高速串行接口特征與應(yīng)用

在當(dāng)今移動(dòng)應(yīng)用的寬范圍內(nèi)，高速串行接口取代并行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)今很多公用互連標(biāo)準(zhǔn)(如USB，PCIExpress)都是基于串行傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)速度，物理緊密度和鏈路些韌性，廣泛提供給用戶，如筆記本電腦顯示互連、高速背板互連和呈現(xiàn)出的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

盡管目標(biāo)和特定環(huán)境中性能的最佳化不同，但高速串行互連都采用少量基本元件。主要的是靠采用不同信令實(shí)現(xiàn)，其好處包括：降低噪聲發(fā)射，使信號(hào)幅度降低，從而降低所需信號(hào)功率量。

作為一個(gè)微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)者了解有關(guān)高速串行口技術(shù)的應(yīng)用特征與選擇要領(lǐng)至關(guān)重要，值此本文將作分析說(shuō)明。需要說(shuō)明的是常見(jiàn)的HDMI／DVI連接、桌上型電腦、移動(dòng)PC、服務(wù)器、存儲(chǔ)、PC擴(kuò)展卡與嵌入式系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等均離不開(kāi)高速串行總化線與橋接器接口。

1、解決串行高速信號(hào)傳輸難題HDMI切換開(kāi)關(guān)產(chǎn)品

*隨著HDMll.3標(biāo)準(zhǔn)的推出，其3.3Gbps的高速傳輸速率對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量形成挑戰(zhàn)。HDMI不只局限于板卡上的信號(hào)傳送，它同時(shí)更關(guān)注不同器材間的信號(hào)傳送。在長(zhǎng)距離纜線的傳輸上，信號(hào)質(zhì)量通常都會(huì)受到衰減而變差。另外，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置上需要多個(gè)信號(hào)源或多個(gè)接收終端時(shí)，串音干擾也是一個(gè)問(wèn)題。通常，當(dāng)DVI／HDMI信號(hào)以1．65Gbps速度通過(guò)25m長(zhǎng)的24AWG線纜傳送時(shí)，會(huì)造成15dB-16dB的信號(hào)失真，這一失真足以導(dǎo)致信號(hào)傳送失敗。針對(duì)這一問(wèn)題，如美信與百利通的HDMI切換開(kāi)關(guān)采用整合型均衡器(16dB)及解預(yù)強(qiáng)(9.5dB)技術(shù)，確保HDMI信號(hào)達(dá)到最長(zhǎng)的傳輸和接收距離并減低字符串?dāng)_。

*舉例應(yīng)用

完全兼容HDMI 1.3應(yīng)用的MAX3814電纜均衡器／驅(qū)動(dòng)器,以輕松實(shí)現(xiàn)HDMI／DVI連接提供15dB損耗補(bǔ)償并可吸收連接器反射，見(jiàn)圖1所示。

圖1

MAX3814均衡器／驅(qū)動(dòng)器能夠補(bǔ)償電纜及電路板的信號(hào)損失，并且吸收連接器反射,以極低價(jià)格提供所有功能。這款小尺寸、5mmx 5mm器件可以直接放置在HDMI／DVI接口處，為長(zhǎng)電纜或電路板引線提供高達(dá)15dB的損耗補(bǔ)償。為了吸收連接器反射，可以選擇大電流輸出以便使用背向終端匹配電阻。MAX3814非常適合VGA、SVGA、XGA和UXGA計(jì)算機(jī)分辨率，以及480P、720p、1080i和1080pHDTV分辨率。完全兼容HDMI 1.3應(yīng)用。

其HDMI擴(kuò)展器/均衡器特征為：將28AWG HDMI電纜的數(shù)據(jù)傳輸離延長(zhǎng)至36m；將FR4電路板的數(shù)據(jù)傳輸距離延長(zhǎng)至2m；增加15dB(最大值)的損耗補(bǔ)償裕量。

其HDMI電纜驅(qū)動(dòng)器特征為：兼容于HDMI和DVI標(biāo)準(zhǔn)的輸出；可選擇大電流模式，以便使用吸收輸出反射的終端匹配電阻；關(guān)斷模式下關(guān)閉輸出。

