电子产品世界

虽然并行接口在许多领域曾经广泛使用，但随着信号完整性要求的提高和传输速率的提升，许多并行接口逐步被高速串行接口（如 PCIe、SATA、以太网等）取代。然而，并行接口仍在一些嵌入式系统和专用场景中保留了优势，如 DDR 内存，仍然不可或缺。

一、并行接口的没落

在计算机和电子设备的发展历史中，并行接口曾一度占据主导地位。并行接口通过多条数据线同时传输多个比特位的数据，具备较高的带宽性能。然而，随着技术的发展，并行接口逐渐被串行接口所取代。这一转变的主要原因在于并行接口固有的一些缺陷：

1. 信号干扰：并行接口需要多条信号线，这些线之间的电磁干扰会限制信号完整性，特别是在高频率下。

2. 布线复杂度：并行接口的信号线数量多，PCB布线复杂，容易增加成本和设计难度。

3. 同步难度：在高频情况下，保持所有信号线同步（即数据到达的时间一致）变得极具挑战性。

常见的并行接口

以下是一些经典的并行接口：

• IDE (Integrated Drive Electronics)：用于连接硬盘和主板，后来被串行接口SATA取代。

  
  

• PCI (Peripheral Component Interconnect)：并行的计算机总线标准，逐步被PCI Express（串行接口）替代。

• Centronics：用于连接打印机，逐步被USB取代。

• 并行端口（Parallel Port）：主要用于外设连接，例如打印机和扫描仪，也已逐渐淘汰。

串行接口相对并行接口的优势

串行接口通过一条或少量几条数据线传输数据，相较于并行接口，具有以下优势：

1. 减少干扰：减少信号线数量降低了线间干扰，提高了信号完整性。

2. 简化布线：减少引脚和PCB布线复杂性，降低了制造成本。

3. 更高的频率：串行接口的点对点传输设计允许更高的传输速率。

4. 同步简化：在串行接口中，通常只需同步一条数据线和一条时钟线（或者通过嵌入时钟的方法实现同步）。

5. 适应性强：串行接口可以支持更长的传输距离，同时减少衰减。

二、串行接口的关键技术

串行接口的实现在芯片原理上涉及多个核心技术，包括数据的串/并转换、异步和同步通信的处理、时钟管理及恢复等。以下将详细探讨这些关键点：

1. 数据的串/并转换

(1) 并行到串行转换 (Parallel-to-Serial Conversion)

在串行接口中，数据通常由宽并行总线（如8位或16位）转换为单比特流传输。关键步骤：

• 移位寄存器 (Shift Register)：

• 并行数据写入寄存器，时钟信号控制每次移位一位，将数据按位输出为串行流。

• 例如：8位数据 10110011 在 8 个时钟周期内输出每一位。

串行到并行的过程比较好理解，实现方法也比较多，下图只是实例帮助理解，具体一般都是用Verilog或者VHDL语言描述。

(2) 串行到并行转换 (Serial-to-Parallel Conversion)

接收端需将串行数据重组为并行数据：

• 移位寄存器：

• 数据通过串行输入端逐位移入寄存器。

• 当寄存器满后（如8位），输出并行数据给处理单元。

(3) 双缓冲机制：

为提高吞吐量，通常采用双缓冲机制，允许数据转换和传输同时进行。

2. 异步和同步通信

串行接口的关键在于如何保持数据收发双方同步

(1) 异步通信 (Asynchronous Communication)

• **定义：**数据传输中发送端和接收端的时钟无直接关联。

• 帧结构：

• 起始位 (Start Bit)：标志传输开始。

• 数据位 (Data Bits)：实际传输的内容，通常为 8 位或其他配置值。

• 校验位 (Parity Bit)：用于简单错误检测。

• 停止位 (Stop Bit)：标志帧结束，提供接收端时间校准。

• 实现要点：

• **波特率 (Baud Rate)：**发送端和接收端必须配置一致。

• **采样定时器：**接收端通过内部采样时钟检测起始位并锁定数据位。

(2) 同步通信 (Synchronous Communication)

