高速串行接口技术详解
高速串行接口简介
高速串行接口简介在计算机之间以及计算机内部各部分接口之间有两种数据传输方式：并行数据传输方式与串行数据传输方式。
并行数据传输方式通过多个通道在同一时间内传播多个数据流；而串行数据传输方式在同一时间内只传输一个数据流。
过去，前者，并行数据传输方式，是主流的数据接口，而后者常用于设备之间的远距离、低速率的数据通信以及设备内芯片之间的低速率通信。
比如，早期的计算机内的并行接口有：ISA，ATA，SCSI，PCI、SDRAM和前端总线（FSB，Front Side Bus）等等，而PC与外部设备的数据接口有LPT(Line Printer Terminal)并行端口。
威盛 VIA Pro266T 芯片组架构图如今，PC主板上除了从SDRAM演进过来的DDR SDRAM接口之外，其它的并行接口已基本被团灭.上边这张图是今年（也即2021年）3月16号，Intel新发布的第11代处理器的芯片组架构图。
其中的数据互联总线，除DDR-DRAM 外，其他接口均为串行接口。
其中，PCIe 4.0 的每Lane的传输速率达到了16GT/S，Thunderbolt 4 为 40Gbps，USB 4为 20Gbps，eDP 1.4b HBR3 8.1 Gbit/s 每lane，共32.4 Gbit/s 带宽，HDMI 2.0b 带宽 18 Gbit/s。
PC外设的连接接口部分，也没有了并行总线的身影。
甚至苹果最新的MacBook产品线，随着Apple M1处理器将DRAM封装进芯片基板上，无论是PCB中的互联还是与外部设备的接口，已经没有并行接口了，直接团灭！如今，高速串行接口不仅应用于个人计算机、服务器和通信设备，还应用于数字消费电子、医疗设备、广播设备、半导体制造和测试设备以及其他许多电子设备和应用。
高速互联串行化已经成为行业共识，这种转变趋势几乎是不可逆的，所以，了解高速串行接口已经成为电子设计人员的基本要求。
因此，《PCB设计一板即成功专栏》高速串行接口章节，将重点介绍关于Gbps串行接口的PCB设计相关知识，并以一些大家熟悉的PC内部和外设互联接口标准为实例，对其包括仿真及测量方法进行介绍。
电子设计中的高速串行通信技术
电子设计中的高速串行通信技术在当今数字时代，高速串行通信技术已经成为电子设计中至关重要的一部分。
随着通信速度不断提升和设备体积不断减小，高速串行通信技术的应用已经渗透到各个领域，如通信、计算机、汽车、航空航天等。
本文将介绍高速串行通信技术的原理、应用以及未来发展趋势。
首先，高速串行通信技术是指利用串行方式传输数据，在单根传输线上传输多个bit数据的技术。
相比于并行通信技术，高速串行通信技术具有传输速率高、线缆成本低、抗干扰能力强等优势。
在电子设计中，高速串行通信技术可以通过差分信号传输、时钟数据恢复、自适应均衡等技术实现高速数据传输，提高系统整体性能。
高速串行通信技术在各种应用中都有广泛的应用，特别是在网络通信、数据存储、视频传输等领域。
以网络通信为例，以太网、光纤通信等都采用了高速串行通信技术，实现了数据传输速率的飞速提升。
在数据存储领域，SATA、PCIe等接口也是采用高速串行通信技术，提高了存储设备的性能和容量。
此外，高清视频、4K、8K传输也需要高速串行通信技术来支撑大容量数据传输。
未来，随着5G、物联网、人工智能等新兴技术的快速发展，对高速串行通信技术的需求将进一步增加。
高速串行通信技术也将面临更大的挑战和机遇。
未来的高速串行通信技术将继续向更高的传输速率、更低的功耗、更小的尺寸发展，同时也需要更加稳定和可靠的传输技术。
总的来说，高速串行通信技术在电子设计中扮演着至关重要的角色，其应用范围广泛，未来发展前景广阔。
随着数字化时代的到来，高速串行通信技术将继续发挥着重要的作用，推动电子设计领域的不断创新和发展。
希望本文能够为读者对高速串行通信技术有更深入的了解。
通信电子中的高速串行接口技术
通信电子中的高速串行接口技术在现代通信电子领域，高速串行接口技术被广泛应用于数据传输、视频传输、网络通信等多个领域。
串行接口技术的出现，使数据传输速率得以不断提升，从而满足了人们对于数据传输速率不断增加的需求。
