高速串行接口特征与应用

在当今移动应用的宽范围内，高速串行接口取代并行拓扑结构。当今很多公用互连标准(如USB，PCIExpress)都是基于串行传输来实现速度，物理紧密度和链路些韧性，广泛提供给用户，如笔记本电脑显示互连、高速背板互连和呈现出的存储器结构。

尽管目标和特定环境中性能的最佳化不同，但高速串行互连都采用少量基本元件。主要的是靠采用不同信令实现，其好处包括：降低噪声发射，使信号幅度降低，从而降低所需信号功率量。

作为一个微控制器系统设计者了解有关高速串行口技术的应用特征与选择要领至关重要，值此本文将作分析说明。需要说明的是常见的HDMI／DVI连接、桌上型电脑、移动PC、服务器、存储、PC扩展卡与嵌入式系统及数据采集系统等均离不开高速串行总化线与桥接器接口。

1、解决串行高速信号传输难题HDMI切换开关产品

*随着HDMll.3标准的推出，其3.3Gbps的高速传输速率对信号传输质量形成挑战。HDMI不只局限于板卡上的信号传送，它同时更关注不同器材间的信号传送。在长距离缆线的传输上，信号质量通常都会受到衰减而变差。另外，当系统设置上需要多个信号源或多个接收终端时，串音干扰也是一个问题。通常，当DVI／HDMI信号以1．65Gbps速度通过25m长的24AWG线缆传送时，会造成15dB-16dB的信号失真，这一失真足以导致信号传送失败。针对这一问题，如美信与百利通的HDMI切换开关采用整合型均衡器(16dB)及解预强(9.5dB)技术，确保HDMI信号达到最长的传输和接收距离并减低字符串扰。

*举例应用

完全兼容HDMI 1.3应用的MAX3814电缆均衡器／驱动器,以轻松实现HDMI／DVI连接提供15dB损耗补偿并可吸收连接器反射，见图1所示。

图1

MAX3814均衡器／驱动器能够补偿电缆及电路板的信号损失，并且吸收连接器反射,以极低价格提供所有功能。这款小尺寸、5mmx 5mm器件可以直接放置在HDMI／DVI接口处，为长电缆或电路板引线提供高达15dB的损耗补偿。为了吸收连接器反射，可以选择大电流输出以便使用背向终端匹配电阻。MAX3814非常适合VGA、SVGA、XGA和UXGA计算机分辨率，以及480P、720p、1080i和1080pHDTV分辨率。完全兼容HDMI 1.3应用。

其HDMI扩展器/均衡器特征为：将28AWG HDMI电缆的数据传输离延长至36m；将FR4电路板的数据传输距离延长至2m；增加15dB(最大值)的损耗补偿裕量。

其HDMI电缆驱动器特征为：兼容于HDMI和DVI标准的输出；可选择大电流模式，以便使用吸收输出反射的终端匹配电阻；关断模式下关闭输出。

2、PCI总线始于数据采集系统的应用

外围组件互连(PCI)总线是当今使用的最为广泛的内部计算机总线之一。通常会发现在台式计算机上有3个或更多的PCI插槽。PCI总线的广泛使用使得它成为数据采集系统的首要选择。另一方面，PCI提供了高速的传输，理论带宽的速度可达1056Mbits／s。因此，那些需要高速数据流盘应用的客户可能喜欢使用PCI而不是一些其他的总线选择。如NI公司针对PCI提供了多功能的数据采集设备，并且具有多种采样速率(高达1.25MS／s)且并行采样速率高达10MS／s。PCI也提供闭锁连接器，这对于在恶劣环境下的工业应用来说是一个重要的特性。近年来出现了一些对PCI总线的改进。现在，一些PCI插槽提供32位传输，而另外一些的传输数据速率高达66MHz。甚至PCI板卡需要的电源也有所改不同，一些需要5V，而另外的则仅需要3.3V。另外一个技术标准，称为PCI-X，允许高达133MHz的传输速率。

通过保持这些设备专门针对通用信号，来保证所提供的基于PCI的数据采集设备与目前所有的改进的PCI协议兼容。此外，如NI公司，M系列下一代数据采集设备在PCI上实现了高性能的16位或18位数据采集。

2.1基于PCI的 PXl模块化仪器平台

需指出的是，传统的33M PCI并行总线正在被采用高速串行技术的PCI-Express取代，而它的最新标准支持的数据率已经到5Gb/S，一个U1的宽度仅200ps。而PXl是一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，具备机械、电气与软件等多方面的专业特性。PXl(PCIextensionsforlnstrumentation)充分利用了当前最普及的台式计算机高速标准结构-PCI。PXl规范是CompactPCI规范的扩展。CompactPCI定义了封装坚固的工业版PCI总线架构，在硬件模块易于装卸的前提下提供优秀的机械整合性。