2、PCI總線始于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用

外圍組件互連(PCI)總線是當(dāng)今使用的最為廣泛的內(nèi)部計(jì)算機(jī)總線之一。通常會(huì)發(fā)現(xiàn)在臺(tái)式計(jì)算機(jī)上有3個(gè)或更多的PCI插槽。PCI總線的廣泛使用使得它成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首要選擇。另一方面，PCI提供了高速的傳輸，理論帶寬的速度可達(dá)1056Mbits／s。因此，那些需要高速數(shù)據(jù)流盤(pán)應(yīng)用的客戶可能喜歡使用PCI而不是一些其他的總線選擇。如NI公司針對(duì)PCI提供了多功能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，并且具有多種采樣速率(高達(dá)1.25MS／s)且并行采樣速率高達(dá)10MS／s。PCI也提供閉鎖連接器，這對(duì)于在惡劣環(huán)境下的工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的特性。近年來(lái)出現(xiàn)了一些對(duì)PCI總線的改進(jìn)?，F(xiàn)在，一些PCI插槽提供32位傳輸，而另外一些的傳輸數(shù)據(jù)速率高達(dá)66MHz。甚至PCI板卡需要的電源也有所改不同，一些需要5V，而另外的則僅需要3.3V。另外一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，稱(chēng)為PCI-X，允許高達(dá)133MHz的傳輸速率。

通過(guò)保持這些設(shè)備專(zhuān)門(mén)針對(duì)通用信號(hào)，來(lái)保證所提供的基于PCI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備與目前所有的改進(jìn)的PCI協(xié)議兼容。此外，如NI公司，M系列下一代數(shù)據(jù)采集設(shè)備在PCI上實(shí)現(xiàn)了高性能的16位或18位數(shù)據(jù)采集。

2.1基于PCI的 PXl模塊化儀器平臺(tái)

需指出的是，傳統(tǒng)的33M PCI并行總線正在被采用高速串行技術(shù)的PCI-Express取代，而它的最新標(biāo)準(zhǔn)支持的數(shù)據(jù)率已經(jīng)到5Gb/S，一個(gè)U1的寬度僅200ps。而PXl是一種專(zhuān)為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備機(jī)械、電氣與軟件等多方面的專(zhuān)業(yè)特性。PXl(PCIextensionsforlnstrumentation)充分利用了當(dāng)前最普及的臺(tái)式計(jì)算機(jī)高速標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)-PCI。PXl規(guī)范是CompactPCI規(guī)范的擴(kuò)展。CompactPCI定義了封裝堅(jiān)固的工業(yè)版PCI總線架構(gòu)，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優(yōu)秀的機(jī)械整合性。

其PXI系統(tǒng)機(jī)箱為系統(tǒng)提供了堅(jiān)固的模塊化封裝結(jié)構(gòu)。按尺寸不同，機(jī)箱有4槽到18槽不等，機(jī)箱具有高性能PXI背板，它包括PCI總線，定時(shí)和觸發(fā)總線(見(jiàn)圖2所示)，并且還可以有一些專(zhuān)門(mén)特性，如DC電源和集成式信號(hào)調(diào)理。PXl在背板上結(jié)合了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線和測(cè)量與自動(dòng)化系統(tǒng)專(zhuān)用的定時(shí)與觸發(fā)特性高級(jí)及同步擴(kuò)展。

圖2

2.2PCI橋接器特征與應(yīng)用

外圍設(shè)備互連(PCI)橋接器提供了任意兩條PCI總線之間或PCI元件與一個(gè)或多個(gè)DSP器件之間提供高性能連接通路。

*設(shè)計(jì)思想

外設(shè)組件接口(PCI)是一種用于連接微處理器及其附加器件的互連系統(tǒng)，其中為了實(shí)現(xiàn)高速操作，擴(kuò)展槽被緊密放置。一個(gè)PCI至PCI橋是兩條PCI總線之間的高性能連接通道，允許在兩條PCI總線上并行處理橋接事務(wù)。當(dāng)兩個(gè)總線通行線路通過(guò)橋接器連接并獨(dú)立運(yùn)作時(shí)，猝發(fā)模式(Burstmode)可以支持最大的數(shù)據(jù)傳輸量。在未來(lái)的系統(tǒng)中，許多PCI總線結(jié)構(gòu)將被新的連續(xù)的PCI Express體系結(jié)構(gòu)代替。引正在積極開(kāi)發(fā)一系列的PCI Express產(chǎn)品組合以占領(lǐng)這個(gè)新的市場(chǎng)。

