關(guān)鍵要點(diǎn)

SerDes（Serialization/Deserialization）是一種在數(shù)字通信系統(tǒng)中提供重要優(yōu)勢(shì)的串行/并行轉(zhuǎn)換電路。

串行通信比并行通信更受青睞，因?yàn)樗梢詼p少連接線數(shù)量、降低電磁干擾、節(jié)省功耗等。

SerDes是一種將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)的過(guò)程，具有多種實(shí)現(xiàn)方式和功能。

總結(jié)

本文介紹了串行和并行通信之間的區(qū)別，并詳細(xì)討論了為什么在數(shù)字通信系統(tǒng)中串行通信更為常見(jiàn)。并行通信雖然可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，但需要更多的連接線，易受電磁干擾。而串行通信能夠用較少的連接線傳輸任意位寬的數(shù)據(jù)，并且可以降低功耗，提高抗干擾能力。SerDes是實(shí)現(xiàn)串行/并行轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并將串行數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。它還具有多信道支持、時(shí)鐘倍頻和發(fā)送/接收同步等功能。SerDes已成為數(shù)字電子技術(shù)中不可或缺的一部分，特別適用于視頻接口、電信連接和其他高數(shù)據(jù)率應(yīng)用。

在我的工程職業(yè)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(jiǎn)單性和效率，使用一個(gè)或兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行握手，并且不需要復(fù)雜的同步方案。

但不久之后，人們就發(fā)現(xiàn)流行的數(shù)字通信協(xié)議（UART、SPI、I2C等）使用串行接口，而且我還注意到，專用應(yīng)用程序的高級(jí)協(xié)議有利于串行傳輸。盡管微控制器和中央處理器單元 (CPU)需要并行數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行內(nèi)部存儲(chǔ)、檢索和處理操作，這意味著串行通信涉及額外的序列化和反序列化硬件。

SerDes 是空間到時(shí)間到空間的轉(zhuǎn)換。并行數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，但占用不同的物理互連，而串行數(shù)據(jù)共享相同的物理空間，但占用不同的時(shí)間時(shí)刻（圖 1）。

圖 1.顯示序列化和反序列化的示例圖。圖片由德州儀器 (TI)提供

考慮到所有這些，讓我們看一下并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌裕缓笪覍⒂懻撘恍┲匾?SerDes 概念。

為什么串行通信優(yōu)于并行通信？

并行傳輸更直接的缺點(diǎn)之一是涉及的導(dǎo)體數(shù)量。如果您仍然在 8 位世界中工作，相對(duì)于簡(jiǎn)單、同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮锰巵?lái)說(shuō)，使用一系列互連似乎是合理的。然而，隨著總線寬度擴(kuò)展到 16 位或 32 位范圍，PCB 布局任務(wù)變得越來(lái)越低效且難以管理。當(dāng)您不僅需要將數(shù)據(jù)從一個(gè)組件移動(dòng)到另一個(gè)組件，而且還需要從一個(gè) PCB 移動(dòng)到另一個(gè) PCB 時(shí)，問(wèn)題會(huì)變得更加嚴(yán)重。

此外，每條并行數(shù)據(jù)線不僅僅是布局和布線人員關(guān)心的問(wèn)題。間隔緊密的電線或 PCB 走線（如圖 2 所示）容易受到串?dāng)_的影響，尤其是數(shù)字信號(hào)的高能邏輯轉(zhuǎn)換特性，并且較大的導(dǎo)體組更難以屏蔽環(huán)境電磁干擾 (EMI)。

圖 2：當(dāng)跡線是原理圖中的線路時(shí)，它們具有完美的電氣隔離，但在真實(shí)的 PCB 上，它們會(huì)電容耦合到附近的跡線和平面層。

通過(guò)串行，一些互連就足以傳輸任何位寬的數(shù)據(jù)字，并且您可以減少虛假邏輯轉(zhuǎn)換的可能性，這些邏輯轉(zhuǎn)換會(huì)損壞數(shù)據(jù)或需要重新傳輸，從而降低通信質(zhì)量。