• **定义：**发送端和接收端共享同一个时钟。

• 时钟传输：

• **独立时钟线：**如 SPI 协议，通过 SCLK 提供同步时钟信号。

• **嵌入时钟：**如 Manchester 编码，时钟嵌入数据流中，接收端需恢复时钟。

• 实现要点：

• 主设备控制时钟，数据按时钟边沿采样。

• 接收端无需校准波特率，减少时序偏移问题。

3. 时钟处理

(1) 同步时钟的生成与分配

• 片上时钟生成器 (Clock Generator)：通过晶振和锁相环 (PLL) 生成稳定时钟信号。

• 分频器：根据协议要求，生成合适频率的通信时钟。

(2) 异步时钟的采样与校准

• 采样率：通常为波特率的 16 倍或更高，确保高精度采样。

• 起始位检测：利用采样点检测电平变化，以锁定起始位位置。

  
  

4. 时钟恢复

在某些协议中，接收端需从数据流中恢复时钟信号。

(1) 从异步数据流恢复时钟

• 边沿检测：通过检测信号的上升沿或下降沿，重新生成采样时钟。

• 数字锁相环 (DPLL)：用于动态调整时钟频率，以匹配发送端时钟。

  
  

  
  

• 

(2) 嵌入时钟的提取

• 编码机制：如 Manchester 编码或 8b/10b 编码，时钟信号与数据流同时传输。

• 相位对齐：通过解码模块将时钟从数据中提取并对齐。

三、常见的串行接口

串行接口按照速率可分为低速和高速接口：

低速串行接口

1. UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter)：

• 一种异步接口，常用于短距离通信。

• 应用：嵌入式设备、传感器通信等。

• I²C (Inter-Integrated Circuit)：

• 一种双线的同步串行通信接口，适合主从架构。

• 应用：芯片间通信（如MCU和EEPROM之间）。

• SPI (Serial Peripheral Interface)：

• 高速的全双工同步通信协议，适合主从设备。

• 应用：外设通信，如显示屏、传感器。

高速串行接口

1. USB (Universal Serial Bus)：

• 从USB 1.0到USB 4的演变提供了逐步提升的带宽和兼容性。

• 应用：几乎所有的外设连接。

• SATA (Serial ATA)：

• 替代了并行ATA，用于硬盘连接。

• 特点：点对点连接，传输速率高。

• PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)：

• 串行接口，用于计算机内部高速设备互连，如显卡和固态硬盘。

• 特点：支持多通道（x1、x4、x8等）并行。

• Thunderbolt：

• 高速通用接口，支持数据、视频和电源的复用。

• 应用：高性能设备连接。

• MIPI DSI/CSI：

• 针对移动设备的高速接口，用于显示（DSI）和摄像头（CSI）。

---




---

四、串行接口的发展趋势与技术挑战

高速接口的实现（如 PCI、PCIe、SATA、以太网和 SERDES）涉及更复杂的技术，因为数据传输速率更高，通常达到数 Gbps 或更高。以下是这些高速接口的关键原理和实现方法：

