в пространство. Параллельные данные передаются одновременно, но занимают разные физические соединения, а последовательные данные занимают одно и то же физическое пространство, но занимают разные моменты времени.
Имея все это в виду, давайте рассмотрим ограничения параллельной передачи данных, а затем мы приведем некоторые известные концепции SerDes.
Почему последовательная связь предпочтительнее параллельной
Одним из наиболее очевидных недостатков параллельной передачи является количество задействованных проводников. Если вы все еще работаете в 8-битном мире, использование множества межсоединений может показаться разумным по сравнению с преимуществами простой одновременной передачи данных, однако задача компоновки печатной платы становится все более неэффективной и неуправляемой, поскольку ширина шины расширяется до 16- или 32-битного диапазона. Проблема может стать более острой, когда вам нужно перемещать данные не только с одного компонента на другой, но и с одной платы на другую.
Кроме того, каждая из этих параллельных линий передачи данных является проблемой не только для специалистов по компоновке и трассировке. Близко расположенные провода или дорожки печатной платы восприимчивы к перекрестным помехам, особенно с высокоэнергетическими логическими переходами, характерными для цифровой сигнализации, а большую группу проводников сложнее экранировать от окружающих электромагнитных помех (ЭМП).
При последовательном соединении достаточно нескольких соединений для передачи слов данных любой разрядности, и вы можете уменьшить вероятность ложных логических переходов, которые ухудшают связь, искажая данные или вызывая необходимость повторной передачи. Параллельность теоретически обеспечивает более быструю передачу данных, но даже это преимущество более условно, чем кажется на первый взгляд. Более длинная дорожка или провод означает, что сигналу потребуется больше времени для распространения от передатчика к приемнику, и по мере увеличения скорости передачи данных становится все более важным выравнивание задержек по всей шине путем согласования длин дорожек. Сопоставление длин дорожек для высокоскоростной 32-битной шины – нетривиальная задача, и если бы вы занимались компоновкой, это было бы очень сильным аргументом в пользу сериализации/десериализации. На следующем рисунке показан пример меандрирования, который может быть полезен, если вам нужно выровнять длину дорожки, но не так полезен, когда вы пытаетесь минимизировать площадь платы.
Еще одна проблема, связанная с высокоскоростными параллельными шинами – чрезмерное энергопотребление. Сериализация может уменьшить рассеиваемую мощность за счет преобразования стандартных логических сигналов в низковольтные дифференциальные сигналы.
Суть принципа SerDes
SerDes – это процесс, включающий два отдельных блока схем: в своей рудиментарной форме сериализатор преобразует данные, представленные несколькими одновременными цифровыми сигналами – выходными данными, например, микропроцессора или ASIC – во временную последовательность логических уровней, перемещающихся по одному проводнику. Десериализатор преобразует эту временную последовательность логических уровней обратно в группу сигналов, проходящих одновременно по нескольким проводникам. Помимо этой базовой функциональности, реализации SerDes имеют различные детали и дополнительные функции.
Несколько последовательных проводников
Параллельное преобразование в последовательное не обязательно сжимает несколько проводников только в один проводник. В более общем смысле цель сериализации – значительно сократить количество проводников. Во-первых, для одной линии последовательной связи часто требуется два физических проводника, потому что многие последовательные интерфейсы, такие как RS-485 и USB, используют дифференциальную сигнализацию. Кроме того, для оптимального баланса между пропускной способностью и сложностью интерфейса может потребоваться несколько последовательных каналов. Например, на блок-схеме ниже на рисунке из документации для сериализатора TI SN65LVDS95 LVDS 21-битные параллельные данные преобразуются в три отдельных потока последовательного вывода.
Увеличение тактовой частоты
Если сериализатор получает параллельные слова с определенной частотой, он должен увеличить выходную скорость передачи данных, чтобы согласовать скорость выходных слов со скоростью входных слов. Поскольку последовательная передача гораздо более приспособлена к высоким битовым частотам, чем параллельная передача, сериализация не должна влечь за собой какого-либо снижения пропускной способности. Как показано на диаграмме выше, контур фазовой автоподстройки частоты (PLL) может использоваться для умножения входных тактовых импульсов в соответствии с коэффициентом сжатия, достигнутым при параллельно-последовательном преобразовании.
Синхронизация приема и передачи
Как и для любого цифрового коммуникационного интерфейса, для SerDes требуется некоторый механизм синхронизации, чтобы гарантировать, что приемник знает, как производить выборку и анализ входящих логических уровней. Некоторые системы, в том числе та, что изображена на схеме выше, отправляют тактовый сигнал вместе с данными. Десериализатор также может получать синхронизацию из входящего последовательного потока битов: PLL может зафиксироваться на потоке битов и создать тактовую частоту дискретизации. Однако PLL будет дрейфовать, если входной сигнал имеет недостаточную плотность перехода. Например, сигнал датчика может насыщаться на положительной шине питания, оцифровываться и сериализоваться в длинную последовательность высоких логических битов. Чтобы предотвратить проблемы, связанные с низкой плотностью перехода, вы можете комбинировать вашу систему SerDes со стандартной (например, 8b/10b) или собственной схемой кодирования.
Средства передачи
Передача параллельных данных в виде последовательных данных дает вам возможность физической передачи, которая в противном случае была бы невозможна. Даже когда все ваши сигналы остаются на одной и той же печатной плате и все разводится обычными дорожками, сериализация может значительно упростить компоновку платы. Если вы перемещаете данные с платы на плату, от модуля к модулю или от системы к системе, вы можете предпочесть использовать коаксиальный кабель или оптическую связь. Если у вас есть сериализованные данные, вы можете перейти от обычных проводов к коаксиальным или оптоволоконным кабелям.
SerDes стал незаменимым для цифровой электроники. Чрезвычайно высокие скорости передачи данных, необходимые для видеоинтерфейсов, телекоммуникационных соединений и различных других приложений, не могут быть достигнуты аналогичным образом с использованием параллельной передачи.
© digitrode.ru