從理論上講，并行確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸，但即使這種優(yōu)勢(shì)也比最初看起來(lái)的更具有偶然性。較長(zhǎng)的走線或電線意味著信號(hào)需要更多的時(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(guò)匹配走線長(zhǎng)度來(lái)均衡整個(gè)總線的延遲變得更加重要。高速 32 位總線的跡線長(zhǎng)度匹配并不是微不足道的，如果我進(jìn)行布局，這將是支持序列化/反序列化的一個(gè)非常有力的論據(jù)。如果您需要均衡走線長(zhǎng)度，這會(huì)很有幫助，但當(dāng)您嘗試最小化電路板面積時(shí)，它就沒(méi)那么有用了。

高速并行總線的另一個(gè)問(wèn)題是功耗過(guò)高。串行化可以通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為低壓差分信號(hào)來(lái)降低功耗。

什么是串行解串器？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(guò)程：在其基本形式中，串行器將由多個(gè)同時(shí)數(shù)字信號(hào)（例如由微處理器或 ASIC 輸出）表示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為沿一根導(dǎo)體傳輸?shù)倪壿嬰娖降臅r(shí)間序列。解串器將邏輯電平的時(shí)間序列轉(zhuǎn)換回沿多個(gè)導(dǎo)體同時(shí)傳輸?shù)囊唤M信號(hào)。

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

多個(gè)串行導(dǎo)體

并串轉(zhuǎn)換不一定將多根導(dǎo)線壓縮為一根導(dǎo)線。更一般地說(shuō)，串行化的目標(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（例如RS-485和USB）使用差分信號(hào)。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，在下面圖 4 的框圖中，根據(jù)TI SN65LVDS95LVDS串行器的數(shù)據(jù)表，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 (TI)提供

時(shí)鐘倍頻

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使輸出字速率與輸入字速率相匹配。由于串行傳輸比并行傳輸更適合高比特頻率，因此串行化不需要降低吞吐量。如上圖所示，可以使用鎖相環(huán)（PLL）根據(jù)并串轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)的壓縮因子來(lái)倍增輸入時(shí)鐘。

發(fā)射/接收同步

與任何數(shù)字通信接口一樣，SerDes 需要一些同步機(jī)制來(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(tǒng)（包括上圖中所示的系統(tǒng)）會(huì)隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)。

解串器還可以從傳入的串行比特流中獲取同步：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(hào)的轉(zhuǎn)換密度不足，PLL 將發(fā)生漂移。例如，傳感器信號(hào)可能在正電源軌處飽和，并被數(shù)字化并串行化為一長(zhǎng)串邏輯高位。為了防止與低轉(zhuǎn)換密度相關(guān)的問(wèn)題，您可以將 SerDes 系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)（例如 8b/10b）或自制編碼方案結(jié)合起來(lái)。

傳輸媒體

將并行數(shù)據(jù)作為串行數(shù)據(jù)傳輸為您提供了物理傳輸選項(xiàng)，否則這是不可行的。即使所有信號(hào)都位于同一 PCB 上并且所有內(nèi)容都使用普通走線進(jìn)行布線，串行化也可以極大地簡(jiǎn)化電路板布局。如果您要在電路板之間、模塊之間、模塊之間或系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)，您可能更喜歡使用同軸電纜或光纖鏈路。如果您有序列化數(shù)據(jù)，您就可以從普通電線升級(jí)到同軸電纜或光纖。

獲得 SerDes 的優(yōu)勢(shì)

SerDes 已成為數(shù)字電子產(chǎn)品不可或缺的一部分。使用并行傳輸無(wú)法類似地實(shí)現(xiàn)視頻接口、電信互連和各種其他應(yīng)用所需的極高數(shù)據(jù)速率。

審核編輯：劉清