*主要特點(diǎn)：兩條32位、33或66MHz總線；可針對(duì)PCI電源管理接口規(guī)范進(jìn)行配置；

CompactPCI熱交換(hot-swap)功能；3.3V核心邏輯，具有與3.3V至5V PCI信號(hào)的兼容性；

InteI橋接兼容性；透明橋接(Transparent bridging)

3、高速串行總線PCI Express與橋接器

3.1高速串行總線PCI Express特征

*設(shè)計(jì)思想

PCI Express是一種近年來(lái)發(fā)布的總線結(jié)構(gòu)，其初始速度達(dá)2．5Gb／s。它在每個(gè)PCIExpress通道單方向上提供的標(biāo)稱(chēng)帶寬大約為250MBls?？紤]到附加信息的帶寬占用，大約其中的200MB／s由設(shè)備用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。這一速率是大多數(shù)典型的PCI設(shè)備的兩倍至四倍。因?yàn)槭褂肞CIExpress可以將同樣水平的帶寬分配至每一個(gè)設(shè)備，而不是像PCI那樣在所有的設(shè)備間共享帶寬，所以PCI Express設(shè)備可以比它們相應(yīng)的PCI達(dá)到更高的性能水平。對(duì)于測(cè)量應(yīng)用，這就意味著更高的采樣速率和數(shù)據(jù)吞吐速率。

PCI Express具有了繼PCI之后最優(yōu)的特性及理念。而PCI Express所引入的強(qiáng)健、可升級(jí)、靈活、經(jīng)濟(jì)高效的輸入／輸出互聯(lián)將在下一個(gè)10-15年內(nèi)提供服務(wù)。圖3為PCI Express的拓?fù)涫疽鈭D。

圖3

PCIExpress技術(shù)指標(biāo)也提供了熱交換和熱插拔功能。因?yàn)闊岵鍝芴匦孕枰蕾?lài)特定的操作系統(tǒng)特性，所以可能初始時(shí)不能使用。此外，PCIExpress設(shè)備提供各種不同的格式，尤其是SIOM和ExpressCard，極大地提高了在服務(wù)器和筆記本上添加高性能外設(shè)的能力。

*主要特點(diǎn)：PCI Express的架構(gòu)是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的高性能、多用途串行輸入輸出互聯(lián)，設(shè)計(jì)用于企業(yè)設(shè)施、桌上型電腦、移動(dòng)通信以及嵌入式平臺(tái)；通過(guò)使用已制定的PCI軟件編程模塊，PCI Express可實(shí)現(xiàn)與PCI的兼容。PCI Express~推動(dòng)了硬件更新的順利過(guò)渡，支持軟件的發(fā)展和升級(jí)，提升了PCI Express的特性優(yōu)勢(shì)；Gen I在其最初的2.5GHz信號(hào)傳輸速率時(shí)就擁有了16G比特／秒的可升級(jí)帶寬。而將來(lái)，GenII將采用更高頻率的信號(hào)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率；通過(guò)1、2、4、8、1 2、16及32通道(1ane)的配置集合匹配應(yīng)用所需的帶寬，從而支持多個(gè)互聯(lián)寬度；服務(wù)于新型及革新的、熱插入／熱交換擴(kuò)展卡及模塊化器件；提供了獨(dú)特的高級(jí)特性，例如電源管理、服務(wù)質(zhì)量以及其它PCI—E本身獨(dú)有而其他的輸入輸出架構(gòu)所不具有的功能。

*PCI Express器件分類(lèi)為：根聯(lián)合體(RootComplex)器件，開(kāi)關(guān)，PCI／PC-X，橋接器，舊式的端點(diǎn)器件與端點(diǎn)器件。

3.2使用PCI EXpreSSM系列的高速模擬和數(shù)字I／0

如新型NI PCIe—6251和NIPCIe—6259是最先出現(xiàn)的PCI Express多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備。它們提供高達(dá)32個(gè)16位精度，1.25MS／s模擬輸入通道，另外有32個(gè)10MHz數(shù)字I／O通道和4個(gè)16位，2.8MS／s模擬輸出。當(dāng)您通過(guò)一個(gè)x1 PCI Express連接器與PC互傳數(shù)據(jù)時(shí)，所有這些I／O可以同時(shí)運(yùn)行。即高速模擬和數(shù)字I／O和通過(guò)PCI EXpress每個(gè)設(shè)備獲得專(zhuān)用帶寬及向后兼容針對(duì)同類(lèi)PCI設(shè)備設(shè)計(jì)的軟件。