---

1. 串行高速接口的核心特性

• 高速数据传输：每秒传输数 Gbps 或更高，需要优化物理层和协议层设计。

• 差分信号：高速接口通常使用差分信号（如 PCIe 的 TX+/TX-），增强抗干扰能力并减少电磁辐射 (EMI)。

• 嵌入时钟：时钟和数据在同一信号中传输（如 PCIe 和 SATA），减少引脚数量，简化连接。并且有一系列优化SI的手段。

• 多通道：支持多通道并行传输（如 PCIe 的 x1、x4、x8 通道配置）。

---

2. 高速接口的关键技术

(1) 串并转换（SerDes）

• 串行器/解串器 (SerDes)：
  高速接口中，SerDes 是数据串行化和解串行化的核心模块。

• 解串器从接收的串行数据流中提取时钟。

• 根据时钟信号将串行数据重新转换为并行数据。

• 并行数据经并行总线输入串行器。

• 使用高速移位寄存器将数据按位输出，同时嵌入时钟信号。

• 发送端：

• 接收端：

• SerDes 的速率匹配：通常采用片上锁相环 (PLL) 精确控制数据传输速率。

(2) 时钟嵌入与恢复

• 嵌入时钟：

• 在高速传输中，通过编码技术（如 8b/10b 或 64b/66b 编码）将时钟信号嵌入数据流，简化布线并提高可靠性。

• 时钟恢复：

• 接收端通过锁相环 (PLL) 或时钟数据恢复 (CDR) 技术提取嵌入的时钟信号。

• 相位对齐：利用数据的过零点调整时钟相位，确保数据采样正确。

(3) 差分信号传输

• 双端传输：高速接口采用差分对（如 PCIe 的 TX+/TX-），两个信号电平相反，增强抗干扰能力。

• 优点：

• 抵消电磁干扰 (EMI)。

• 提高信号完整性，尤其在高频信号中减少串扰。

---

3. 典型高速接口的实现

(1) PCI 到 PCIe

• PCI（并行总线）：

• 使用共享时钟信号，所有设备按总线仲裁机制轮流访问总线。

• 存在时钟偏差和信号完整性问题，限制了传输速率。

• PCIe（点对点串行总线）：

• 物理层：SerDes 负责数据串行化和解串行化。

• 数据链路层：处理数据包分组和错误校验。

• 事务层：支持高层协议（如内存读写请求）。

• 点对点链路：每个设备有独立的通信链路，消除总线仲裁延迟。

• 多通道配置：x1、x4、x8 等通道配置，多个通道可并行传输，提高带宽。

• 分层架构：

(2) SATA（串行ATA）

• 架构：

• 由并行 ATA 演变而来，采用全双工串行通信。

• 使用 8b/10b 编码，嵌入时钟，支持数据速率高达 6 Gbps（SATA 3.0）。

• 工作原理：

• 主机通过 SerDes 发送串行数据流，存储设备解码后处理。

• 双向链路实现读写操作，同时保持高信号完整性。

(3) 以太网（Ethernet）

• 低速到高速的演变：

• 从最早的 10 Mbps 发展到 10 Gbps、25 Gbps，甚至 400 Gbps。

• 关键技术：

• 物理层：使用差分对传输，支持长距离传输。

• 编码：如 PAM4 编码，通过每个符号携带更多比特，提高带宽利用率。

• 时钟恢复：在接收端使用 CDR 技术精确提取时钟。

---

4. SerDes 在高速接口中的角色

SerDes 是所有高速接口的核心，实现以下功能：

1. 发送端：

• 将并行数据以高频率转换为串行数据流。

• 嵌入时钟，减少额外的时钟线。

• 接收端：

• 从串行数据中恢复时钟信号。

• 对串行数据解码并重新组合成并行数据。

• 时序管理：

• 使用锁相环 (PLL) 控制高速信号的相位和频率。

• 减少抖动 (Jitter)，确保数据完整性。

---

5. 信号完整性和高速设计

高速接口面临的主要挑战是信号完整性，设计中需重点考虑：

• 抖动 (Jitter)：时钟或数据信号的随机偏移。需优化 PLL 和 SerDes 的设计以减少抖动。

• 眼图 (Eye Diagram)：用于分析信号质量，良好的眼图表示高信号完整性。

• 阻抗匹配：差分对的阻抗需匹配 PCB 走线设计，避免信号反射。

• 去均衡 (De-Emphasis)：在发送端对高频成分增加衰减，减少长距离传输中的信号失真。




五、为什么并行接口线多，却速率不如串行总线。

• 无需独立时钟信号，噪声干扰更少
  高速串口通过编码技术（如8b/10b编码）将时钟信息嵌入数据流中，而不需要单独传输时钟信号。数据流本身经过加扰，避免了长串相同的比特（如连续超过5个0或1），确保时钟恢复的稳定性，同时消除了周期性变化，避免频谱集中。这种设计通过数据沿变使用PLL恢复时钟，进而采集数据流。省去独立时钟的传输不仅显著降低了功耗，还减少了由时钟信号引入的噪声干扰。