本文将介绍高速串行接口技术的基本原理、主要应用场景以及未来发展趋势。
一、高速串行接口技术的基本原理高速串行接口技术是一种将多个串行通道合并成一个高速通道的技术。
通过将多个低速串口并联起来，形成高速串行通道，达到传输数据的目的。
高速串行接口技术主要应用于数字信号传输和计算机网络等领域，是实现高速数据传输的重要手段。
高速串行接口技术的基本原理是通过多路复用技术将多个数据通道合并成一个高速通道。
在传输过程中，数据被转换成位流的形式，由时钟信号驱动进入传输线路。
在接收端，数据再被解码成为原始数据。
通过这种方式，高速串行接口技术不仅提高了数据传输速率，同时还降低了传输成本和复杂度。
二、高速串行接口技术的主要应用场景1. 高速数据传输在云计算、大数据和人工智能等领域中，需要实时传输大量的数据。
高速串行接口技术能够以高速、稳定和准确的方式传输数据，减少数据传输过程中的误差和延迟，确保数据传输的准确性和实时性。
2. 视频传输随着高清视频和3D视频的普及，视频传输需要更高的数据传输速率。
高速串行接口技术可以实现高速视频传输，并同时保证视频传输的清晰度和稳定性。
通过视频传输的先进技术，人们能够更轻松地享受高清视频和3D视频。
3. 网络通信通过高速串行接口技术，网络通信可以实现更快、更稳定和更安全的数据传输。
由于数据传输速率和传输距离的增加，高速串行接口技术也越来越广泛地应用于网络通信领域。
三、高速串行接口技术的未来发展趋势随着数据传输需求的不断增加，高速串行接口技术也在不断发展。
未来，高速串行接口技术将出现更高的传输速率和更广泛的应用场景。
高速串行接口技术在未来可能出现的发展趋势有以下几个方面：1. 传输速率的提高随着通信电子领域技术的不断提升，高速串行接口技术的传输速率也会不断提高。
pcie双工原理
pcie双工原理PCIe是一种高速串行总线接口技术，用于连接计算机主板和外部设备，如显卡、网卡和存储设备等。
它是Peripheral Component Interconnect Express的简称，意为外围设备互联扩展。
PCIe的工作原理是通过使用差分信号传输数据，以实现高速、可靠的数据传输。
PCIe的工作原理基于串行传输技术，与传统的并行总线不同。
在传统的并行总线中，数据是同时通过多根传输线传输的，而在PCIe中，数据是通过一对差分传输线（TX和RX）进行传输的。
差分信号指的是两个信号线上的电压差，其变化可以表示二进制数据的0和1。
差分传输技术可以减少电磁干扰和信号失真，提高信号的传输质量和可靠性。
PCIe的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1.初始化和握手：当计算机开机时，主板会对PCIe总线进行初始化，并与连接的设备进行握手。
这个过程包括识别设备、分配资源和建立通信链路等操作。
2.数据传输：一旦建立了通信链路，PCIe就可以开始进行数据传输。
数据传输是通过发送和接收数据包来完成的。
数据包是一组有序的二进制数据，包括有效数据、错误检测和纠正码等信息。
发送端将数据包分成小的数据块，并添加控制信息，然后使用差分传输线将数据块发送给接收端。
接收端接收数据块，并进行错误检测和纠正，然后将数据块重新组装成完整的数据包。
3.中断和信号处理：在数据传输过程中，设备可以向计算机发送中断信号，以通知计算机某个事件的发生。
中断是一种异步的事件，可以打断计算机的正常执行流程，并触发相应的中断处理程序。
中断处理程序可以根据中断的类型和设备的标识符来处理相应的事件。
PCIe的工作原理还涉及到一些其他的概念和机制，如虚拟化、多通道和速率控制等。
虚拟化是一种将物理资源划分为多个逻辑资源的技术，可以提高资源的利用率和灵活性。
多通道是一种将总线划分为多个独立的通道的技术，可以提高总线的带宽和吞吐量。
速率控制是一种动态调整总线速率的技术，可以根据实际需求来调整数据传输速度。
SPI协议解析高速串行通信的协议标准
SPI协议解析高速串行通信的协议标准SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速串行通信协议，被广泛应用于各种数字设备的通信接口传输中。
