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[仿真讨论] 模拟电路工程师的三大法宝!为了提高数字电路工程师关系的串行传.

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发表于 2016-6-22 16:39 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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本帖最后由 alexwang 于 2018-7-2 14:26 编辑 / e( h0 }! P' {0 Y% b  C4 t

" |2 W: ?) ~# P- O2 b( H
模拟电路工程师的三大法宝!为了提高数字电路工程师关系的串行传输速率.
( ^( f0 c- t# K
2016-06-22 又见山人 shark4685

& ~" a* S. \  w7 }
为了提高单根线的传输速率,必须要讲到我们模拟电路工程师的三大法宝,差分信号(differential signaling),时钟-数据恢复(Clock-Data Recovery,简称CDR),和信道均一化(Channel Equalization,Eq)。
' i; s$ \- j/ ?: N; P" j  p
差分信号的好处:不外乎抗干扰能力强,引入的噪声也比较小,虽然必须要两根线,但速度从几百M提高到几G,还是很值得的。
. ^$ V$ e$ H( N1 H: v4 A+ l! V  Z9 s! I) n, \* m
CDR的好处:消灭了skew,减少了时钟的功耗和噪声(但多出了CDR电路本身的功耗和噪声),同时避免了电磁干扰。想想在PCB或者电线上传一个15G的时钟,太带感了,幸亏我们不用做这种事。6 a9 j% j$ X, f" S" Q
; B  o; R2 T  X5 ]" E- h0 e
信道均一化 相当值得一提,这才是SerDes高速发展的决定性因素,所以我决定花点文字讲一下。
  X6 ]8 F( e- C. x- ^" F
一般来说,真实世界中的信道都是低通特性的,到处都是小电容,所谓绝缘体中的分子在高频情况下吸收电场能量,再加上金属线中的趋肤效应,所以我们想要的高频信号走不了多远就不像样子了,比如下面某信道的频率特性(绿线)。

8 m9 `& d" |7 f . G/ a8 X0 {+ E3 w6 u9 }/ {  l
如图所示,在对应28Gbps的频点上,信号能量被衰减了30db,电压幅度只剩3%了;在对应56Gbps的频点上更惨,65db意味着信号电压摆幅剩下不到千分之一。在这种信道中,发送端一个完美漂亮的数据眼图:
* W8 X: N6 B7 I3 e$ u) v- i+ i
  z: I. I+ C: c# \3 x+ P% k
到了接收端会变成这样的一堆垃圾:
% Y& m4 N5 D& h4 H# F# E3 [
什么都辨认不出来对吧。但是,经过我们聪明的工程师们一番努力,均一化开关打开,信号就变成了这样:

1 b! L& G6 @6 j
5 U9 u0 ^$ f0 P0 w1 v, H& Y8 ?7 M( ?神奇么?我觉得挺神奇的,我认识的电子工程师们第一次看到这个,没人觉得不神奇。
$ S  ~) |) M9 J( o9 j3 B' n4 w) l1 {: B6 ?1 H! @
下面一个重要的问题,既然有了三大法宝,他们只能用在串口上吗?5 _0 ]" v! n% R6 ^
答案很显然,不是,串口可以用的,我们并口一样可以用。那为什么并口不用呢?
! Q9 v% O2 A* u& ~% O  m% W0 ~
差分信号这条不用说了,并口的电线本来已经够多了,数目还要再翻一倍?系统工程师会杀人的。

+ b4 v' H# @/ b6 c9 }CDR 意义也不大,反正你并口速度也不高,一堆数据线中顺便传下时钟,比做接收端做CDR再采样每一位数据省事多了。
6 \% u" m$ h& f1 N9 [: A6 e
信道均一化属于屠龙之技,不用差分信号的话也就传几百M,本来就没啥衰减,用这个干啥?还是考虑下各种噪声串扰的问题吧。
: s  C( i4 U# q( R( g$ Z( q0 H3 t5 {* N
于是答案就呼之欲出了。串口为啥比并口快?是因为串口的特性和应用场景,决定了它更加适合采用一些可以提高单根信道速率的设计方法,这些方法用在并口上并不合适。
; `) O, M1 J2 x
8 ]4 E# q6 q0 j/ k/ S- V从现有的应用看来,需要持续稳定高带宽的应用,往往使用高速串行接口,一根带宽不够再加一根,各种视频网络应用,基本如此。而一些历史遗留速度不高的应用,还有一些需要突发性高带宽的应用,并口仍然存活,比如很特殊的DDR。虽然XDR/GDDR/HMC/HCM这些新标准都在试图引入SerDes, 但DRAM行业的特殊性还是让并口继续存活着。7 E% T! k5 Q' E  t" f/ u1 z, f
8 e( f6 H  `- L( |" w. G
这个答案清楚明晰的指出了几乎所有串口的优势,但是忘了提及一点,这些优势其实是三大法宝带来的,并非串口与生俱来。就像小强开车小明走路,小强自然快很多,但并非他天生就快,而是因为小明腿短够不到油门。haha...

8 ^; V3 ~5 m/ C7 z3 U" V
# s& L& r: q" h) u/ h. o! U

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  发表于 2016-6-23 11:10

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