• 差分传输增强抗干扰能力
  高速串口采用差分信号传输，当外界噪声同时作用于两条差分线时，接收端通过相减可以有效抵消干扰。差分设计对外界噪声有很强的抵抗能力，确保数据传输的稳定性。

• 无时钟偏移问题
  由于高速串口不依赖同步时钟，不存在时钟与数据对齐的问题。只需保证差分信号线的长度匹配即可，这相对容易实现。差分信号的两条线总是保持相反状态且高度相关，即便发生延时变化，也可以通过简单的延时补偿实现对齐。而在并行总线中，由于多根独立信号线的无相关性，不同信号线的跳变时间容易受布线、阻抗和噪声的影响，从而产生时钟偏移问题，导致数据传输错误。

• 线少、干扰低
  并行传输通常需要32或64条信号线，线间的电磁干扰显著，尤其在高频下，可能导致数据篡改或误码。相比之下，串行传输仅需4条线（如Rx和Tx的两对差分线）。差分信号在线路跳变时会产生相反的干扰，从而互相抵消，确保总噪声趋于零，避免内部噪声问题。

六、DDR接口为什么还保留并行，没有演进成串行总线？

DDR接口保持并行传输而没有被串行总线替代，主要是因为其特定的应用需求和技术特点，使并行传输在这一场景中更具优势：

1. 延迟要求苛刻，串行传输不具备优势

• 并行总线延迟更低：DDR存储器的一个核心需求是低延迟。串行总线需要经过数据序列化和解序列化（SerDes）过程，这会引入额外的延迟，而DDR接口直接传输多条并行数据线，延迟更小，更适合需要实时响应的存储访问。

• 内存带宽与时延的平衡：DDR接口通过宽度（多条数据线并行传输）和频率的结合来提供高带宽，而串行接口在达到相同带宽时会牺牲一些时延。

2. 高带宽需求与物理距离限制

• 内存与控制器距离较短：DDR接口设计用于处理器和内存之间的短距离高带宽通信。在这种场景下，并行总线可以通过多条线同时传输数据，高效地利用接口带宽，而无需像串行总线那样依赖高频率来提升速率。

• 更高的带宽扩展性：并行总线通过增加数据位宽（如64位、128位）简单直观地扩展带宽，而串行接口受限于单通道的速率提升，需要更复杂的设计。

3. 成本与功耗的平衡

• 节约SerDes资源：串行总线需要SerDes模块来实现高速序列化和解序列化，这增加了成本、功耗和设计复杂性。而并行DDR接口无需额外的SerDes硬件，整体系统功耗更低。

• 控制信号复用困难：DDR接口中控制信号（如行列选通、地址信号等）和数据是分离的，适合并行总线的传输方式。而串行总线需要更复杂的协议和逻辑来处理这些信号，可能带来额外的开销。

4. 设计和兼容性考虑

• 长期成熟的生态系统：DDR技术经过多年优化，已经形成了高度成熟的标准和广泛的支持生态，包括芯片设计、PCB布线、信号完整性工具等。大规模切换到串行总线需要对整个生态进行重构，成本高昂且技术风险较大。

• 布线难度可控：尽管并行总线存在时钟偏移问题，但通过技术手段（如飞线对齐、信号校正等）可以有效解决。而串行总线的高速信号布线要求更高，可能反而在PCB设计中增加复杂度。

5. 适用场景的差异

串行总线（如PCIe、SATA）通常用于长距离、高速、点对点通信场景，而DDR接口的核心应用场景是短距离、低延迟的存储访问。这两种场景需求截然不同，导致串行总线的优势在DDR应用中并不显著。

虽然串行总线在许多领域表现优异，但DDR接口之所以继续采用并行架构，是因为它能更好地满足内存访问对低延迟、高带宽和成本控制的需求。同时，DDR技术已经发展得非常成熟，切换到串行总线需要巨大的技术和生态变革，因此并行传输依然是DDR接口的最优解。

关键词： 接口 并行接口 穿行接口

加入微信
获取电子行业最新资讯
搜索微信公众号：EEPW
或用微信扫描左侧二维码