其PXI系统机箱为系统提供了坚固的模块化封装结构。按尺寸不同，机箱有4槽到18槽不等，机箱具有高性能PXI背板，它包括PCI总线，定时和触发总线(见图2所示)，并且还可以有一些专门特性，如DC电源和集成式信号调理。PXl在背板上结合了工业标准的PCI总线和测量与自动化系统专用的定时与触发特性高级及同步扩展。

图2

2.2PCI桥接器特征与应用

外围设备互连(PCI)桥接器提供了任意两条PCI总线之间或PCI元件与一个或多个DSP器件之间提供高性能连接通路。

*设计思想

外设组件接口(PCI)是一种用于连接微处理器及其附加器件的互连系统，其中为了实现高速操作，扩展槽被紧密放置。一个PCI至PCI桥是两条PCI总线之间的高性能连接通道，允许在两条PCI总线上并行处理桥接事务。当两个总线通行线路通过桥接器连接并独立运作时，猝发模式(Burstmode)可以支持最大的数据传输量。在未来的系统中，许多PCI总线结构将被新的连续的PCI Express体系结构代替。引正在积极开发一系列的PCI Express产品组合以占领这个新的市场。

*主要特点：两条32位、33或66MHz总线；可针对PCI电源管理接口规范进行配置；

CompactPCI热交换(hot-swap)功能；3.3V核心逻辑，具有与3.3V至5V PCI信号的兼容性；

InteI桥接兼容性；透明桥接(Transparent bridging)

3、高速串行总线PCI Express与桥接器

3.1高速串行总线PCI Express特征

*设计思想

PCI Express是一种近年来发布的总线结构，其初始速度达2．5Gb／s。它在每个PCIExpress通道单方向上提供的标称带宽大约为250MBls。考虑到附加信息的带宽占用，大约其中的200MB／s由设备用来传输数据。这一速率是大多数典型的PCI设备的两倍至四倍。因为使用PCIExpress可以将同样水平的带宽分配至每一个设备，而不是像PCI那样在所有的设备间共享带宽，所以PCI Express设备可以比它们相应的PCI达到更高的性能水平。对于测量应用，这就意味着更高的采样速率和数据吞吐速率。

PCI Express具有了继PCI之后最优的特性及理念。而PCI Express所引入的强健、可升级、灵活、经济高效的输入／输出互联将在下一个10-15年内提供服务。图3为PCI Express的拓扑示意图。

图3

PCIExpress技术指标也提供了热交换和热插拔功能。因为热插拨特性需要依赖特定的操作系统特性，所以可能初始时不能使用。此外，PCIExpress设备提供各种不同的格式，尤其是SIOM和ExpressCard，极大地提高了在服务器和笔记本上添加高性能外设的能力。

*主要特点：PCI Express的架构是业界标准的高性能、多用途串行输入输出互联，设计用于企业设施、桌上型电脑、移动通信以及嵌入式平台；通过使用已制定的PCI软件编程模块，PCI Express可实现与PCI的兼容。PCI Express~推动了硬件更新的顺利过渡，支持软件的发展和升级，提升了PCI Express的特性优势；Gen I在其最初的2.5GHz信号传输速率时就拥有了16G比特／秒的可升级带宽。而将来，GenII将采用更高频率的信号传输技术，实现更高的传输速率；通过1、2、4、8、1 2、16及32通道(1ane)的配置集合匹配应用所需的带宽，从而支持多个互联宽度；服务于新型及革新的、热插入／热交换扩展卡及模块化器件；提供了独特的高级特性，例如电源管理、服务质量以及其它PCI—E本身独有而其他的输入输出架构所不具有的功能。

*PCI Express器件分类为：根联合体(RootComplex)器件，开关，PCI／PC-X，桥接器，旧式的端点器件与端点器件。

3.2使用PCI EXpreSSM系列的高速模拟和数字I／0

如新型NI PCIe—6251和NIPCIe—6259是最先出现的PCI Express多功能数据采集设备。它们提供高达32个16位精度，1.25MS／s模拟输入通道，另外有32个10MHz数字I／O通道和4个16位，2.8MS／s模拟输出。当您通过一个x1 PCI Express连接器与PC互传数据时，所有这些I／O可以同时运行。即高速模拟和数字I／O和通过PCI EXpress每个设备获得专用带宽及向后兼容针对同类PCI设备设计的软件。

3.3 PCIExpress桥接芯片

如TI的X102000A是新型PCI Express桥接芯片，其设计用于老式PCI至PCI Express接口的无缝移植。该器件将x1 PCI Express总线桥接至32位、33／66MHz PCI总线(见图4所示)，最多可支持多达6个下行流(downstream)PCI器件。

图4

X102000A完全支持PCI Express 2．5Gbps的数据率。其架构支持PCI 2．3接口。该芯片的设计使得个人电脑及输入／输出扩展卡厂商一方面开始着手向优秀的PCI Express技术转变，另一方面仍保有与现存PCI系统软件及固件的兼容性。