本文将对SPI协议进行详细解析，介绍其协议标准，以及相关的特性和应用。
I. 介绍SPI协议是一种同步协议，常用于微控制器和外部外设之间的通信。
它通过四根信号线（时钟线、数据线、主从选择线、片选线）实现全双工通信，并且支持多主机和多从机的通信方式。
SPI协议具有高速传输、简单易用、灵活性强等特点，被广泛用于各种应用领域。
II. 协议标准SPI协议的通信规范主要包括以下几个方面：1. 时钟极性与相位SPI协议定义了两种类型的时钟极性和相位设置，分别为CPOL和CPHA。
CPOL用于控制时钟信号的极性，可以是低电平为开始（CPOL=0），或高电平为开始（CPOL=1）。
CPHA用于控制数据采样的时机，可以是时钟信号的上升沿采样（CPHA=0），或下降沿采样（CPHA=1）。
根据不同的设备要求，可以通过组合CPOL和CPHA来实现精确的时序控制。
2. 数据传输顺序SPI协议支持全双工传输，数据通信可以是单向的，也可以是双向的。
数据传输的顺序由设备的主从模式决定，主机先发送数据，然后从机进行响应。
在全双工通信中，数据可以同时双向传输，主机和从机同时发送和接收数据。
3. 主从设备选择SPI协议使用一根主从选择线（SS）来选择通信的主机或从机。
当某个从机被选中时，通过使能该从机的片选线，使其进入工作状态，其他从机则处于非工作状态。
主机可以通过控制主从选择线来选择不同的从机进行通信。
4. 数据帧格式SPI协议的数据传输是以数据帧的形式进行的。
每个数据帧由一个字节（8位）的数据组成，包括发送的数据和接收的数据。
数据帧可以是单向的，也可以是双向的。
5. 传输速率SPI协议支持各种传输速率，可以根据需要进行调整。
传输速率由时钟信号频率决定，可以通过调整时钟频率来达到不同的传输速率。
pcie 接口标准
pcie 接口标准PCIe接口标准。
PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是一种高速串行接口标准，用于连接计算机内部的各种外部设备，如显卡、网卡、存储设备等。
它是PCI技术的后继者，旨在提供更高的数据传输速度和更好的性能。
首先，PCIe接口标准采用了串行传输技术，相比传统的并行传输方式，能够大大提高数据传输速度。
PCIe接口的第一代标准可以提供每条通道2.5Gbps的传输速度，而目前最新的PCIe 4.0标准则可以达到每条通道16Gbps的传输速度，是其前代标准的8倍。
这种高速传输速度使得PCIe接口成为了连接高性能设备的首选标准。
其次，PCIe接口标准采用了差分信号传输技术，能够有效地抵抗干扰和噪音，提高了数据传输的稳定性和可靠性。
差分信号传输技术通过同时传输正负两个信号来表示数据，因此对于外界干扰的抵抗能力更强，能够在复杂的电磁环境下保持良好的信号完整性。
此外，PCIe接口标准还支持热插拔功能，用户可以在计算机运行的情况下插拔PCIe设备，而无需重新启动计算机。
这为用户带来了极大的便利，尤其是在服务器等需要24小时不间断运行的设备中，热插拔功能显得尤为重要。
最后，PCIe接口标准在物理尺寸上也有了较大的改进。
PCIe接口的物理尺寸比起传统的PCI接口来说更小，这意味着主板可以容纳更多的PCIe插槽，从而支持更多的外部设备连接。
同时，PCIe接口的物理尺寸也为设备的散热提供了更多的空间，使得设备在高负载情况下能够更好地散热，保持稳定的性能。
总的来说，PCIe接口标准在传输速度、稳定性、热插拔功能和物理尺寸等方面都有了较大的改进，成为了连接高性能外部设备的最佳选择。
随着技术的不断发展，PCIe接口标准也在不断升级，为用户带来了更好的使用体验。
通信电子行业中的高速串行接口技术
通信电子行业中的高速串行接口技术随着信息时代的到来，通信电子行业所涉及的高速数据传输已经成为了必须要面对的问题。
要将数据快速、准确地传输至目标设备，必须要依靠高速串行接口技术来实现。
本文将介绍关于通信电子行业中的高速串行接口技术的相关知识。
一、什么是高速串行接口技术？高速串行接口技术是一种新型的通信方式，采用串行信号传输而非传统的并行信号传输方式。
它通过在较小的时间窗口内使用更高的数据传输速率，在较短的时间内处理更多的数据流转，实现了数据传输的高速化。
