高速串行簡史（二）：并行通信之系統(tǒng)同步方式【轉(zhuǎn)發(fā)】

要了解并行信號和串行信號,我們還是來先了解下并行通信(傳輸)和串行通信(傳輸)的概念吧。并行信號就是以并行方式通信的信號,而串行信號就是以串行方式通信的信號。串行通信指數(shù)據(jù)在單條一位寬的傳輸線上,一比特接一比特地按順序傳送的方式,在早期的定義里也有說只有一根數(shù)據(jù)線,每個時鐘脈沖下只能發(fā)送一位數(shù)據(jù)的方式;而在并行通信中一個字節(jié)(8位)數(shù)據(jù)是在8條并行傳輸線上同時由源端傳到目的地,也可以說有多個數(shù)據(jù)線(幾根就是幾位),在每個時鐘脈沖下可以發(fā)送多個數(shù)據(jù)位(幾位的并行口就發(fā)送幾位)。

所以早期對串行通信與并行通信的理解為:同樣的一個字節(jié)數(shù)據(jù)(8位),串行通信要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送,而并行通信由于有8根線路,所以只要一次就可以傳送過去,形象的說,把線路(通道)比作道路,能并排開幾輛車的就可以說是“并行”,只能一輛一輛開的就屬于“串行”了。很明顯,并行通信的速度要比串行通信的速度快得多,效率更高,費時更少。不過這些都是早期I/O速率都不高的情況下的理論理解,但信息技術(shù)飛速發(fā)展,之前的理解放在現(xiàn)在來看已經(jīng)過時了,因為現(xiàn)在是高速串行信號時代了(我們的主題)。在高速狀態(tài)下,并行口的幾根數(shù)據(jù)線之間存在串?dāng)_,而并行口需要信號同時發(fā)送同時接收,任何一根數(shù)據(jù)線的延遲都會引起問題。而串行只有一根數(shù)據(jù)線,不存在信號線之間的串?dāng)_,而且串行還可以采用低壓差分信號,可以大大提高它的抗干擾性,所以可以實現(xiàn)更高的傳輸速率,盡管并行可以一次傳多個數(shù)據(jù)位,但是時鐘遠遠低于串行,所以目前串行傳輸是高速傳輸?shù)氖走x。在此套用鐵桿粉絲“絕對零度”的回復(fù):“打個比方,運送大型設(shè)備零件,并行信號就好比多輛貨車,每輛車運送一些零件,大家按一定的時間要求送到目的地才能裝配出完整的設(shè)備,一輛車出故障就會導(dǎo)致無法完成組裝。而串行信號就好比火車,正常情況下一輛車就可以把所有零件運送完畢,而且不會出現(xiàn)問題。”個人覺得這個比喻還是比較恰當(dāng)?shù)?在這里火車本身也是比貨車速度快的。

從另外的角度來看,并行傳輸還有很多方式如系統(tǒng)同步(共同時鐘)方式及源同步時鐘方式等。先來看系統(tǒng)同步先天的內(nèi)在問題,下圖是并行傳輸中系統(tǒng)同步方式的示意圖。

首先,并行信號由于需要多位傳輸路徑,這在早期是可以接受的。但是摩爾定律的現(xiàn)象使得與幾十年前相比可生產(chǎn)的芯片中硅電路的數(shù)量大幅增加,而芯片封裝技術(shù)的pin密度并沒有像硅密度一樣以相同的速度在增加,因此I/O pin的封裝實際上比硅電路還貴,這就意味著對于大多數(shù)芯片來說pin管腳越來越多變得不可接受。就好像我們都知道車道越多我們的通行效率就會更快,但隨著現(xiàn)在的城市空間越來越小以及地價越來越貴,更多的車道慢慢的只能變得越來越難以實現(xiàn)。況且并行本身的I/O速率不高,就像拖拉機或毛馬路,速度上不去再多車道也是枉然。

第二個內(nèi)在問題就是時序的需求。由上圖可知數(shù)據(jù)由芯片#1同步啟動并被芯片#2使用相同的時鐘同步捕獲,芯片#2輸入端的數(shù)據(jù)必須滿足相對于芯片的時鐘輸入的建立和保持時間。詳細(xì)的系統(tǒng)同步時序模型如下圖所示。

這些建立和保持時間必須用足夠的余量來計算,以允許時鐘分配路徑延遲到兩個芯片的差異,并通過芯片到啟動和捕捉觸發(fā)器。延遲可能會因芯片工藝,電壓和溫度(PVT)條件而異,并且必須增加余量以應(yīng)對最壞的情況。對于較高的時鐘頻率,可能需要在芯片中使用鎖相環(huán)(PLL)來調(diào)整時鐘相位,以補償芯片內(nèi)的時鐘分配延遲,并適應(yīng)變化的工藝,電壓和溫度條件。 如果時鐘頻率足夠高,則不可能建立一個可以通過這種共同時鐘總線來可靠地傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。