SERDES

维基百科上讲:  

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    A Serializer/Deserializer (SerDes pronounced sir-dees) is a pair of functional blocks commonly used in high speed communications to compensate for limited input/output. These blocks convert data between serial data and parallel interfaces in each direction.

    因为SERDES技术主要用来实现ISO模型的物理层,SERDES通常被称之为物理层(PHY)器件。SERDES是一种时分多路复用(TDM)、点对点的通信技术,即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号,经过传输媒体(光缆或铜线),最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量,减少所需的传输信道和器件引脚数目,从而大大降低通信成本。SERDES技术从光纤通信发展到计算机通用I/O接口,其传输媒体也由光纤发展到铜线或背板。

SERDES系统的组成和设计

图1: SERDES收发机的组成模块。

    (参考王守军的文章。王守军:Email: shoujunwang@ieee.org,Altera公司)一个典型SERDES收发机由发送通道和接收通道组成(见上图):编码器、串行器、发送器以及时钟产生电路组成发送通道;解码器、解串器、接收器以及时钟恢复电路组成接收通道。顾名思义,编码器和解码器完成编码和解码功能,其中8B/10B、64B/66B和不规则编码(scrambling)是最常用的编码方案。串行器和解串器负责从并行到串行和从串行到并行的转换。串行器需要时钟产生电路,时钟发生电路通常由锁相环(PLL)来实现。解串器需要时钟和数据恢复电路(CDR),时钟恢复电路通常也由锁相环来实现,但有多种实现形式如相位插植、过剩抽样等。发送器和接收器完成差分信号的发送和接收,其中LVDS和CML是最常用的两种差分信号标准。另外还有一些辅助电路也是必不可少的,例如环路(loopback)测试、内置误码率测试等等。

    基于SERDES的高速串行接口采用以下措施突破了传统并行I/O接口的数据传输瓶颈:一是采用差分信号传输代替单端信号传输,从而增强了抗噪声、抗干扰能力;二是采用时钟和数据恢复技术代替同时传输数据和时钟,从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题。

另外:

    PCI Express,简称PCI-E,基于SERDES的串行双向通信技术,它沿用了PCI编程概念及通信标准,仅应用于内部互连。由于PCIe是基于现有的PCI系统,只需修改物理层而无须修改软件就可将现有PCI系统转换为PCIe。PCIe拥有更快的速率,以取代几乎全部现有的内部总线(包括AGPPCI)。因特尔希望将来能用一个PCIe控制器和所有外部设备交流,取代现有的南桥北桥方案。

关于差分信号:

    差分传输是一种信号传输的技术,区别于传统的一根信号线一根地线的做法,差分传输在这两根线上都传输信号,这两个信号的振幅相等,相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的是逻辑0还是逻辑1。在电路板上,差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

    差分信号与传统的一根信号线一根地线(即单端信号)走线的做法相比,其优缺点分别是:

优点:

  1. 1。抗干扰能力强。干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根信号线上,而其差值为0,即,噪声对信号的逻辑意义不产生影响。
  2. 2。能有效抑制电磁干扰(EMI)。由于两根线靠得很近且信号幅值相等,这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等,同时他们的信号极性相反,其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。
  3. 3时序定位准确。差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点,作为判断逻辑0/1跳变的点的。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点,受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大,不适合低幅度的信号。

缺点:

  1. 若电路板的面积非常紧张,单端信号可以只有一根信号线,地线走地平面,而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线。这样的情况常常发生在芯片的管脚间距很小,以至于只能穿过一根走线的情况下。
SERDES 技术是一种高速串行通信技术,其核心原理是将多路低速并行数据通过编码和复用的方式转换为单路高速串行信号进行传输,并在接收端通过解串操作还原为原始的并行数据。这种技术利用了时分多路复用(TDM)机制,能够显著提高通信信道的利用率并降低硬件成本[^2]。 ### SERDES 的技术原理 1. **数据串行化**:发送端通过串行器(Serializer)将多路并行数据合并为单路高速串行信号。 2. **时钟恢复与同步**:为了确保数据的准确传输,SERDES 使用锁相环(PLL)或延迟锁相环(DLL)生成高频率且低抖动的时钟信号,同时在接收端实现时钟恢复以保持同步[^3]。 3. **数据解串**:接收端使用解串器(Deserializer)将接收到的高速串行信号还原为原始的并行数据格式。 4. **编码与纠错**:通常采用 8B/10B 或 64B/66B 等编码方式来保证数据传输的直流平衡性和错误检测能力。 ### 应用场景 - **网络通信**:SERDES 被广泛应用于高速网络协议中,例如 Gigabit Ethernet、Fibre Channel 和 InfiniBand 等,以支持大带宽数据传输需求[^1]。 - **FPGA 互连**:在 FPGA 设计中,SERDES 常用于实现芯片间的高速点对点连接,从而提升整体系统性能。 - **数据中心与服务器**:SERDES 技术被用于构建高性能计算平台中的高速背板互连和存储接口。 - **汽车电子**:随着自动驾驶和车联网的发展,SERDES 在车载摄像头和传感器数据传输中也得到了广泛应用。 ### 相关通信协议 1. **PCI Express (PCIe)**:基于 SERDES 构建的高速总线协议,用于连接 CPU、GPU 和其他外围设备。 2. **SATA/SAS**:硬盘存储接口标准,依赖 SERDES 实现高速数据读写。 3. **Ethernet**:从千兆以太网到 100Gbps 及以上的以太网标准均采用 SERDES 技术实现物理层传输。 4. **JESD204B/C**:专为高速模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)设计的串行接口协议,常用于通信和雷达系统中。 ### 示例代码:SERDES 在 FPGA 中的典型应用(Xilinx) ```verilog // 示例:使用 Xilinx UltraScale 架构的 GT 收发器实现 SERDES 功能 module serdes_example ( input clk_ref_p, // 参考时钟输入 input clk_ref_n, input rxp, // 接收差分输入 input rxn, output txp, // 发送差分输出 output txn ); GT_CHANNEL_INST inst_gt_channel ( .CLK_REF_P(clk_ref_p), .CLK_REF_N(clk_ref_n), .RXP(rxp), .RXN(rxn), .TXP(txp), .TXN(txn) ); endmodule ```
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