二、高速串行接口技术的应用场景1.网络交换机在网络交换机中，高速串行接口技术是数据传输时延最小的技术之一。
对于网络交换机而言，时间的缩短非常的重要，因为交换机需要在非常的短时间内决定数据包的传输路径。
2.高速路由器高速路由器能够更好的与其他设备进行数据传输，因为路由器能够判断数据流转的方向，所以在数据传输的速度和稳定性方面，高速串行接口技术作为数据传输的一部分排在了很前面。
3.其它设备在现代工业领域，很多机械设备上都采用了高速串行接口技术。
比如：大型切割机、自动化机器、医疗设备等等。
这些设备采用高速串行接口技术，不仅可以达到更高的数据传输速率，同时更好的保障数据的有效性和可靠性。
三、高速串行接口技术的优点1.传输距离更远由于高速串行接口技术的采用了高速传输技术，所以传输距离更远。
不需要更多的线缆就能够实现更远的网络连接。
2.信号传输速度更快高速串行接口技术具有较高的数据传输速率和极短的时延，使得网络通信更加高效。
3.数据传输更加可靠在传输数据时，高速串行接口技术能够更好的保障数据的有效性和可靠性。
对于工业领域的设备而言，可以更好的保障运行的稳定性。
四、高速串行接口技术的缺点1.线路成本较高由于要采用高频设备和更好的信号保护措施，所以相对的线路成本要更高。
2.故障排除难度相对较大。
由于高速串行接口技术采用了一些不同于传统的电路板和线缆器件，所以故障排除往往比较困难。
计算机硬件设计中的高速信号传输技术
计算机硬件设计中的高速信号传输技术近年来，随着计算机技术的不断发展，计算机硬件设计中的高速信号传输技术也越来越受到重视。
在现代计算机硬件系统中，高速信号传输是确保信息传输稳定和快速的基石。
本文将探讨计算机硬件设计中的高速信号传输技术的重要性、应用以及相关挑战。
一、高速信号传输技术的重要性高速信号传输技术在计算机硬件设计中的重要性不言而喻。
随着计算机处理速度的提高，对数据的传输速率和稳定性的要求也越来越高。
高速信号传输技术可以保证数据传输的稳定性和准确性，使得计算机系统能够更高效地完成各种任务。
在计算机内部，高速信号传输技术可以提高处理器与内存、硬盘等各个组件之间的数据传输速度，从而加快整个系统的运行速度。
而在计算机与外部设备之间，高速信号传输技术可以实现快速而稳定的数据传输，如USB、HDMI等接口技术。
因此，高速信号传输技术直接决定了计算机系统的整体性能和用户体验。
二、高速信号传输技术的应用高速信号传输技术在计算机硬件设计中有广泛的应用。
以下是一些常见的高速信号传输技术及其应用领域。
1. PCI Express（PCIe）总线技术PCI Express是一种用于计算机内部连接的高速串行总线技术，被广泛应用于主板与显卡、网卡等外部设备的连接中。
PCIe总线技术具有带宽大、传输速度快、支持热插拔等优点，能够满足高速数据传输的需求。
2. 高速串行接口技术高速串行接口技术在现代计算机硬件设计中得到广泛应用。
例如，SATA（Serial ATA）接口可用于硬盘和光驱的连接，提供较高的传输速率和更稳定的连接；USB 3.0接口则可用于计算机与外部设备的连接，实现高速数据传输。
3. 光纤通信技术光纤通信技术作为一种高速信号传输技术，广泛应用于计算机网络和数据中心的搭建中。
光纤通信技术具有传输速度快、抗干扰能力强、传输距离远等优势，能够满足大规模数据传输和高速网络通信的需求。
三、高速信号传输技术面临的挑战尽管高速信号传输技术在计算机硬件设计中有着广泛应用，但也面临一些挑战。
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DVI LVDS
HyperTransport PCI Express
Display SATA
Ethernet
Graphic Disk
Switch
LAN
SONET /SDH
CPU North Bridge
South Bridge
SAN
XDR RDRAM
Memory
Local I/O
Fibre Channel InfiniBand
Eye diagram
Jitter histogram
Jitter PDF = f(x) Bit error!!