3.3 PCIExpress橋接芯片

如TI的X102000A是新型PCI Express橋接芯片，其設(shè)計(jì)用于老式PCI至PCI Express接口的無(wú)縫移植。該器件將x1 PCI Express總線橋接至32位、33／66MHz PCI總線(見(jiàn)圖4所示)，最多可支持多達(dá)6個(gè)下行流(downstream)PCI器件。

圖4

X102000A完全支持PCI Express 2．5Gbps的數(shù)據(jù)率。其架構(gòu)支持PCI 2．3接口。該芯片的設(shè)計(jì)使得個(gè)人電腦及輸入／輸出擴(kuò)展卡廠商一方面開(kāi)始著手向優(yōu)秀的PCI Express技術(shù)轉(zhuǎn)變，另一方面仍保有與現(xiàn)存PCI系統(tǒng)軟件及固件的兼容性。

*X102000A主要特征與優(yōu)勢(shì)

兼容PCI ExpressPCI／PCI-X橋接標(biāo)準(zhǔn)rev 1.0與兼容PCI Express基本標(biāo)準(zhǔn)1.0a及兼容PCI本地總線標(biāo)準(zhǔn)rev 2.3；采用100MHz差分PCI Express通用基準(zhǔn)時(shí)鐘或125MHz單端基準(zhǔn)時(shí)鐘；完全的PCI體地總線66MHz／32位吞吐能力；Wake／Beacon(喚醒／信標(biāo))事件支持強(qiáng)健的架構(gòu)，使延遲最小化。而其優(yōu)勢(shì)為內(nèi)置自適應(yīng)接收機(jī)均衡,由于改善的抖動(dòng)容忍度，因此X102000允許可靠的增加PCB線跡{trace)，或增加纜線長(zhǎng)度；7個(gè)緩沖的PCI時(shí)鐘輸出(33MHz或66MHz),降低了外部組件數(shù)量、成本，并獲得了額外的板載空間；32位二級(jí)PCI總線，具有33MHz或66MHz時(shí)鐘選項(xiàng)，允許客戶自定義，以滿足高性能或低功耗應(yīng)用的需要；具有經(jīng)驗(yàn)證的，與各類(lèi)PCI Express芯片集及PCI擴(kuò)展卡的兼容性,與主流的根聯(lián)合體(rootcomplex)器件以及眾多的PCI擴(kuò)展卡一起經(jīng)受了嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；緊湊的引腳分布，允許在其有限的板載空間內(nèi)配置Expresscard及mini-PCI卡；高級(jí)電源管理特性，軟件可編程及硬件自身享有的電源管理特性，可用于諸如Expresscard等低功耗應(yīng)用。

*應(yīng)用領(lǐng)域；XI02000A可滿足多個(gè)不同市場(chǎng)段的需求，包括了桌上型電腦、移動(dòng)PC、服務(wù)器、存儲(chǔ)、PC擴(kuò)展卡及嵌入式系統(tǒng)。

3.4 x1 PCIExpress至1394aOHCI橋接器特征與應(yīng)用

以TI的X102200A為例。主要特點(diǎn)：x1 PCI Express主接口與支持兩個(gè)1394a端口完全兼容1394開(kāi)放式主機(jī)控制器接口規(guī)范revl.1；Expresscard設(shè)計(jì)支持兩個(gè)1394a端口；內(nèi)部專(zhuān)用的PCI總線，工作于32位、66MHz。圖5為x1 PCIExpress至1394aOHCI橋接器示意圖。

圖5

它所帶來(lái)的功效：其單芯片解決方案，用于1394a Expresscard，又有高級(jí)電源管理特性；其軟件可編程及硬件自身享有的電源管理特性，可支持諸如Expresscard等低功耗應(yīng)用,緊湊的引腳分布，采用176圓球腳MicroStarTMBGA封裝，而EEPROM配置允許通過(guò)用于1394構(gòu)架的一個(gè)全局唯一性的ID實(shí)現(xiàn)載入。