*X102000A主要特征与优势

兼容PCI ExpressPCI／PCI-X桥接标准rev 1.0与兼容PCI Express基本标准1.0a及兼容PCI本地总线标准rev 2.3；采用100MHz差分PCI Express通用基准时钟或125MHz单端基准时钟；完全的PCI体地总线66MHz／32位吞吐能力；Wake／Beacon(唤醒／信标)事件支持强健的架构，使延迟最小化。而其优势为内置自适应接收机均衡,由于改善的抖动容忍度，因此X102000允许可靠的增加PCB线迹{trace)，或增加缆线长度；7个缓冲的PCI时钟输出(33MHz或66MHz),降低了外部组件数量、成本，并获得了额外的板载空间；32位二级PCI总线，具有33MHz或66MHz时钟选项，允许客户自定义，以满足高性能或低功耗应用的需要；具有经验证的，与各类PCI Express芯片集及PCI扩展卡的兼容性,与主流的根联合体(rootcomplex)器件以及众多的PCI扩展卡一起经受了严格的现场测试；紧凑的引脚分布，允许在其有限的板载空间内配置Expresscard及mini-PCI卡；高级电源管理特性，软件可编程及硬件自身享有的电源管理特性，可用于诸如Expresscard等低功耗应用。

*应用领域；XI02000A可满足多个不同市场段的需求，包括了桌上型电脑、移动PC、服务器、存储、PC扩展卡及嵌入式系统。

3.4 x1 PCIExpress至1394aOHCI桥接器特征与应用

以TI的X102200A为例。主要特点：x1 PCI Express主接口与支持两个1394a端口完全兼容1394开放式主机控制器接口规范revl.1；Expresscard设计支持两个1394a端口；内部专用的PCI总线，工作于32位、66MHz。图5为x1 PCIExpress至1394aOHCI桥接器示意图。

图5

它所带来的功效：其单芯片解决方案，用于1394a Expresscard，又有高级电源管理特性；其软件可编程及硬件自身享有的电源管理特性，可支持诸如Expresscard等低功耗应用,紧凑的引脚分布，采用176圆球脚MicroStarTMBGA封装，而EEPROM配置允许通过用于1394构架的一个全局唯一性的ID实现载入。

应用Expresscard与PC扩展卡及PC母板(motherboard)。

3.5 4通道，4端口PCIExpress开关(X103130型)特征与应用

X103130是集成的PCI Express出升关解决万案，带有一个x1上行端口及三个x1下行端口。此高性能的解决方案提供了最新的PCI Express开关技术。其特色的直接穿越架构(cut—through architecture)以及集成的基准时钟缓冲器可用于下行端口。X103130完全兼容PCI Express基本规范Rev 1.1。该器件支持PCI Express基本规范中所定义的高级错误报告，并与PCI本地总线规范Rev 2．3后向兼容。

主要特征：PCI Express扇出开关，具有一个x1上行端口及三个x1下行端口；完全兼容PCI Express基本规范Revl.1；直接穿越架构；四个端口均内置了自适应均衡器；唤醒事件(Wake-event)及信标(Beacon)支持；主动状态电源管理(ASPM)；低功耗PCI Express发射机模式(pre-emphasisdsabled，预加重失效)；仅当主电源关断(off)时，集成的AUX电源开关通过VAUX(辅助电源)吸取供电；集成热插入支持；集成基准时钟(REFCLK)缓冲器，以用于开关的下行端口；高级错误报告，可用于辅助系统调试工具；3．3V多功能输入输出引脚(例如，用于热插入状况及控制，或用作多用途输入／输出口)。

应用：将X103130作为一个扇出型器件的主要用意是高效的扩展芯 片集的计算资源至多个输入输出端口，并增强系统的功能性及灵活性。X103130的目标应用包括了个人电脑、服务器、存储设备、工业控制及背板。

4、USB 2.0应用特征与USB-串行桥接器TUSB3410

*总线系统中传输速率最快的两种是USB 2.0. 它们采用点对点电气连接。使用先进的节点或集线器，可以构成树状拓扑的虚拟总线，数据包从源端发送至端点(USB)，突发数据速率高达480Mbps(USB 2.0)。TUSB3410提供了一种通过USB端口与增强型UART串行端口之间的桥接来使您的老式串行设备与快速、灵活的USB接口相连的简易方法。USB的拓扑和协议允许最多连接126个节点，使用无源电缆时节点间的最大传输距离为4.5m。专为包括PC外设、多媒体、工业控制应用而设计，USB可以带电插入系统(热插拔)。该特性允许网络节点数动态变化。

*TUSB3410包含采用USB总线来与主计算机进行通信所需的全部逻辑电路。图为串行桥接器TUSB3410应用示意图6。

图6

主要特点：符合USB全速规格：12Mbps的数据率；8052微控制器以及能够从主机或通过总线从外部板载存储器装入数据的16Kbyte RAM；集成、增强型UART功能包括可编程软件／硬件流量控制自动RS-485总线收发器控制(带或不带回波抑制)、50-921.6kbaud的软件可选波特率；用于USB／UART成批I／O的内置、双通道DMA控制器；

应用：手持式计量仪表、健康状况测量装置／监控器与所有需要升级至USB的老式串行设备。