Recovered clock
0.5UI
BER f (x)dx f (x)dx
0.5UI
Integrated System Design Lab.
15
High-Speed Link Standards
Integrated System Design Lab.
Channel loss compensation - Equalizer
Deframer
Clock recovery
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Precise Timing generation
▪ VCO noise PLL jitter Data eye jitter ▪ Low noise, high-frequency VCO is required
Integrated System Design Lab.3来自Introduction
▪ Moore’s law
Growing gap limits system performance!!
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Integrated System Design Lab.
Integrated System Design Lab.
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Serial Link Architecture
Transmitter
PCS
Serializer
Transmitter + Receiver = Transceiver
Framer
Channel
PLL Receiver
Deserializer PCS
5
Computing System
▪ High-speed I/O is needed everywhere
Display Long distance Switch
Graphic Disk LAN
CPU
North Bridge
South Bridge
Memory Local I/O
SAN
Integrated System Design Lab.
PLL
Integrated System Design Lab.
PLL
19
High Definition Multimedia Interface (HDMI)
▪ HDMI
– High-definition multi-media interface – Digital video + multi-channel audio interface for
Integrated System Design Lab.
2
Introduction
▪ Moore’s law
– Performance & density improvement in digital system
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High-Speed Serial Link
Deog-Kyoon Jeong
Seoul National University dkjeong@ee.snu.ac.kr
Outline
▪ Introduction ▪ High-speed I/O overview ▪ Hot design issues ▪ Design examples ▪ Summary
22
Hot Design Issues
▪ CMOS serial link transceiver
Framer PLL
Integrated System Design Lab.
Deframer Clock recovery
23
Hot Design Issues
▪ CMOS serial link transceiver
Framer
High-speed CMOS circuits - Logic gates, analog buffer
PLL
Precise-timing generation - High-frequency, low jitter PLL
High-performance CDR - High-speed NRZ PD - Various CDR architectures
Filter
Oscillator
M
CKo ( fout )
▪ Frequency multiplication: fout = M·fin ▪ Jitter filter ▪ Zero-delay buffer
Integrated System Design Lab.
10
Link Component
10 ~ 20 cycles / Arithmetic operation 70 cycles / DRAM access
“Pentium 4”
20 ~ 30 cycles / Arithmetic operation 500 ~ 600 cycles / DRAM access
Integrated System Design Lab.
PCIe1.0 PCIe2.0(?)
Gen1 Gen2 Gen3
OC-12
OC-48 OC-192
Fast Ethernet
0.1G
Gigabit Ethernet 10G Ethernet
XAUI
1G
10G
OC-768
Data-rate 100G
Integrated System Design Lab.
Latency
Parallel Bus Low Short
Speed
~ 200Mbps / pin
Manufacturing Cost
High
Serial Link High
Long ~ 10Gbps / pin
or more Low
World is moving toward “serial link” or “serial-link-like parallel bus” !!
integrity
▪ Speed ▪ Power consumption Trade-off!! ▪ Area ▪ Level of integration
– Mixed-signal SoC – Serial link interface + digital circuitry
Integrated System Design Lab.
Framer
PLL Channel
Integrated System Design Lab.
Deframer Clock recovery
14
Link Performance Metric
▪ Bit-error rate (BER)
– In most serial link standards, BER < 10-12 is specified
18
Digital Visual Interface (DVI)
▪ TMDS
– Transition minimized differential signaling – EMI reduction
Graphic controller
TMDS encoder TMDS decoder Display controller
Eye diagram Jitter histogram
Integrated System Design Lab.
Tbit Ideal
Timing uncertainty : Jitter Realistic
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Link Performance Metric
▪ Eye diagram example – Near end & far end
Detector
Filter
Oscillator
Di 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0
CKr
Do
Integrated System Design Lab.
12
Link Performance Metric
▪ Eye diagram & jitter Tbit
Random bit sequence
Parallel ATA cabling
Serial ATA cabling
Integrated System Design Lab.
21
Transceiver Chip Design
▪ Technology
– CMOS, InP, GaAs, SiGe, BiCMOS … – CMOS will be the eventual winner – Low cost, high-
▪ High-speed, low voltage swing interface