應(yīng)用Expresscard與PC擴(kuò)展卡及PC母板(motherboard)。

3.5 4通道，4端口PCIExpress開(kāi)關(guān)(X103130型)特征與應(yīng)用

X103130是集成的PCI Express出升關(guān)解決萬(wàn)案，帶有一個(gè)x1上行端口及三個(gè)x1下行端口。此高性能的解決方案提供了最新的PCI Express開(kāi)關(guān)技術(shù)。其特色的直接穿越架構(gòu)(cut—through architecture)以及集成的基準(zhǔn)時(shí)鐘緩沖器可用于下行端口。X103130完全兼容PCI Express基本規(guī)范Rev 1.1。該器件支持PCI Express基本規(guī)范中所定義的高級(jí)錯(cuò)誤報(bào)告，并與PCI本地總線規(guī)范Rev 2．3后向兼容。

主要特征：PCI Express扇出開(kāi)關(guān)，具有一個(gè)x1上行端口及三個(gè)x1下行端口；完全兼容PCI Express基本規(guī)范Revl.1；直接穿越架構(gòu)；四個(gè)端口均內(nèi)置了自適應(yīng)均衡器；喚醒事件(Wake-event)及信標(biāo)(Beacon)支持；主動(dòng)狀態(tài)電源管理(ASPM)；低功耗PCI Express發(fā)射機(jī)模式(pre-emphasisdsabled，預(yù)加重失效)；僅當(dāng)主電源關(guān)斷(off)時(shí)，集成的AUX電源開(kāi)關(guān)通過(guò)VAUX(輔助電源)吸取供電；集成熱插入支持；集成基準(zhǔn)時(shí)鐘(REFCLK)緩沖器，以用于開(kāi)關(guān)的下行端口；高級(jí)錯(cuò)誤報(bào)告，可用于輔助系統(tǒng)調(diào)試工具；3．3V多功能輸入輸出引腳(例如，用于熱插入狀況及控制，或用作多用途輸入／輸出口)。

應(yīng)用：將X103130作為一個(gè)扇出型器件的主要用意是高效的擴(kuò)展芯 片集的計(jì)算資源至多個(gè)輸入輸出端口，并增強(qiáng)系統(tǒng)的功能性及靈活性。X103130的目標(biāo)應(yīng)用包括了個(gè)人電腦、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、工業(yè)控制及背板。

4、USB 2.0應(yīng)用特征與USB-串行橋接器TUSB3410

*總線系統(tǒng)中傳輸速率最快的兩種是USB 2.0. 它們采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電氣連接。使用先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)或集線器，可以構(gòu)成樹(shù)狀拓?fù)涞奶摂M總線，數(shù)據(jù)包從源端發(fā)送至端點(diǎn)(USB)，突發(fā)數(shù)據(jù)速率高達(dá)480Mbps(USB 2.0)。TUSB3410提供了一種通過(guò)USB端口與增強(qiáng)型UART串行端口之間的橋接來(lái)使您的老式串行設(shè)備與快速、靈活的USB接口相連的簡(jiǎn)易方法。USB的拓?fù)浜蛥f(xié)議允許最多連接126個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用無(wú)源電纜時(shí)節(jié)點(diǎn)間的最大傳輸距離為4.5m。專(zhuān)為包括PC外設(shè)、多媒體、工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，USB可以帶電插入系統(tǒng)(熱插拔)。該特性允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)變化。

*TUSB3410包含采用USB總線來(lái)與主計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信所需的全部邏輯電路。圖為串行橋接器TUSB3410應(yīng)用示意圖6。

圖6

主要特點(diǎn)：符合USB全速規(guī)格：12Mbps的數(shù)據(jù)率；8052微控制器以及能夠從主機(jī)或通過(guò)總線從外部板載存儲(chǔ)器裝入數(shù)據(jù)的16Kbyte RAM；集成、增強(qiáng)型UART功能包括可編程軟件／硬件流量控制自動(dòng)RS-485總線收發(fā)器控制(帶或不帶回波抑制)、50-921.6kbaud的軟件可選波特率；用于USB／UART成批I／O的內(nèi)置、雙通道DMA控制器；

應(yīng)用：手持式計(jì)量?jī)x表、健康狀況測(cè)量裝置／監(jiān)控器與所有需要升級(jí)至USB的老式串行設(shè)備。